Cenni teorici:

L’esperienza effettuata ci poneva come scopo quello di verificare il funzionamento di un convertitore analogico – digitale ADC 0801.

I convertitori analogico – digitale, più conosciuti come ADC ( Analogical Digital Conversion ), sono dei dispositivi che campionano il segnale analogico d’ingresso fornendo in uscita dati digitali indicativi dell’ampiezza dei campioni. In pratica si effettua una digitalizzazione del  segnale analogico d’ingresso.

La differenza sostanziale tra un segnale analogico ed un segnale digitale è che il primo può assumere infiniti valori mentre il secondo soltanto un numero finito di valori discreti.

Gli infiniti valori del segnale analogico devono pertanto essere quantizzati ovvero raggruppati in un certo numero di fasce delimitate da livelli fissi detti livelli di quantizzazione; a ciascuna fascia di valori analogici corrisponderà un valore digitale. La distanza fra due livelli di quantizzazione “vicini” prende il nome di passo di quantizzazione Q al quale corrisponde il valore del bit meno significativo.

La figura n°1-a rappresenta un segnale variabile da 0 a 7,5 V con i corrispondenti valori digitali mentre la figura n°1-b rappresenta il segnale a gradini che so otterrebbe effettuando la conversione dal segnale digitale a quello analogico. Come si può vedere nella figura n°1-b ad un valore analogico di 0,5 V viene attribuito un valore digitale 0 , come ad esempio ad un valore analogico di 2,5 V corrisponde un valore digitale 011; questo sta ad indicare che l’errore che si commette nella quantizzazione è sempre minore o uguale a  ± 5 V.

Dal discorso precedentemente fatto si deduce che in un ADC i valori digitali di uscita non riproducono fedelmente il segnale di ingresso ma ne danno una rappresentazione approssimata, tanto più precisa quanto minore è il passo di quantizzazione Q, cioè quanto più numerosi sono i livelli di quantizzazione.

Un’altra nozione che è utile conoscere per lo studio dei convertitori analogico – digitali è quella del campionamento. Infatti, come detto in precedenza, la conversione consiste nel prelevamento di un campione del segnale ad un dato istante e nella determinazione del corrispondente valore digitale, che resterà fisso fino a quando non verrà prelevato un’altro campione per una nuova conversione.

La frequenza con la quale il segnale viene prelevato è detta frequenza di campionamento  e deve essere:

ê_c ≥ 2 * ê_max

dove ê_max è la componente armonica più elevata del segnale da campionare.

L’espressione sopra citata è la rappresentazione numerica del teorema di Shannon, il quale ci dice che la frequenza di campionamento deve essere maggiore o uguale al doppio di quella della componente di frequenza più elevata del segnale sotto esame.

I principali parametri che influiscono sulle caratteristiche di un ADC sono: il segnale analogico, i dati di uscita, la risoluzione, il tempo di conversione, la precisione, l’errore di linearità, l’errore di linearità differenziale e l’errore di guadagno e di offset.

Il primo dei parametri, ossia il segnale analogico, sta ad indicare la massima escursione o dinamica del segnale di ingresso; i valori più comuni sono da 10 a 20 V_pp.

I dati di uscita del convertitore analogico-digitale sono contraddistinti da un codice , da un formato e da livelli elettrici. Il codice più utilizzato è  il codice binario naturale che porta tutti i bit a 0 in corrispondenza dello 0 analogico e tutti i bit ad 1 in corrispondenza del fondo scala ( FS ). Altri codici utilizzati sono il BCD , nel quale i bit di uscita sono raggruppati a quattro a quattro per rappresentare le cifre decimali di diversa posizione, e  quello a modulo e segno, nel quale il bit più significativo ( MSB ) sta a rappresentare il segno.

Generalmente i dati digitali sono disponibili in formato parallelo, ovvero su n linee, ma delle volte si incontrano dei convertitori che presentano i dati serialmente, su un’unica linea di uscita.

Un’altro parametro è la risoluzione, che consiste nella più piccola variazione del segnale di ingresso che il convertitore A/D è in grado di rilevare e convertire.

Il tempo di conversione t_C è il tempo richiesto dal convertitore per eseguire una conversione completa.

