1
4 CNA în tehnologie CMOS
4.1 Suport teoretic 4.1.1 Structură unipolară
Figura 4.1 relevă circuitul multiplicator a unui CNA unipolar.
Linia punctată include structura internă simplificată a unui convertor AD7520 în tehnologie CMOS pe 10 biți. Circuitele integrate cu structură similară (cu diferite rezoluții și eventual diferite alte proprietăți) sunt produse de Analog Devices şi Texas Instruments.
Structura principală a circuitului este reprezentată de rețeaua de rezistențe R-2R și de comutatoarele aferente în tehnologie CMOS.
Pentru o comportare corectă, cei doi pini de ieșire în curent Out1 și Out2 trebuie conectați la potențialul de 0V prin metode externe. Aplicația tipică a acestui circuit conectează Out2 la GND și folosește un amplificator operațional în conexiune inversor pentru a genera o masă virtuală pentru Out1, ca în Figura 4.1. Rezistența de reacție internă de 10kΩ este potrivită conform rezistenței R a rețelei R-2R, precum și ținând cont de eventualele variații.
Fiecare comutator este controlat de un bit al numărului de intrare: K1 de
- +
Iout1
10K
Vo
V-
OA
20K
20K 10K
20K 10K
20K 10K
20K
... ...
Vref in
K1
Ki
Ki+1
K10
I1
Ii
Ii+1
I10
... ...
Iref
Out2
a10(LSB)
ai+1
ai
a1
... ...
Out1
Rfeedback VDD GND
Vref VDD
Iout2
Figura 4.1 Structura internă simplificată a AD 7520 (cu linie punctată) şi conexiunea tipică.
Bazele Sistemelor de Achiziţii de Date – Lucrări de laborator
2
către MSB…K10 de către LSB.
Numărul binar unipolar de la intrarea CNA-ului poate fi scris ori “fracționar”, compus din biții ai, cu i=1…n, a1=MSB…an=LSB, (n=10 pentru AD7520):
Ori, ca “întreg”, compus din biţii bi, cu j=0…n-1, bn-1=MSB…b0=LSB (n=10 pentru AD7520):
Unde: bn-i = ai i=1...n. Cele două reprezentări sunt legate prin formula:
Rezistența echivalentă de la pinul Vref către GND este R; curentul prin pinul Vref este:
Curentul se divide în fiecare nod al rețelei R-2R; curentul prin ramura i este:
Iout1 adună toți curenții din ramurile corespondente fiecărui bit ai=1 iar Iout2 din ramurile corespondente fiecărui bit ai=0:
Unde }{A este complementul lui {A}:
)1...0[;2....0}{1
)1(1
AaaaaA
n
i
iinn (4.1)
)2...0[;2...}{1
0011
nn
j
jjn NbbbbN
(4.2)
}{2}{ AN n (4.3)
R
VI ref
ref (4.4)
i
refi
II
2 (4.5)
AIaII refi
iirefout
2
8
11 (4.6)
AIaII refi
N
iirefout
2
12 (4.7)
)1...0[}{;2....0}{1
)1(1
AaaaaA
n
i
iinn (4.8)
CNA în tehnologie CMOS
3
Și:
Iout1 curge prin rezistorul de reacție și generează tensiune de ieșire:
Din punctul de vedere al unei reprezentări întregi:
Comutatoarele CMOS din AD7520 (şi ale circuitelor similare) permit ambele polarități pentru Iref, Vref, I1, I2, Vout, etc. Circuitul din Figura 4.1 poate lucra ca și un multiplicator pe două cadrane. 4.1.2 Structură bipolară Figura 4.2 relevă structura schematică a unui CNA bipolar. OA2 este în
