Cenni teorici:

L’esperienza effettuata ci poneva lo scopo di effettuare il montaggio e la verifica di un convertitore digitale – analogico, il DAC 0808.

Il DAC o D/A ( Digital Analogical Conversion ) è un dispositivo che fornisce in uscita un segnale analogico, in corrente o in tensione, proporzionalmente al valore digitale presente in ingresso. La figura che segue ne rappresenta il simbolo circuitale:

immagine del simbolo circuitale

figura n°1

I convertitori D/A presenti in commercio accettano dati digitali espressi in codici diversi , binario, binario con offset, in complemento a due, BCD, con un numero di bit compreso fra 8 e 16.  Il formato di questi dati generalmente è parallelo, ma esistono DAC che accettano in ingresso dati seriali. I livelli elettrici dei dati di ingresso variano con la tecnologia con cui sono realizzati i convertitori e possono essere TTL, CMOS e ECL.

I valori della tensione di alimentazione  e della tensione di riferimento dipendono dalla tecnologia con cui sono realizzati i circuiti e dalle polarità del segnale analogico di uscita desiderato e consentito ; occorre sempre prestare molta attenzione alle configurazioni circuitali suggerite dai fogli tecnici e ai valori massimi consentiti.

Per quanto riguarda la grandezza analogica di uscita , nella maggior parte dei casi i  convertitori forniscono una corrente che può essere convertita in tensione mediante un operazionale esterno. In altri casi gli integrati contengono internamente un amplificatore operazionale e forniscono un’uscita in tensione oppure  contengono uno o più resistori di precisione da collegare come elementi di retroazione ad un operazionale esterno.

I  principali parametri che definiscono le prestazioni dei convertitori digitali- analogici sono : la risoluzione, la precisione,la linearità,  il tempo di assestamento,il voltage compliance  e la sensibilità alla temperatura

La risoluzione specifica il numero dei bit del dato digitale di ingresso e conseguentemente il numero dei valori distinti del segnale analogico del segnale di uscita. Un convertitore a 10 bit di ingresso presenta una risoluzione di 10 bit e può fornire in uscita 2¹⁰ ovvero 1024 valori distinti. Poiché la minima variazione della tensione di uscita è 1 / 1024 dell’escursione massima , si può anche dire che la risoluzione del convertitore è di circa 1 / 1000 ovvero dello 0,1 %.

La precisione fornisce la misura della differenza fra il valore del segnale analogico di uscita reale e quello ideale, per un dato codice di ingresso, questo parametro tiene anche conto di varie cause di errore, in particolare della non linearità del dispositivo e degli errori di guadagno e di offset della circuiteria interna.

La linearità di un DAC indica la proporzionalità tra le variazioni assunte dal segnale digitale di ingresso e gli incrementi del segnale di uscita ; pertanto la curva di trasferimento deve essere rappresentata con una retta. L’errore di non linearità esprime la massima deviazione della curva di trasferimento reale da quella ideale.

figura n°2

La figura illustrata nella pagina precedente rappresenta la curva di trasferimento ideale e quella reale di un convertitore a tre bit; la curva ideale è quella indicata dalla retta mentre quella reale è costituita dai punti. Lo scarto massimo tra la retta e i punti rappresenta l’errore di linearità, indicato con la lettera e, che si esprime generalmente in frazioni di LSB. In figura si può ad esempio vedere che l’errore di linearità è pari a ½ LSB. Si noti che un errore di linearità pari a ½ LSB è il massimo consentito affinché sia garantita la monotonicità del convertitore ovvero affinché all’aumento del dato digitale di ingresso corrisponda un aumento del segnale di uscita.

Il tempo si assestamento è definito come il tempo necessario affinché il segnale analogico di uscita , dopo una data commutazione degli ingressi , si assesti e si mantenga in un determinato intorno ( generalmente ½ LSB ) del valore finale.  Il transitorio associato alla commutazione è causato dalle inevitabili capacità e induttanze parassite presenti e dalle caratteristiche dei commutatori.

Il voltage compliance per un DAC con uscita in corrente , esprime il campo di valori consentiti per la tensione  di uscita affinché siano ancora garantiti i valori di corrente specificati.

La sensibilità alla temperatura è legata alla deriva termica di molti elementi, quali le tensioni di riferimento interne, i resistori , i commutatori, l’amplificatore di uscita. Le informazioni sulla sensibilità termica vengono spesso fornite specificando i coefficienti termici di diversi parametri tipo offset, guadagno,etc..   

Un’altra caratteristica dei convertitori digitale –analogico è il glitch. Questo non è altro che un impulso indesiderato che si può avere al passaggio da un valore digitale ad un’altro.

La figura n°3 illustrata nella pagina precedente ci propone l’esempio di un passaggio dal valore binario  011 al valore binario 100, ossia il corrispondente passaggio dal numero decimale 3 al numero 4. Come si può vedere durante questo passaggio il segnale non si porta direttamente al valore 100 ma passa per lo 0 provocando non pochi problemi al circuito progettato.  Per ovviare questo problema molte volte vengono utilizzati dei dispositivi detti deglitcher che non sono altro che dei circuiti di sample – hold molto veloci caratterizzati dal fatto che mantengono costante l’uscita finché la commutazione non è terminata.

Come precedentemente detto, il convertitore digitale – analogico utilizzato nella nostra esperienza è stato l’integrato della National DAC 0808.

Il DAC 0808 è un convertitore digitale-analogico a 8 bit con rete ladder invertita e uscita in corrente, particolarmente veloce (tempo di assestamento a piena scala 150 ns).

