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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Un semplice ADC: un set-top box per un PC. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Компьютеры Attualmente, i convertitori analogico-digitali (ADC) sono sempre più utilizzati nella progettazione di radioamatori. Ciò è dovuto all'avvento di chip ADC a prezzi accessibili e ai vantaggi offerti dall'elaborazione digitale dei segnali analogici. Utilizzando un ADC, puoi facilmente trasformare un personal computer (PC) in qualsiasi strumento di misura virtuale. Inoltre, la parte elettronica di un tale dispositivo può essere molto semplice e tutta l'elaborazione del segnale verrà eseguita tramite software. Il dispositivo descritto nell'articolo è progettato per convertire un segnale analogico in un codice digitale a sei bit e può fungere da collegamento a un PC. I suoi campi di applicazione sono molto diversi: dagli strumenti di misura virtuali ai vari sistemi di registrazione del suono. Progetti basati sugli ADC sono stati più volte pubblicati sulle pagine della rivista Radio. Tuttavia, hanno utilizzato principalmente chip con un codice di uscita decimale binario o un codice per indicatori a sette elementi [1]. Questo approccio non è conveniente per inserire informazioni in un PC. Il dispositivo presentato ai nostri lettori utilizza il microcircuito KR1107PV1, che è un ADC parallelo a sei bit ad alta velocità [2]. È progettato per convertire la tensione nell'intervallo -2...0 V in uno dei potenziali codici di lettura parallela: codice binario (diretto e inverso) e codice in complemento a due (diretto e inverso). Questo microcircuito è stato scelto perché, in primo luogo, è disponibile per un'ampia gamma di radioamatori ed è relativamente economico e, in secondo luogo, ha prestazioni elevate (frequenza di conversione massima - 20 MHz, tempo di una conversione - non più di 100 ns). Lo schema schematico del dispositivo è mostrato in fig. uno.
Come base viene preso il circuito di collegamento consigliato KR1107PV1A [2], che è notevolmente semplificato senza un notevole deterioramento della precisione di conversione. Il segnale analogico convertito attraverso la presa 1 della presa XS1 e il resistore R4 viene fornito all'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale DA1. Questa connessione è stata utilizzata perché è più spesso necessario digitalizzare una tensione con polarità positiva e il chip ADC converte la tensione nell'intervallo da 0 a -2 V. La tensione di offset zero viene rimossa dal resistore trimmer R1. I resistori R5 e R4 determinano il guadagno richiesto dell'amplificatore operazionale. Il segnale analogico amplificato viene fornito attraverso i resistori R7-R9 ai pin 10, 13, 15 dell'ADC. Il funzionamento dell'ADC DA2 è controllato dagli impulsi di clock provenienti dal PC (tramite il pin 8 della presa XS2) al pin 4. La codifica viene eseguita dopo che è trascorso il limite dell'impulso di clock e il risultato ottenuto durante il processo di conversione è trasmesso al registro di uscita contemporaneamente al fronte del successivo impulso di clock. Ciò consente ai fronti dell'impulso di clock di produrre il campione successivo, cioè, nel momento in cui il risultato dell'n-esimo campione è presente all'uscita di DA2, l'(n+2)esimo campione viene prelevato all'ingresso. Il codice digitale viene prelevato dalle uscite D1 - D6 e inviato alla presa XS2. È necessario notare che la designazione delle uscite del microcircuito è opposta al loro peso: l'uscita D1 corrisponde alla cifra più significativa e D6 a quella meno significativa. Il tipo di codice (diretto, inverso, aggiuntivo) alle uscite del microcircuito è determinato dai livelli di segnale agli ingressi C1 e C2 del microcircuito. La loro connessione al bus +5 V corrisponde a un livello di alimentazione alto e al filo comune a un livello basso. Il tipo di codice richiesto all'uscita del microcircuito è impostato da una combinazione di livelli di segnale sugli ingressi C1 e C2 secondo la tabella. 1.
L'ADC KR1107PV1A richiede un'alimentazione bipolare con tensioni di +5 e -6 V. Inoltre, sono necessarie due tensioni di riferimento. Determinano l'intervallo di tensioni da digitalizzare. In questo caso, una di queste tensioni (Uobp1) è considerata uguale a zero (il pin 16 del microcircuito è collegato al filo comune) e la seconda (Uobp2) è uguale a -2 V, che, secondo [2 ], determina l'intervallo di tensione di ingresso ADC 0... -2 V. Una tensione di riferimento di -2 V viene rimossa dal cursore del resistore di regolazione R6, che è collegato al circuito della tensione di alimentazione con polarità negativa. I condensatori C1 - C5 vengono utilizzati per eliminare le interferenze. Durante l'assemblaggio del dispositivo vengono utilizzati resistori MLT, OMLT, condensatori all'ossido e ceramici di qualsiasi tipo. Resistore trimmer R1 - anche di qualsiasi tipo, R6 - preferibilmente un filo avvolto multigiro, ad esempio SP5-1V, SP5-14, SP5-15, SP5-2, ecc. Amplificatore operazionale DA1 - quasi tutti, in grado di funzionare a basse tensioni di alimentazione, ad esempio , KR140UD7. Per espandere la gamma di frequenze, è possibile utilizzare l'amplificatore operazionale K574UDZ, la cui frequenza di guadagno unitario è 10 MHz. Il dispositivo è alimentato da una sorgente bipolare stabilizzata, che fornisce tensioni di uscita di +5 V con una corrente di 35...40 mA e -6 V con una corrente di 200 mA Prima di accendere l'ADC per la prima volta, il cursore del resistore R6 è impostato sulla posizione centrale. Dopo aver acceso l'alimentazione, misurare la tensione di riferimento sul pin 9 del microcircuito DA2 e, nel modo più accurato possibile, impostarla su -2 V. L'offset zero richiesto si ottiene con il resistore di taglio R1. È possibile controllare la posizione zero utilizzando il codice digitale di uscita o la tensione costante sugli ingressi analogici dell'ADC (pin 10, 13, 15 DA2). A questo punto il setup può considerarsi concluso. L'ADC è collegato al PC tramite un'interfaccia (Fig. 2) installata in un connettore ISA libero sulla scheda di sistema.