conexiune ne-inversoare; chiar dacă amândouă bucle de reacție coexistă, cea “pozitivă” este “minimizată” de bucla inversoare a lui OA1, care “forțează” tensiunea de pe intrarea ne-inversoare a OA2 la GND. Ca și o consecință, tensiunile de intrare ale lui OA2 sunt egale și nule, din cauza masei virtuale de pe intrarea “-“ a OA1. Circuitul din jurul OA2, cu R1 = R2, funcționează ca o “oglindă de curent”:
Ecuațiile lui Kirchhoff pentru nodurile de intrare ale OA2 sunt:
11}{}{ LSBAA (4.9)
i
refnLSBrefLSBoutout
IIIIIII
2;21 (4.10)
FSFSrefi
iirefoutout VAVAVaRIRIV ...02
8
11
(4.11)
FSLSBnFS
nrefout VNVNVN
VV ...022
(4.12)
1outI2outIVref
Rfeedback
- +
AD7520 Iref Vref
- +
Ic
{A}
Rc
I1 I2
If
OA1
OA2
Vo 210·R
Rf=R
R1 R2
V2
Figura 4.2 CNA bipolar cu AD7520
2
22
1
21 R
VI
R
VI (4.13)
0
0
21
12
III
III
fout
cout (4.14)
Bazele Sistemelor de Achiziţii de Date – Lucrări de laborator
4
Și, considerând (4.10):
Unde {A}U este un număr unipolar, fracționar, ca în (4.1). Notând {A’}BO, numărul în format Binar Deplasat:
Ecuația (4.17) devine relația de definiție pentru un CNA Binar Deplasat:
Din punctul de vedere a unui număr întreg, {N’}BO, numărul întreg Binar Deplasat (echivalent cu mutarea virgulei fracționare cu n-1 biți spre dreapta):
Ecuația (4.17) devine relația de definiție a unui CNA Binar Deplasat:
Circuitul este un CNA bipolar, ceea ce înseamnă că numărul de intrare este bipolar, în cod Binar Deplasat. Cel mai semnificativ bit este acum Bitul de Semn (0 pentru “negativ”, 1 pentru “pozitiv”). Complementând MSB va modifica circuitul într-un CNA în Complement față de 2. Având la dispoziție ambele polarități pentru Iref, Vref, I1, I2, Vout, etc precum și ambele polarități pentru numărul de intrare, circuitul din Figura 4.2 poate lucra ca și un multiplicator pe 4 cadrane.
LSBn
refccoutoutf I
R
VIIIII
2;21 (4.15)
)1}{2( Ureff AII (4.16)
)1}{2()1}{2( UrefUfrefffo AVARIRIV (4.17)
1...11}{2}'{ UBO AA (4.18)
FSFSBOFSBOrefo VVAVAVV ...}'{}'{ (4.19)
111 2...22}'{}'{ nnnBOBO AN (4.20)
FSFSBOLSBnBO
refo VVNVN
VV ...}'{2
}'{1
(4.21)
CNA în tehnologie CMOS
5
4.2 Rezultate experimentale și măsurători
CNA-ul CMOS AD7524 este folosit pe placheta experimentală. Are o structură similară cu AD7520, cu excepția:
- Are o rezoluție de doar 8 biți. - Prezintă latch-uri pentru compatibilitatea cu magistrala de date a
unui microprocesor. Dacă acestea nu sunt folosite, pinii ChipSelect şi Write se leagă la GND.
4.2.1 Funcționare unipolară
Figura 4.3 relevă schema completă a plachetei experimentale, dar circuitele nefolosite în experimentul curent sunt blurate. Se observă că J3 are un jumper între pinii 2-3, pentru alega Out2 al U2 la GND, iar J4 are un jumper între pinii 1-2, pentru a separa U1A.
U2 şi U1B formează circuitul echivalent din Figura 4.1, cu:
- Vref = W1, canalul 1 al AWG-ului Analog Discovery.
