Du har följande material: 1 Kopplingsdäck 2 LM339 4 komparatorer i vardera kapsel. ( ELFA art.nr datablad finns )

Transkript

1 Projektuppgift Digital elektronik CEL08 Syfte: Det här lilla projektet har som syfte att visa hur man kan konverterar en analog signal till en digital. Här visas endast en metod, flash-omvandlare. Uppgift: Du skall bygga en 3-bit A/D-omvandlare och presentera det digitala resultatet på en av 7-segmets displayerna DE2 kortet. Resultatet presenteras i samband med laboration 7. VHDL-koden skall lämnas in, med kommentarer. Det finns många begrepp som rör A/D-omvandling. Ett av begreppen är LSB. Tag reda på vad det innebär och hur det används i det här sammanhanget. Du har följande material: Kopplingsdäck 2 LM339 4 komparatorer i vardera kapsel. ( ELFA art.nr datablad finns ) Motståndsnät Typ k I en DIL-kapsel finns 8 st individuella resistanser vardera på 0 kω. (ELFA art.nr datablad finns) Motståndsnät Typ k I en DIL-kapsel finns 8 st individuella resistanser vardera på kω. (ELFA art.nr datablad finns) Trimpotentiometer 0 kω. 8 Röda lysdioder. 4 pin kontakt för att kunna koppla mellan utvecklingskortet och DE2- kortet. Avbitartång och massor med kopplingstråd. Några Resistanser på 0 kω. Digital elektronik CEL08 Projekt /9

2 Bilden visar projektbordet med komponenter. Från vänster till höger är det: Trimpotentiometer, Resistansnät 0 kω, 2 st LM339 komparatorkretsar, kontakt till DE2, resistansnät kω samt längst ner 8 st lysdioder med katoderna kopplade till GND. Matningsspänning hämtas via kontakten till DE2. Lysdioderna används bara till att kontrollera funktionen. Informationen skall sedan presenteras på en sju-segment-display på DE2-kortet. Information om sju-segment-display finns på kurshemsidan, DE2UserManual.pdf. Flash-ad omvandlare. Så här fungerar den för två bitar. Principen är att man jämför en okänd spänning med en referensspänning. Om den okända spänningen är större än referensspänningen sätter man en etta i annat fall sätter man en nolla För att få ett antal referensspänningar använder man ett resistansnät ( motståndsnät). Nedan ser Du symbolen för en komparator ( samma som för en operationsförstärkare ) Det finns två ingångar, betecknade med respektive. Om spänningen på plusingången är större än spänningen på minusingången för man ut en etta. I annat fall får man ut en nolla. Etta är detsamma som matningsspänningen. Nolla är noll volt. Samma spänning på båda ingångarna är ej möjligt att få. Utgången är antingen ett eller noll. Digital elektronik CEL08 Projekt 2/9

3 Komparatorn är en aktiv komponent, det betyder att man måste ha en drivspänning. Här skall vi använda den spänning som DE2-kortet ger, dvs. 5 V. Här visas principen för en 2-bit omvandlare. Referensspänning Analog inspänning R3 R2 a2 A2 Avkodare D a A Beskrivs nedan R R0 a0 D0 Resistanserna R0, R, R2 och R3 är lika stora i det här fallet. Antag att referensspänningen är 5.00 V. Punkterna a0, a och a2 får då spänningarna.25 V 2.50 V respektive 3.75 V. Det här blir jämförelsepunkterna för den analoga inspänningen. Antag att vi har en analog inspänning som ökar linjärt med tiden V 3.75 V 2.50 V Analog inspänning.25 V A2 t 0 A 0 0 D 0 0 D0 0 0 Digital elektronik CEL08 Projekt 3/9

4 Diagrammen visar hur komparatorernas utgångar ändras då den analoga insignalen ändras. Denna information skall översättas till ett binärt tal, avkodning. Längst ner visar hur man kan ange de fyra tillstånd som AD-omvandlaren kan ge. I tabellform: A2 A D D x x Kan ej inträffa x x Kan ej inträffa 0 x x Kan ej inträffa 0 x x Kan ej inträffa Två karnaughdiagram A A2 0 0 x x x x Ger D = A A A2 0 0 x x x x Ger D0 = A A2 Exempel på uppkoppling av avkodaren med grindar. ( Gammalt sätt ) A2 A & D D0 Digital elektronik CEL08 Projekt 4/9