La precisione indica lo scarto massimo fra il valore di tensione analogica reale e quello ideale richiesti per ottenere un dato valore digitale in uscita. Questo parametro tiene conto dell’errore di quantizzazione, del rumore e della non linearità, ed è generalmente espresso in % del fondo scala o in LSB.

Nella figura n°1-b si è disegnata con il tratteggio la retta teorica che interpola il segnale a gradini,  che si discosta ovviamente da quella reale. L’errore di linearità ci fornisce la massima deviazione fra la curva interpolatrice della gradinata reale e la retta interpolatrice della gradinata ideale. 

Un’altro errore è l’errore di linearità differenziale, il quale indica la massima variazione della fascia dei valori analogici corrispondenti ad un dato valore digitale.

L’ultimi dei parametri citati sono l’errore di guadagno e offset, che stanno ad indicare, rispettivamente, una pendenza della curva di trasferimento diversa da quella ideale e una traslazione della curva stessa che non passa più nell’origine.

Per l’esecuzione dell’esperienza è stato utilizzato il convertitore della National Semiconductor ADC 0801. Questo è uno tra i convertitori più utilizzati, è del tipo ad approssimazioni successive. Realizzato in tecnologia CMOS esso presenta una risoluzione di 8 bit con un tempo di conversione di 100 ms. La precisione di questo ADC è di ± ¼ LSB.

figura n°2

La disposizione dei terminali è illustrata nella figura soprastante. L’alimentazione, singola di 5 V, è applicata fra i pin 20 e 10 ( massa digitale ) mentre l’ingresso analogico, di tipo differenziale, fa capo ai pin 6 e 7. Il pin 8 costituisce la massa analogica. Gli 8 terminali di uscita ( pin 11 – 18 ) sono di tipo  tri – state con livelli TTL compatibili. Il segnale di clock può essere fornito direttamente dall’esterno ( pin 4 ) o può venire generato da un oscillatore interno con la semplice aggiunta di una rete RC fra i pin 4 e 19. Il terminale CS negato ( Chip Select ) deve essere portato al livello basso per attivare l’integrato che da inizio alla conversione anche quando il terminale WR, write, negato è basso. La fine della conversione viene segnalata dal passaggio al livello basso del pin INTR negato. I dati vengono portati sui pin di uscita dall’abbassamento del segnale presente sull’ingresso negato RD, read.

Nella nostra esperienza ai terminali di uscita sono stati posti otto diodi led, i quali avevano l’anodo collegato a + 5 V mentre il catodo collegato tramite un resistore da 1,2 KW. I led avevano la funzione di indicare in modo visivo il dato digitale presente sull’uscita dove erano stati collegati; in pratica avevano il semplice scopo di semplificare il nostro lavoro visto che ci permettevano di non andare ogni volta con il voltmetro su ogni singola uscita per misurare il valore di tensione presente  sulla stessa.

All’ingresso del nostro convertitore avevamo invece una tensione pari a 5,120 V generata tramite l’utilizzo di un AD 584 e di un potenziometro da 20 KW.

Una volta montato il tutto e abilitato il pin di scrittura WR negato si è passati alla verifica del funzionamento.

La tabella che segue rappresenta i valori digitali presenti sull’uscita ad una determinata tensione di ingresso.

tabella n°1

Da questa tabella è stato poi sviluppato il grafico n°1, nel quale si può vedere la variazione del codice di uscita in corrispondenza di una variazione della tensione di ingresso.

Elenco dei componenti utilizzati:

I componenti utilizzati per il l’esecuzione dell’esperienza sono stati i seguenti:

-         8 resistori da  1,2 KW

-         8 diodi led

-         resistore 10KW

-         resistore variabile da 20 KW

-         2 condensatori 100 nF

-         condensatore 100 pF

-         integrato ADC 0801

-         integrato AD 584

-         integrato LF 351

-         fili conduttori

Elenco degli strumenti utilizzati:

Gli strumenti utilizzati per il montaggio e la verifica dei circuiti studiati sono stati i seguenti:

-         bread board

-         spellafili

-         cacciavite

-         tester

-         alimentatore variabile

-         cavi connettori

-         forbice

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