Figura 4.3 CAN CMOS – operare unipolară – placheta experimentală
U2AD7524
AD7524
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Out1Vref
RFB
Out2/CS/WR V
DD
GND
U1A
3
2
11
4
1
U1BAD8567ARUZ
5
6
11
4
7
J3
J4
R1
10k
ΩR
21
0kΩ
1+2+
1-2-
VDD5.0VVEE
-5.0V
J2
DIO
7
DIO7DIO6DIO5DIO4DIO3DIO2DIO1DIO0
VEE-5.0V
VDD
5.0V
DIO
6D
IO5
DIO
4D
IO3
DIO
2D
IO1
DIO
0
U5
AD8561AR
2
3
41
7
8
56VEE
-5.0V
VDD
5.0V
CmpEOC
VDD5.0V
J1
U4AD7524
AD7524
D011
D110
D29
D38
D47
D56
D65
D74
Out1 1
Vref15 RFB
16
Out2 2/CS12
/WR13 VDD
14
GND
3
U1C10
9
11
4
8
U1D12
13
11
4
14
J5
J6
R3 10kΩ
R4
10kΩ
VDD5.0V
DIO7DIO6DIO5DIO4DIO3DIO2DIO1DIO0
Stb
U3 74F574DW
1D2
2D33D4
4D5
5D6
6D7
7D8
8D9
~OC1
CLK11
1Q 19
2Q 183Q 17
4Q 16
5Q 15
6Q 14
7Q 13
8Q 12
Vin
W2 =>
Vref W1 =>
J7J8
J9
VSS0.0V
<= W2
VC+
C3
10nF
C4
10nF
C5
10nF
C6
10nFVEE
-5.0V
VDD
5.0VC1
2.2µF
C2
2.2µF
C7
10nF
C8
10nF
C9
10nF
Cmp
(Analog DiscoveryWaveform Generator)
U6A
AD8592ARM3
2
410
1
5
U6B
7
8
410
9
6
VA+
Cmp
C10
1nF
-3V
U7TPS72301
VREG
IN2
EN3
GND
1
FB 4
OUT 5
VEE-5.0V
C122.2µF -3V
2.7V
R5 10kΩ
D1
BZX384-C3V3
2.7VR610kΩ
SnH
SnH<=DIO10
VSH
Analog DiscoveryWaveform Generator
J10 SnH
C1410nF
Vin
R733kΩ
R822kΩ
<=DIO8DIO9=>
=> DIO9
Stb
Analog DiscoveryPattern Gen. and Logic Analyzer
<=DIO11DIO11=>
Vref
W1 =>Vref
U8TPS79927DDC
VREG
IN1
EN3
GND
2
OUT 5
VDD5.0V
C11
2.2µF
2.7V
C13
10nF
C1510pF
VB-
VBo
C16
10p
F
VAoVA-
C1710pF
VDo
VD-
C18 10pF
VC-
Bazele Sistemelor de Achiziţii de Date – Lucrări de laborator
6
- Biți de date = DIO7 (MSB)…DIO0(LSB) din Analog Discovery.
Se observă că C15, C16, C17 și C18, sunt adăugate pentru a compensa U1B, U1A, U1D și U1C. Ei reduc fenomenul de „ringing” și riscul oscilațiilor aferente amplificatoarelor operaționale de mare viteză AD8567.
Figura 4.4 relevă placheta experimentală pregătită cu jumpere și sonde de osciloscop pentru experimentul în regim static al CNA-ului. Se observă că aceeași plachetă este folosită și pentru alte experimente.
4.2.1.1 Experiment CNA în regim static
Pe placheta experimentală: - Plasați jumperele:
o J3 = 2-3 – scurtcircuitează Iout2 la GND. o J4 = 1-2 – deconectează U1A.
- Plasați sondele de osciloscop: o Channel 1 la J9-2 = W1 = Vref o Channel 2 la J8-2 = VBo = Vout
În WaveForms:
- În Wavegen, W1, setați-l constant, tensiune pozitivă sau negativă pentru Vref.
- În StaticIO, setați un slider pentru biții DIO7…DIO0.
- În Supplies, activați sursele continue V+/V-. (Dacă WaveForms raportează “Overcurrent condition” și oprește sursele, încercați să porniți sursele pe rând: prima dată cea pozitivă, iar după câteva secunde, cea negativă)
- În Scope, deschideţi Measurements pentru Channel 1 Average şi pentru Channel 2 Average. Setaţi o rată de eşantionare joasă (i.e. 100ms/div). Aceasta mediază mai multe eșantioane pentru a obține valori măsurate mai stabile.
Figura 4.4 Placheta experimentală CAN CMOS
CNA în tehnologie CMOS
7
- Modificați numărul de intrare în StaticIO și analizați tensiunea de ieșire în fereastra de măsurare a osciloscopului.
Sarcina 1. Folosind valorile măsurate, scrieți ecuațiile și calculați valorile reale pentru εoffset, εgain, V’FS și V’LSB.
