Convertitore flash

SCH 34
Obiettivi
Strumenti
e
componenti
Convertitore flash
ƒ
ƒ
Comprendere il funzionamento dei convertitori
Saper effettuare misure di collaudo
IC1 = LM 7805
IC2 =LM 3914
5 V positive voltage regulator
IC3 = DM 74147
IC4 =TIL 311
IC5 =DM 74LS04
R1 = 1 kΩ
R2 =10 kΩ
R3-11 =1 kΩ
C1 = 100 nF
VCC = 12 V
Priority encoder
Display with logic
Hex inverter
Resistenza 1/4 W
Trimmer lineare multigiri
Resistenza 1/4 W
Condensatore poliestere
Bar graph driver
Il circuito
Il convertitore analogico digitale (ADC) più semplice è quello parallelo o flash. E’ formato da una
serie di comparatori con ingresso comune e tensioni di soglia crescenti. Le uscite dei comparatori
vengono convertite nel codice digitale desiderato attraverso una rete di decodifica.
In questa esercitazione, per analizzare il funzionamento di un convertitore ADC flash, si utilizza il
circuito integrato LM 3914, normalmente impiegato come driver per indicatori di uscita (V-meter).
Questo integrato contiene al suo interno 10 comparatori di livello con uscite open collector, un
generatore di riferimento programmabile dall’esterno ed un divisore di tensione formato da 10
resistori in scala lineare che forniscono le tensioni di soglia ai comparatori.
Lo schema del circuito è riportato in Fig. 34.1. Il segnale continuo Vin da convertire in digitale è
applicato all’ingresso SIG di IC2 che corrisponde agli ingressi comuni di tutti i comparatori. Gli
stessi comparatori hanno tensioni di soglia crescenti in scala lineare, forniti da un divisore di
tensione interno, alimentato da un generatore di riferimento regolabile, anch’esso interno
all’integrato.
In fase di taratura del circuito, la tensione di riferimento che alimenta il partitore va fissata al
medesimo valore che si prevede per la Vin in modo tale che quando questa è massima, tutti i
comparatori commutano allo stato ON (uscita a potenziale 0 V, quindi livello logico "0". In questa
prova si prevede un’escursione della Vin tra 0 e 10 V e quindi si fissa la VREF al valore 10 V,
attraverso il partitore formato da R1 e R2.
Le uscite dei comparatori, escluso la più significativa, sono applicate agli ingressi dell’encoder
74147.
Le uscite dell'encoder sono collegate agli ingressi DCBA del display TIL 311 che contiene al suo
interno un decoder da BCD a decimale. Poiché le uscite dell'encoder sono attive basse, è
necessario negarle attraverso quattro porte NOT dell’integrato 74LS04 e quindi applicarle agli
ingressi DCBA del display TIL 311.
Supponendo Vin = 0, tutte le uscite di IC2 sono a livello alto, gli ingressi DCBA del display sono
tutti a zero in quanto negati dagli inverter di IC5, sul display viene perciò visualizzato il numero “0”.
Aumentando gradualmente l’ampiezza di Vin fino a 9 V si attivano in successione le uscite di IC2 e
alle uscite degli inverter compare il valore corrispondente in codice BCD. Sul display compare di
volta in volta la cifra corrispondente al valore applicato all'ingresso.
Per alimentare il circuito sono necessari due diversi valori di tensione continua: 12 V per i
convertitore, 5 V per gli IC logici. Per ottenere la tensione continua di 5 V per l’alimentazione degli
integrati TTL si utilizza lo stabilizzatore per tensioni fisse LM 7805.
Fig. 34.1 Il display esadecimale riporta il valore della tensione di ingresso Vin
I componenti
LM 3914
L’IC LM 3914 contiene al suo interno 10 comparatori di livello con uscita open collector. I
comparatori hanno l’ingresso comune, che va collegato al segnale che si vuole convertire, gli altri
ingressi sono collegati ad altrettante tensioni di riferimento ottenute attraverso un partitore interno,
formato da 10 resistori in scala lineare. Questo divisore di tensione è alimentato da un generatore
di riferimento interno all’integrato il cui valore può essere regolato dall’esterno attraverso un
partitore resistivo formato solitamente da un resistore fisso e un trimmer.
