7.1.1. A/D Pretvornici

Najjednostavnije, A/D pretvornik pretvara analogni signal u binarni broj. Analogno-digitalni pretvornik ne pretvara u digitalnu vrijednost cjelokupan analogni signal, nego samo njegove UZORKE u vremenu. Pri tome se ne uzima stvarni iznos uzorka već se uzima vrijednost prema najbližem raspoloživom nivou u trenutku uzimanja uzorka. Broj raspoloživih nivoa ovisi o broju bit-a koji će se koristiti za binarni broj u postupku pretvorbe. Što su nivoi gušći, pretvorba je preciznija, i potrebit broj bit-a za binarni broj veći. Načelo uzorkovanja prikazano je na slici 7.1.1.

Slika 7.1.1 Uzorkovanje analognog signala u vremenu.

Tijekom vremena uzimanja uzorka elektronički sklopovi pretvornika analiziraju koja je vrijednost nivoa najbliža stvarnoj vrijednosti analognog signala u tom trenutku. Ustanovljena vrijednost nivoa se pamti i do narednog uzorkovanja mora se izvršiti pretvorba u binarni oblik te binarna vrijednost isporučiti programskoj potpori koja će istu pohraniti u memoriju računala ili u datoteku na tvrdom disku te obično i grafički prikazivati tekući proces na monitoru računala. Dakle, podosta radnji ima se obaviti za vrijeme trajanja pretvorbe. Vrijeme uzimanja uzorka mnogostruko je kraće od perioda uzorkovanja (frekvencije uzorkovanja). Što je frekvencija uzimanja uzoraka veća pretvorba je kvalitetnija.

Primjer sa slike 7.1.1 pokazuje da je za pretvorbu analognog signala izabrano osam (8) različitih nivoa s kojima će se njegove promjene vremenski pratiti. Tih osam nivoa mogu se binarno prikazati s kombinacijama od tri (3) bit-a. Točnost takvog sustava bila bi nedovoljna za kvalitetno praćenje promjena analognog glazbenog signala ili temperaturnih razlika tijekom godine u nekom podneblju, ali bi recimo bila dostatna da se prati trošenje galvanskog članka tijekom uporabe glede ocijene njegove uporabljivosti.

U postupku uzorkovanja ne uzimaju se stvarne vrijednosti analognog signala, već najbliža moguća od raspoloživih nivoa. Dio poruke se GUBI. Gubitak je manji ako je raspoloživi broj nivoa uzorkovanja veći i frekvencija uzorkovanja veća. Ovaj proces pretvaranja kontinuiranih vrijednosti analognog signala u diskontinuirane vrijednosti naziva se KVANTIZACIJA. Zaokruživanjem stvarne vrijednosti analognog signala prilikom kvantizacije na višu ili nižu vrijednost prema zadanim nivoima nastaje šum koji se naziva kvantizacijski šum. U izboru između kvalitete i stvarne potrebe treba u praktičnoj primjeni uporabiti zadovoljavajuće parametre adekvatne zadaći i potrebama korisnika. Dakle, veći broj uzoraka u jedinici vremena i više nivoa uzorkovanja daje manje odstupanje u odnosu na stvarne analogne vrijednosti signala i pretvorba je kvalitetnija. Odstupanje regeneriranog digitalnog signala, odnosno rekonstruiranog analognog signala na osnovu digitalnih zapisa u odnosu na originalni analogni signal uzrok je tzv. ŠUMU KVANTIZACIJE.

Uzorci analognog signala, pretvoreni u binarni broj između dva uzorkovanja, šalju se najčešće preko sabirnice računala ili preko paralelnog porta u vidu paralelnog prijenosa digitalnom računalu, koje ih potom obrađuje. Što je vrijeme pretvorbe kraće A/D pretvornik radi brže i to je njegovo najznačajnije svojstvo. Rezultati uzorkovanja mogu se pohraniti na računalu u vidu obične tekstualne datoteke, ili kao datoteka kompleksnog sadržaja, kao što su glazbeni. Primjer uzorkovanja glazbenog signala dobro ilustrira slika 2.3d.

Primjer I

A/D pretvornik zasnovan na načelu usporedbe promatranog ulaznog signala s poznatim pilastim signalom jedan je od najjednostavnijih načina.

Slika 7.1.2 A/D pretvornik s komparatorom signala.