Sugestie: Ecuațiile ideale ale unui CNA sunt:
Considerând erorile de ofset și câștig, ecuațiile CNA-ului devin:
4.2.1.2 Experiment CNA în regim dinamic
Pe placheta experimentală: - Plasați jumpere:
o J3 = 2-3 – scurtcircuitează Iout2 la GND. o J4 = 1-2 – deconectează U1A.
- Plasați sondele de osciloscop: o Channel 1 la J8-3 = VB- = U1B intrarea inversoare (masă
virtuală). o Channel 2 la J8-2 = VBo = Vout
În WaveForms:
- În Wavegen, W1, setați-l ca și o constantă, tensiune pozitivă pentru Vref.
- Închideți StaticIO sau setați LED-uri pentru biții DIO7…DIO0. - În Patterns, setați un binary counter pentru DIO7…DIO0. Setați
frecvența de ceas la 1MHz. - În Supplies, activați sursele continue V+/V-. (Dacă WaveForms
raportează “Overcurrent condition” și oprește sursele, încercați să porniți sursele pe rând: prima dată cea pozitivă, iar după câteva secunde, cea negativă).
- În Scope, Add/Digital/Bus DIO7…DIO0. Setați Trigger Source la Digital, și setați Trigger Condition pentru DIO7 Falling Edge.
- În Scope, Add/Math/Simple: C2-C1, Math1 relevă căderea de tensiune la bornele lui RFB.
}{AVV FSo (4.22)
}{', AVV FSabsoffo (4.23)
}{)1(}{)( ,,,, AVAVV FSrelgainabsoffabsgainFSabsoffo (4.24)
Bazele Sistemelor de Achiziţii de Date – Lucrări de laborator
8
- În Scope, setaţi baza de timp corespunzătoare pentru a vizualiza mai multe perioade ale semnalului „dinte de ferăstrău”, Vout.
- Modificaţi valorile lui Vref (în WaveGen1), Frequency (în Patterns), Time/Base (în Scope). Observați efectele și înțelegeți mecanismele.
- Identificați neidealizatele și erorile din imaginea osciloscopului: timp de stabilire, overshoot, glitch-uri. Schimbați baza de timp și Range pentru o analiză în detaliu și pentru măsurători.
Timpul de stabilire, tset, este timpul scurs din momentul modificării valorii intrării digitale la o valoare stabilă a tensiunii de ieșire, într-o bandă acceptabilă a erorii (precizie).
Sarcina 2. Măsurați valoarea reală a tset, cu o precizie de ±10mV.
Figura 4.5 Experiment CAN în regim dinamic (unipolar) – osciloscop
CNA în tehnologie CMOS
9
Sugestie: Cazul cel mai defavorabil este o excursie completă a tensiunii; pentru un semnal „dinte de ferăstrău”, de la VFS la 0, când numărul de intrare se resetează. Se poate ușor sincroniza cu frontul căzător al bitului MSB din busul de date din Scope. Modificaţi baza de timp și poziția, respectiv Range și Offset pentru a optimiza analiza, ca în Figura 4.6.
Bazele Sistemelor de Achiziţii de Date – Lucrări de laborator
10
Eventual folosiți ferestrele Zoom din Scope (View/Add Zoom, și folosiți mouse-ul pentru a modifica factorul de mărire). Modificați Frequency în Patterns (dacă e nevoie), pentru a face perioada mai lungă decât timpul de stabilire. Observaţi fenomenul de „ringing” datorat cursei mari a tensiunii și înțelegeți că, pentru acest circuit, componenta importantă a lui tset este dată
Figura 4.6 Măsurarea pentru Overshoot și pentru timpul de stabilire
CNA în tehnologie CMOS
11
de compensarea incompletă a amplificatorului operațional. Se observă că sondele osciloscopului influențează forma de undă a semnalului (chiar dacă sunt independente/în pereche/răsucite).
Fenomenul de „ringing” presupune o oscilație amortizată după fiecare pas de tip „scară” a tensiunii de ieșire. Amplitudinea („overshoot”) și frecvența fenomenului de „ringing” depinde de caracteristicile în frecvență ale circuitului. Fenomenul de „ringing” presupune o insuficientă compensare de fază, iar o eventuală supra-compensare ar duce la o caracteristică exponențială în domeniul timp, ca în Figura 4.7, unde o capacitate de 39pF a fost conectată în paralel cu C15.