La tensione di alimentazione dell’integrato deve essere compresa tra 3 e 25 V. E’ necessario che
essa sia stabile, considerate le notevoli escursioni di corrente che si verificano nel normale
funzionamento del circuito. L’ampiezza massima del segnale di ingresso deve essere inferiore di
almeno 1.5 V a quella di alimentazione.
Il generatore di riferimento interno vale 1,2 V e può essere regolato fino a 12 V attraverso un
partitore esterno. In questa prova si prevede un range della Vin tra 0 e 10 V e quindi si fissa la VREF
al valore 10 V, attraverso il partitore formato da R1 e R2.
Per maggiori dettagli su questi aspetti si può consultare il data sheet allegato, tratto da LINEAR
DATA BOOK della National Semiconductor.
TIL 311
Fig. 34.2 Schema interno del display TIL 311 (da Texas Instruments data book)
Questo dispositivo della Texas Instruments è un display esadecimale che contiene al suo interno
uno stadio latch a 4 bit, lo stadio di decodifica da BCD a esadecimale, il driver di uscita, 20 LED
per la riproduzione dei caratteri alfanumerici più due LED pilotati dall’esterno per i punti decimali.
Lo schema interno, tratto Optoelettronics Databook della Texas Instruments, è riportato in Fig.34.2.
Sono previste alimentazioni separate per il circuito logico e per i LED; normalmente si collegano
esternamente alla stessa sorgente di alimentazione. I catodi dei LED per i punti decimali, se
utilizzati, devono essere collegati a massa attraverso una resistenza di limitazione della corrente. I
due ingressi di abilitazione funzionano nel seguente modo:
•
LATCH STROBE INPUT (pin 5) quando è a livello low rende trasparente il latch interno ed in
uscita appare il simbolo corrispondente al dato esadecimale applicato agli ingressi. A livello
high memorizza l’ultimo dato.
•
BLANKING INPUT (pin 8), quando è a livello high mantiene spento il display,
indipendentemente dal valore degli altri ingressi. A livello low in uscita appare il simbolo
corrispondente al dato esadecimale applicato agli ingressi.
74LS147
Il codificatore (encoder) è un circuito logico combinatorio che svolge una funzione opposta a
quella del decodificatore, in questo caso codifica un codice di ingresso a nove linee di dati in un
codice di uscita BCD. Nei codificatori di priorità (priority encoder) come quello utilizzato in questa
prova, se risultano attivati più ingressi contemporaneamente, l’uscita assume il valore dell’ingresso
di maggiore peso. L'encoder DM74147 da decimale a BCD possiede 9 ingressi che rappresentano
le cifre da 1 a 9 e produce in uscita il codice BCD che corrisponde al valore dell’ingresso attivato.
Fig. .34.3 Tabella di verità dell’encoder 74147.
Realizzazione e collaudo
Con questo circuito si desidera convertire in codice BCD una tensione continua (Vin) che può
essere compresa tra 0 e 10 V.
1. Realizzare il circuito prestando particolare cura al cablaggio, limitando al massimo la
lunghezza dei collegamenti e facendo confluire in un unico punto il riferimento di massa.
2. Regolare la tensione di riferimento REF OUT al valore 10 V attraverso trimmer multigiri R2.
Attraverso questa taratura, si fa in modo che con il valore massimo di Vin (10 V), tutti i
comparatori commutino allo stato ON.
3. Applicare all’ingresso Vin un generatore di tensione continua e regolarne il valore nell’intervallo
0 ÷ 10 V. Se il circuito funziona correttamente, sul display si legge il numero decimale
corrispondente al valore di Vin.