La corrente di uscita Io che entra nel DAC, è data da:

Io = (N/256) * Iref

dove Iref è una corrente di riferimento (max 5 mA) determinata, tramite un generatore di corrente pilotato da un amplificatore differenziale di Norton, dalla differenza fra le correnti entranti nei terminali Vref(-) e Vref(+).                                                                                                       Il DAC richiede un'alimentazione duale ±4,5 V - ±18 V; con un'alimentazione standard Vcc = +5 V e Vee = -15 V gli ingressi digitali sono compatibili TTL, DTL e CMOS.                                                       Nella pagina che segue, pagina n°5 , sono disegnati la struttura interna del nostro DAC e la piedinatura del suo integrato .                                                                                              

Analisi dell’esperienza effettuata:

Dallo schema di figura n°6 si può vedere che per immettere i codici digitali all’ingresso del DAC sono stato utilizzati otto interruttori collegati da un estremo a massa e dall’altro ad otto resistori da 10 KW collegati a loro volta ad una tensione di 5 V. Per ottenere questo valore si è utilizzato l’integrato 7805.Questo non è altro che un regolatore di tensione che ci fornisce alla sua uscita una tensione continua di 5 V particolarmente stabile nei confronti delle variazioni della tensione di ingresso, del carico e della temperatura.

La figura n°9 raffigura lo schema di montaggio di un regolatore 7805.

All’uscita del DAC 0808 è stato messo un amplificatore operazionale LF 351 il quale aveva come compito quello di regolare l’offset tramite l’utilizzo di un resistore variabile da 100 KW.

Prima di passare alla verifica del circuito si è progettata la soluzione circuitale in grado di fornirci una tensione da 5,120 V da mettere poi sul pin n°14 ,ossia sul V_REF +.

Per ottenere questo valore si è utilizzato un resistore variabile da 20 KW collegato al pin 1 di un  AD 584 ; in questo pin si aveva una tensione stabile di 10 V. Variando opportunamente il resistore si è ottenuta al pin 14 del DAC una tensione di 5,120 V, proprio come quella richiesta.

Una volta montato il tutto si è passati al rilevamento dei valori di uscita in funzione di un determinato codice digitale immesso all’ingresso.

Per mettere a 0 ( massa )  un determinato ingresso veniva chiuso l’interruttore corrispondente a   quell’ingresso, mentre per mettere ad un 1 un ingresso occorreva lasciare aperto l’interruttore.

Tabella n°1

Come si può vedere da questa tabella, ad un determinato valore binario di ingresso corrisponde un determinato valore analogico di uscita, come è stato già illustrato nella sezione dei cenni teorici.

Nella tabella le prime otto colonne contengono il codice binario  “ messo “, posto, sugli ingressi del DAC 0808 , mentre la nona colonna contiene il corrispondente valore decimale del codice d’ingresso. Le ultime due colonne contengono i valori della tensione di uscita in corrispondenza di un codice d’ingresso, precisamente l’ultima a destra contiene il valore misurato tramite l’utilizzo di un voltmetro, mentre la penultima colonna contiene il valore calcolato tramite l’utilizzo della seguente formula:

V_O = V_REF * ( N / 256 )

dove V_REF era 5,120 V mentre N il numero decimale corrispondente al codice binario presente all’ingresso del convertitore.

Da questa tabella si è ottenuto il grafico di pagina seguente, raffigurante la dinamica ingresso-uscita del circuito. In teoria i grafici dovevano essere due, uno dei valori teorici ed uno di quelli misurati, ma essendo questi molto vicini come valori si è scelto di utilizzarne uno soltanto.

Dopo aver verificato il circuito illustrato in figura n°6 si è passati al montaggio ed alla verifica del circuito di figura n°7.

In questo circuito è stato posto all’ingresso del DAC 0808 un contatore 74191 a modulo 256. Il contatore non è altro che una serie di flip-flop messi uno di seguito all’altro, in  modo che ad ogni impulso del segnale di ingresso, detto segnale di clock, ci sia una transizione da uno stato ad un’altro.

All’uscita del nostro convertitore questa volta avevamo un segnale periodico a dente di sega, la cui frequenza era pari a 1/256 di quella del segnale di ingresso.

Successivamente è stata interposta tra i contatori ed il convertitore una memoria RAM 27128.

La memoria RAM ( Random Access Memory : memoria ad accesso casuale ) è una memoria che consente l’accesso diretto a qualsiasi locazione per operazioni sia di scrittura che di lettura. Essa è una memoria volatile, in cui i dati vengono scritti e letti in tempo reale ossia durante il funzionamento del sistema di cui fanno parte. Una caduta dell’alimentazione comporta la perdita irrimediabile di tutte le informazioni immagazzinate.

All’interno della nostra memoria erano stati memorizzati una serie di codici che ci permettevano di generare all’uscita del nostro convertitore un’onda sinusoidale positiva di ampiezza 5 V e di frequenza 1/256 di quella del segnale posto all’ingresso del nostro contatore.

  Elenco dei componenti utilizzati:

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

-         8 resistori da  10KW

-         resistore 4,7 KW

-         resistore 1,5 KW

-         resistore variabile da 100 KW

-         2 resistori variabili da 5 KW

-         resistore variabile da 20 KW

-         condensatore 100nF

-         integrato DAC 0808

-         integrato AD 584

-         2 integrati LF 351

-         contatore 74191

-         memoria RAM 27128

-         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

-         generatore di funzioni

-         oscilloscopio

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