Fenomenul de „overshoot” - Vset, este perioada de timp scursă din momentul schimbării valorii de intrare numerice până când tensiunea de ieșire se stabilizează într-o bandă de eroare acceptabilă.
Sarcina 3. Măsurați valoarea reală a overshoot-ului și frecvența de „ringing”.
Se observă glitch-ul de pe VB- (canalul 1 al osciloscopului). Teoretic,
acesta ar fi trebuit să fie masă virtuală, din cauza buclei inversoare a U1B.
Figura 4.7 Comportarea etajului de ieșire la supra – compensare.
Bazele Sistemelor de Achiziţii de Date – Lucrări de laborator
12
Reacția negativă ar trebui să forțeze VBo la o tensiune care să provoace tensiune zero pentru VB-:
Dar, când VBo nu poate avea valoarea necesară, VB- nu este zero; în acest caz, VBo ar fi trebuit să se modifice mai rapid decât Slew Rate-ul amplificatorului operațional, ceea ce este imposibil, astfel generându-se un puls pe VB-.
Fenomenul de „glitch”, este o caracteristică pulsatorie a Vout datorată nepotrivirii timpilor de comutare a mai multor biți ce se modifică în același timp. Fenomenul de „glitch” poate fi măsurat în amplitudine sau din punct de vedere energetic “energia”= suprafaţa închisă de „glitch” în µV•sec.
Cazul cel mai defavorabil apare când toți biții se modifică deodată, de la 0111… la 1000… (de exemplul la mijlocul scării unui numărător binar), sau invers. Se poate observa ușor, sincronizându-ne cu frontul ascendent al bitului MSB, din busul digital din Scope. Modificați Time/Base și Position, respectiv Range și Offset pentru a analiza în detaliu, ca în Figura 4.8. Se observă vă VBo ar fi trebuit teoretic să se modifice de la 127•VLSB la 128•VLSB, cu o diferență de VLSB. Dar amplitudinea „glitch-ului” este mult
VRIVV FBFBBoB 0 (4.25)
Figura 4.8 Fenomenul de “glitch”
CNA în tehnologie CMOS
13
mai mare. Se observă de asemenea că variația VBo ar trebui să fie teoretic mai rapidă decât Slew Rate-ul amplificatorului operaţional, deci viteza VBo este limitată de Slew Rate, iar diferența o vom găsi la VB-.
Sarcina 4. Măsurați valoarea reală a amplitudinii glitch-ului și aproximați vizual energia glitch-ului.
Sugestie: Pentru a aproxima energia glitch-ului, aproximați suprafața aferentă glitch-ului la un triunghi. Modificați Time/Base şi Position, respectiv Range și Offset în mod convenabil.
Sarcina 5. Identificați glitch-urile de amplitudini imediat următoare. Explicați.
Bazele Sistemelor de Achiziţii de Date – Lucrări de laborator
14
4.2.1.3 Experiment CNA multiplicator
Pe placheta experimentală: - Puneți jumpere pe:
o J3 = 2-3 – scurtcircuitează Iout2 la GND. o J4 = 1-2 – deconectează U1A.
- Plasați sondele osciloscopului pe: o Channel 1 pe J9-2 = Vref = W1. o Channel 2 pe J8-2 = VBo = Vout
În WaveForms:
- În Wavegen, W1, setați o tensiune sinusoidală cu frecvența de 3kHz pentru Vref, fără ofset și de amplitudine 2V.
- Închideți StaticIO sau setați LED-uri pentru biții DIO7…DIO0. - În Patterns, setați un binary counter pentru DIO7…DIO0 cu
frecvența de ceas de 100kHz. Aceasta va genera un semnal „dinte de ferăstrău” digital cu frecvența de 100kHz/28.
- În Supplies, activați amândouă sursele +/-V. - În Scope, Add/Digital/Bus DIO7…DIO0. Setați Trigger Source la
Digital, și setați Trigger Condition la DIO7 Falling Edge. Extindeți
Figura 4.9 CAN unipolar multiplicator (multiplicator pe două cadrane).