5 För att göra en 2-bit omvandlare fodras 2 2 = 3 komparatorer och 2 2 resistanser. Den allmänna formeln är 2 n komparatorer och 2 n resistanser. Resistansstegen i exemplet har alla resistanser lika. R3 = R2 = R = R0 = 0 kω. Egentligen skall R0 sättas till 5 kω, och R3 till 5 kω. Det betyder att för en allmän resistansstege med resistanserna R så skall R0 ha värdet R/2 och resistansen som ligger mot referensspänningen skall ha värdet 3R/2. Avkodaren blir naturligtvis mer och mer komplicerad ju fler bitar man skall ha. Det är inte meningen att Du skall skriva VHDL-program med logiska kretsar. Använd istället vektorer för in- och utsignaler, stdlogicvector( downto 0). Konstruktionen when.. else fungerar bra i det här sammanhanget. Lysdioden Katod till minus Anod till plus Anod Katod På de lysdioder som vi använder är katoden markerad genom att plasthöljet är avfasat vid katoden. Vy underifrån Katod Anod Dioder leder ström åt ett håll. Från anod till katod. Symbolen för en diod kan ses som en pil. Vanliga halvledardioder får en spänning över sig på c:a 0,6-0,7 volt då ström passerar. Det måste finnas en resistans i serie med lysdioden. Resistansen skall begränsa strömmen. Exempel på koppling för att indikera etta eller nolla. 5 V 0 eller Digital elektronik CEL08 Projekt 5/9

6 Komparatorn Den komparator som vi skall använda är LM339. Utgången är at typ open collector. Det är en konstruktionsprincip som har orsakat en hel del onödigt arbete. Normalt tänker man sig att en utgång på en logisk krets antingen skall vara noll eller ett. Där ett motsvarar en spänning, exempelvis 5V, och noll är ingen spänning eller 0 volt. Open collector Open collector innebär att utgången är i tillståndet att antingen ge en etta eller att ge en nolla. För att kunna indikera detta måste man ha någon yttre komponent. Först en liten förklaring till namnet. En transistor har tre anslutningar: emitter, collector och bas. collector bas emitter När man använder transistorer i digitala sammanhang, är de antingen bottnade eller strypta. Bottnad betyder att det finns en förbindelse mellan collector och emitter. I princip en sluten kontakt. Strypt innebär att förbindelsen mellan collector och emitter är bruten, en öppen kontakt. Det finns logikkretsar med open collector utgång. Nedan visas en NOR-grind av den typen. En etta ut från den interna OR-grinden ger en basström till transistorn som då bottnas. 74LS02 open collector output Ingångar GND Digital elektronik CEL08 Projekt 6/9

7 För att läsa av utgången måste man ha en pull-up resistans och en matningsspänning. Matningsspänning 5V Pull-up resistans 74LS02 Ingångar GND Wired OR Komponenter med open-collector-utgång kan bl.a. användas i kopplingar som går under beteckningen wired-or. Wired kan ha olika betydelser, men i det här sammanhanget innebär wired att komponenter är sammankopplade med en ledare. Man kan exempelvis ha ett antal NORgrindar. Utgången på dessa grindar måste vara av typ open collector. Samtliga utgångar kopplas samman med en pull-up resistor. 5 V R A B UT C D Om samtliga ingångar är en logisk nolla så blir utsignalen etta. Om någon ingång blir en etta, så blir utsignalen noll. Digital elektronik CEL08 Projekt 7/9

8 Komparator med open collector-utgång. Man behöver en pull-up resistans till var och en av komparatorerna. Referensspänning Analog inspänning R3 a2 5 V R A2 R2 a 5 V R A R R0 a0 5 V R Insignal Vi skaffar en analog insignal med hjälp av en trimpotentiometer. Anslutningarna och 3 kopplas till jord resp. matningsspänning 5V. Mittuttaget 2 får då en spänning 0 U 5 V. Insignalen kan också komma från någon sensor. När allt fungerar kan Du prova följande koppling: R = 0 kω 2 3 R = 0 kω 5 V 2 3 GND Digital elektronik CEL08 Projekt 8/9

9 Den variabla resistansen är exempelvis en PTC- resistans. Resistansen ökar med temperaturen. Alternativt en NTC-resistans, resistansen avtar med temperaturen. Ytterligare ett alternativt är en LDR-resistans för ljusmätning. LDR =Light Dependent Resistor. I det här fallet minskar resistansen då ljusflödet ökar. Den analoga signalen tas ut vid anslutning 2. Trimpotentiometern används nu för att få signalen inom lämpliga gränser. Digital elektronik CEL08 Projekt 9/9