La scheda di interfaccia contiene quattro porte di ingresso/uscita con indirizzi ZE0N-ZEZN. Gli elementi DD1.1-DD1.3 e DD2 formano un decodificatore di indirizzi. I loro ingressi ricevono segnali dal bus indirizzi del PC e, se su di esso appare la combinazione ZE0N-ZEZN, all'uscita DD2 viene generata una tensione di abilitazione di basso livello. I segnali che determinano il numero di porta nello spazio indirizzi della porta corrispondono ai due bit meno significativi del bus indirizzi e vengono forniti al decodificatore DD4. Riceve anche segnali di abilitazione tramite il bus AEN (ciò significa che non c'è accesso diretto alla memoria in questo ciclo) e segnali IOW, IOR, che corrispondono alla scrittura e alla lettura da un dispositivo esterno. Il segnale proveniente dal pin 15 del decodificatore viene fornito all'ingresso E del driver del bus DD7 e consente il trasferimento dei dati dall'ADC al bus dati. Il segnale che appare sul pin 14 del decoder DD4 viene utilizzato per sincronizzare l'ADC DA2, sul pin 13 per ripristinare il trigger DD6.1 e sul pin 12 per consentire la fornitura di informazioni da esso al bus dati. Il trigger è progettato per sincronizzare l'ADC con un dispositivo esterno in grado di generare un impulso di clock o un segnale di disponibilità. Il segnale dell'orologio dal dispositivo esterno viene fornito tramite il pin 1 della presa XS2 all'ingresso dell'orologio del trigger. Lo stato di quest'ultimo viene letto dal programma. Se viene rilevato un livello alto sul pin 5 di DD6.1, significa che è stato ricevuto un impulso di sincronizzazione da un dispositivo esterno. Una volta letto lo stato del flip-flop, è necessario reimpostarlo per prepararsi a ricevere il successivo impulso di clock. Qualche parola sullo scopo dei porti. La porta con l'indirizzo ZE0H è destinata alla lettura dei dati dall'ADC (i bit D0-D5 contengono il valore del segnale digitalizzato), con l'indirizzo ZE1H - per fornire un impulso di clock all'ADC (quando si scrive qualsiasi byte su questa porta, la conversione del segnale analogico in digitale si avvia). La porta ZE2H viene utilizzata per ripristinare il trigger di sincronizzazione DD6.1 dopo aver letto il suo stato. Un ripristino si verifica quando un byte viene scritto su questa porta. Infine, la porta WEZN serve per leggere lo stato del flip-flop, che si riflette nel bit 5 del byte letto da questa porta. È necessario un trigger per acquisire impulsi di sincronizzazione di breve durata. Se, durante la lettura dalla porta ZEZN, viene rilevato un livello logico alto sull'uscita diretta del trigger (bit D5 = 1), il programma lo riporta allo stato originale scrivendo un byte qualsiasi sulla porta ZE2H. Il programma per la lettura dei dati dall'ADC, scritto in Pascal, è mostrato in Tabella. 2.
È conveniente utilizzare come base per la progettazione una scheda di espansione difettosa per lo slot ISA. Tutti gli elementi “alti” (condensatori, connettori) vengono rimossi da esso e i conduttori stampati che vanno ai contatti della parte inserita nello slot vengono tagliati (spina XP1 in Fig. 2). Le parti sono montate su un piccolo circuito stampato, fissato tramite rack sulla scheda di espansione. I terminali del dispositivo sono collegati ai contatti della spina XP1 con brevi pezzi di filo di montaggio. Le assegnazioni dei pin dello slot ISA possono essere trovate in [3]. In conclusione, notiamo che nella maggior parte dei casi sei bit sono sufficienti per rappresentare un segnale analogico. Se si utilizza un ADC con un intervallo di tensione di ingresso compreso tra 0 e 2 V per misurare una tensione di 2 V, l'errore non supererà 0,03 V (o 1,5%). Quando si misura una tensione di 0,2 V, l'errore aumenterà al 15%. Per aumentare la precisione delle misurazioni, è possibile utilizzare un ADC di capacità maggiore o aumentare la tensione misurata a un valore vicino al limite superiore dell'intervallo (ad esempio, modificare il rapporto tra le resistenze dei resistori R5 e R4). Con i valori indicati nel diagramma (vedere Fig. 1), il dispositivo digitalizza le tensioni di ingresso nell'intervallo 0...0.5 V ed è in grado di funzionare con un microfono domestico. Se, per motivi di precisione nella “digitalizzazione” dei segnali deboli, è necessaria una profondità di bit maggiore, il microcircuito KR1107PV1A può essere sostituito con un convertitore K1107PV2 a otto bit (naturalmente, tenendo conto delle differenze nella piedinatura e nel consumo energetico). Letteratura
Autori: Yu.Kirillov, D.Sitanov, Ivanvo
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Commenti sull'articolo: Alexander Grazie, buon articolo.
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