CNA în tehnologie CMOS
15
bus-ul digital în Scope, pentru a observa reprezentarea grafică a valorilor fiecărui semnal din bus, ca în Figura 4.12. Se observă că reprezentarea grafică depinde de Format-ul ales pentru bus (Binary/Vector/Signed/OnesComplement/2sComplement…). Alegeți orice reprezentare Unipolar, deoarece DAC CNA-ul este unipolar.
- În Scope, setați Time/Base și Range în mod convenabil.
Se observă că tensiunea de ieșire este produsul este produsul dintre tensiunea bipolară Vref și numărul de intrare unipolar. Circuitul funcționează pentru ambele polarități ale lui Vref, deoarece comutatoarele CMOS permit curgerea curentului în ambele direcții.
Sarcina 6. Generați un produs de două semnale sinusoidale: Vref de frecvență 3 kHz și număr de intrare de frecvență 100Hz.
Sugestie: Generați un semnal sinusoidal creat extern de frecvență 100Hz cu ajutorul Patterns:
- Creați un fișier .csv cu 1000 de linii. În coloana A, puneți valorile întregi 0…999. În celula B1, implementați formula: =128+INT(127*SIN(2*PI()*A1/1000)). Copiați celula B1 în celule B2…B1000. Acesta va calcula 1000 de eșantioane întregi în fiecare perioadă a unui sinus pe 8 biți, cu o rezoluție de fază de 2*π/1000. Salvați fișierul .csv. În momentul salvării, formulele sunt înlocuite de valori numerice.
- În Patterns, modificați tipul bus-ului la Custom și editați-l. Click Import și selectați fișierul .csv realizat. Selectați coloana 2 să fie încărcată pentru tot bu-ul, ca în Figura 4.13. Astfel, valorile
Figura 4.10 Importarea unui fișier .csv în Patterns.
Bazele Sistemelor de Achiziţii de Date – Lucrări de laborator
16
zecimale din coloana B a fișierului .csv sunt convertite în binar, și fiecare bit este încărcat în semnalul aferent din bus..
- Asigurați-vă, că sunt exact 100 de eșantioane în buffer.
- Setați frecvența la 100kHz. Frecvența sinusului va fi 100kHz/1000samples = 100Hz.
- Rulaţi instrumentele și analizați imaginea de pe osciloscop. Observați că tensiunea de ieșire are polaritate inversă față de Vref, din cauza reacției negative.
- Modificați fin frecvența lui Vref (ex. la 3.003kHz). Observați efectul
Figura 4.12 CAN unipolar multiplicator (multiplicator pe două cadrane) – semnal sinusoidal.
Figure 4.11 Edit a bus in Patterns.
CNA în tehnologie CMOS
17
și explicați.
4.2.2 Funcţionare bipolară
În Figura 4.13, jumperele J3 și J4 au fost mutate pentru a conecta U1A în circuit. Structura schematică este similară cu cea din paragraful Error! Reference source not found.. Circuitul reprezintă un CNA bipolar pe 7+1 biți, în cod Binar Deplasat şi poate funcționa ca și multiplicator pe 4 cadrane, cu:
- Vref = W1, Channel 1 al AWG-ului de pe Analog Discovery. - Biți de date = DIO7 (MSB=Bit semn)…DIO0(LSB) din Analog
Discovery.
4.2.2.1 Experiment CNA în regim static
Pe placheta experimentală: - Plasați jumpere pe:
o J3 = 1-2 – conectează Iout2 la oglinda de curent U1A.