Upravljački dio daje takt za uzorkovanje, odnosno daje nalog za brisanje starog sadržaja u brojaču i start generatora pilastog napona. Istovremeno otvaraju se vrata kroz koja prolaze impulsi u brojač iz generatora takta. Brojač broji impulse sve do momenta kad se veličina analognog signala ne izjednači s veličinom pilastog napona. Tada komparator daje nalog vratima za prekid prolaska iz generatora takta u brojač. Kad pilasti napon dosegne najveću vrijednost upravljački sklopovi daju nalog pretvorniku da pročita sadržaj brojila i na osnovu toga isporuči na izlaz odgovarajuću binarnu kombinaciju te da se potom cijeli postupak ponovi.

Da bi A/D pretvornik ispravno radio veličina promatranog analognog signala (napona) ne smije premašiti najveću vrijednost pilastog napona.

Prema opisanom načelu rada jasno je da će vrijednost uzorka prilikom brojanja uvijek biti manja od stvarne vrijednosti ulaznog analognog napona, jer brojanje prestaje u momentu izjednačavanja pilastog i mjerenog napona.

Bolji rezultati postižu se kad se umjesto generatora pilastog napona koristi generator sukscesivne aproksimacije. Ulazni napon stalno se uspoređuje s izlaznim naponom izračunatim na osnovu vrijednosti brojača. Logika upravljačkog sklopa bit po bit smanjuje ili povećava pretvorenu vrijednost izlaznog napona sve dok se ne ustanovi najmanja razlika između vrijednosti brojača (uzorak) i stvarne vrijednosti ulaznog napona. Usporedba tada prestaje i rezultat brojača se pretvara u binarni kod. Tada je moguće da vrijednost uzorka bude veća od ulazne vrijednosti ako je greška pri usporedbi s vrijednostima diskretnih nivoa manja.

Primjer sa slike 7.1.2 predstavlja samo jedan od podsustava cjelokupne izvedbe A/D pretvornika. Uz njega postoji još nekoliko podsustava koji omogućavaju korištenje pretvornika u računalu, a koji će se nadalje opisati.

Dobro je koristiti su sustavom koji omogućava mjerenje više procesa tako da svakom od njih osigurati određeno vrijeme za očitavanje ulaznih vrijednosti, odnosno da vremenski prati procese jedan za drugim neprekidno (vremenski multipleks). Za svaki mjerni proces osigurava se diskretno vremensko razdoblje za njegovo praćenje, dakle radi o višekanalnom mjernom sustavu.

Slika 7.1.3 Višekanalni mjerni sustav s podsustavima.

Multiplekser omogućava da se u pravilnim vremenski razmacima omogući diskretno praćenje svih fizikalnih veličina na ulazu. Komponente-podsustavi koje slijede iza multipleksera imaju slijedeću zadaću:

• Pojačalo s filtrom
  Pojačalo ima zadaću pojačati ili smanjiti ulazni analogni signal na odgovarajuću veličinu. Često puta će se koristiti normalizirana vrijednost na izlazu iz pojačala. Filtar ima zadaću da otkloni sve više harmonike povrh frekvencije uzorkovanja.
• S/H (Sample & Hold) sklop
  Sample & Hold sklop ima zadaću da u trenutku uzorkovanja očita vrijednost analognog signala na ulazu je ga zadrži sve do narednog uzorkovanja. Na neki način djeluje kao memorija za pamćenje analogne vrijednosti između uzorkovanja kao se na ulazu u A/D sklop ne bi mijenjala vrijednost tijekom pretvorbe.
• A/D pretvornik
  Analogno-digitalni pretvornik će u vremenu između dva uzorkovanja izvršiti pretvorbe analogne vrijednosti u binarni zapis, najčešće u BCD kodu.
• Port računala
  Port računala je međusklop (kanal) koji binarnu vrijednost isporučuje na sabirnicu računala i zadaje se kao brojčana vrijednost prema preporuci proizvođača (Poglavlje o sklopovlju računala 3.5.1 / Periferije). Moguće je da će trebati povesti računa da na dođe do IRQ konflikta.

Za mjerenje fizikalnih veličina pomoću A/D mjernog sustava dobro je služiti se višekanalnim mjerenjem kako bi se pratilo više parametara. Računalu i njegovoj programskoj potpori potpuno je svejedno analizira li jednu ili više skupina podataka, što im danas bez osobitih zahtijeva omogućavaju njihove performanse. Za analizu i prikaz podataka brine se programska potpora.

Fleksibilnost višekanalnog sustava očituje se u broju multipleksiranih ulaza a kvaliteta o tome kako su pojedini uređaji implementirani, prije ili poslije multipleksera. Naime dobro bi bilo da svaka grana ima vlastita četiri prethodno navedena podsustava. Naravno da to višestruko povećava cijenu pretvornika ali omogućava daleko veći nadzor nad procesima koji se prate.