Figura 4.13 CAN CMOS, funcționare bipolară – schema experimentală
U2AD7524
AD7524
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Out1Vref
RFB
Out2/CS/WR V
DD
GND
U1A
3
2
11
4
1
U1BAD8567ARUZ
5
6
11
4
7
J3
J4
R1
10k
ΩR
21
0kΩ
1+2+
1-2-
VDD5.0VVEE
-5.0V
J2
DIO
7
DIO7DIO6DIO5DIO4DIO3DIO2DIO1DIO0
VEE-5.0V
VDD
5.0V
DIO
6D
IO5
DIO
4D
IO3
DIO
2D
IO1
DIO
0
U5
AD8561AR
2
3
41
7
8
56VEE
-5.0V
VDD
5.0V
CmpEOC
VDD5.0V
J1
U4AD7524
AD7524
D011
D110
D29
D38
D47
D56
D65
D74
Out1 1
Vref15 RFB
16
Out2 2/CS12
/WR13 VDD
14
GND
3
U1C10
9
11
4
8
U1D12
13
11
4
14
J5
J6
R3 10kΩ
R4
10kΩ
VDD5.0V
DIO7DIO6DIO5DIO4DIO3DIO2DIO1DIO0
Stb
U3 74F574DW
1D2
2D33D4
4D5
5D6
6D7
7D8
8D9
~OC1
CLK11
1Q 19
2Q 183Q 17
4Q 16
5Q 15
6Q 14
7Q 13
8Q 12
Vin
W2 =>
Vref W1 =>
J7J8
J9
VSS0.0V
<= W2
VC+
C3
10nF
C4
10nF
C5
10nF
C6
10nFVEE
-5.0V
VDD
5.0VC1
2.2µF
C2
2.2µF
C7
10nF
C8
10nF
C9
10nF
Cmp
(Analog DiscoveryWaveform Generator)
U6A
AD8592ARM3
2
410
1
5
U6B
7
8
410
9
6
VA+
Cmp
C10
1nF
-3V
U7TPS72301
VREG
IN2
EN3
GND
1
FB 4
OUT 5
VEE-5.0V
C122.2µF -3V
2.7V
R5 10kΩ
D1
BZX384-C3V3
2.7VR610kΩ
SnH
SnH<=DIO10
VSH
Analog DiscoveryWaveform Generator
J10 SnH
C1410nF
Vin
R733kΩ
R822kΩ
<=DIO8DIO9=>
=> DIO9
Stb
Analog DiscoveryPattern Gen. and Logic Analyzer
<=DIO11DIO11=>
Vref
W1 =>Vref
U8TPS79927DDC
VREG
IN1
EN3
GND
2
OUT 5
VDD5.0V
C11
2.2µF
2.7V
C13
10nF
C1510pF
VB-
VBo
C16
10p
F
VAoVA-
C1710pF
VDo
VD-
C18 10pF
VC-
Bazele Sistemelor de Achiziţii de Date – Lucrări de laborator
18
o J4 = 2-3 – conectează U1A în circuit. - Plasați sondele osciloscopului:
o Channel 1 la J9-2 = W1 = Vref o Channel 2 la J8-2 = VBo = Vout
În WaveForms:
- În Wavegen, W1, setați o tensiune constantă, pozitivă sau negativă pentru Vref.
- În StaticIO, setați un Slider pentru biții DIO7…DIO0. Instrumentul StaticIO din WaveForms transformă cei 8 biți de deasupra într-un întreg fără semn. Dar, în această configurație, placheta experimentală transformă aceeași biți într-un număr întreg în format binar deplasat, bipolar, pe 7+1 biți. Pentru valoarea în binar deplasat, scădeți 128 din numărul afișat în partea dreaptă a Slider-ului.
- În Supplies, activaţi ambele surse +/-V. (Dacă WaveForms raportează “Overcurrent condition” și oprește sursele setate de utilizator, încercați să porniți sursele pe rând: prima sursa pozitivă, și după câteva secunde cea negativă).
- În Scope, deschideți Measurement pentru Channel 1 Average și Channel 2 Average. Setați o rată de eșantionare mică (i.e. 100ms/div). Aceasta va media mai multe eșantioane pentru măsurători mai precise.
- Modificați numărul de intrare în StaticIO și citiți tensiunea de ieșire în fereastra Measurement al Scope. Se observă că polaritatea tensiunii de ieșire se modifică când polaritatea numărului de intrare se modifică.
4.2.2.2 Experiment CNA în regim dinamic
Pe placheta experimentală: - Păstrați jumperele pe:
o J3 = 1-2 – conectează Iout2 la oglinda de curent U1A. o J4 = 2-3 – conectează U1A în circuit.
- Place sondele osciloscopului pe: o Channel 1 pe J8-3 = VB- = intrarea inversoare a U1B (masă
virtuală). o Channel 2 pe J8-2 = VBo = Vout
În WaveForms:
CNA în tehnologie CMOS
19
- În Wavegen, W1, setați o valoare constantă, pozitivă sau negativă pentru Vref.
- Închideți StaticIO sau setați LED-uri pentru biții DIO7…DIO0. - În Patterns, setați un binary counter pentru DIO7…DIO0 cu
frecvența de ceas de 1MHz. - În Supplies, activați ambele surse +/-V. (Dacă WaveForms
raportează “Overcurrent condition” și oprește sursele setate de utilizator, încercați să porniți sursele pe rând: prima sursa pozitivă, și după câteva secunde cea negativă)
- În Scope, Add/Digital/Bus DIO7…DIO0. Setați Trigger Source la Digital, și setați Trigger Condition la DIO7 Falling Edge.
- În Scope, Add/Math/Simple: C2-C1, Math1 va releva tensiunea la bornele rezistorului RFB.
- În Scope, setați Time/Base astfel încât să vizualizați mai multe perioade ale semnalului „dinte de fierăstrău”, Vout.
- Modificați valorile lui Vref (în Wavegen1), Frequency (în Patterns), Time/Base (în Scope). Observați efectele și analizați mecanismul.
- Observați că amplitudinea lui Vout este dublă comparativ cu funcționarea unipolară, pentru aceleași valori ale tensiunii Vref.
- Identificați neidealitățile și erorile în imaginea osciloscopului: timpul de stabilire, „overshoot”, „glitch-uri”. Modificați Time/Base și Range pentru o analiză în detaliu și pentru măsurare.
4.2.2.3 Experiment CNA multiplicator
Pe placheta experimentală: - Păstrați jumperele pe:
o J3 = 1-2 – conectează Iout2 la oglinda de curent U1A. o J4 = 2-3 – conectează U1A în circuit.
- Plasați sondele osciloscopului pe: o Channel 1 pe J9-2 = Vref = W1. o Channel 2 pe J8-2 = VBo = Vout
În WaveForms:
- În Wavegen, W1, setați o tensiune sinusoidală cu frecvența de 3kHz sinus pentru Vref, fără ofset și de amplitudine 2V.
- Închideți StaticIO sau setați LED-uri pentru biţii DIO7…DIO0. - În Patterns, setați un binary counter pentru DIO7…DIO0 cu
frecvența de ceas de 100kHz. Astfel se va genera un semnal „dinte de ferăstrău” digital cu frecvența 100kHz/28.
Bazele Sistemelor de Achiziţii de Date – Lucrări de laborator
20
- În Supplies, activați ambele surse +/-V. - În Scope, Add/Digital/Bus DIO7…DIO0. Setați Trigger Source la
Digital, și setați Trigger Condition la DIO7 Falling Edge. Extindeți liniile bus-ului în canalul digital al osciloscopului, pentru a analiza reprezentarea grafică a valorilor semnalelor din acesta, ca în Figura 4.12. Observați că reprezentarea grafică depinde de Format-ul ales pentru bus (Binary/ Vector/ Signed/ OnesComplement/ 2sComplement…). Alegeți orice reprezentare unipolară, deoarece codul Binar Deplasat folosește aceeași secvență de cod.
- În Scope, setaţi Time/Base şi Range în mod convenabil.
Observați că tensiunea de ieșire este produsul dintre tensiunea bipolară Vref și numărul de intrare unipolar. Circuitul funcționează pentru ambele polarități ale lui Vref, deoarece comutatoarele CMOS permit curgerea curentului în ambele direcții. Deoarece numărul de intrare este bipolar, circuitul funcționează în toate cele 4 cadrane.
Sarcina 7. Implementați un produs de două semnale sinusoidale: frecvență de 3 kHz pentru Vref și număr de intrare cu frecvența de100Hz.
Sugestie: Urmăriți aceeași pași ca și pentru experimentul aferent funcționării unipolare. Deoarece codul Binar Deplasat folosește aceeași secvență de cod ca și pentru unipolar, același șir de eșantioane va funcționa și în această configurație aferentă unui cod Binar Deplasat corect.
- Rulați toate instrumentele și observați imaginea de pe osciloscop. Polaritatea tensiunii de ieșire depinde atât de numărul de intrare cât și de polaritatea tensiunii Vref.
- Modificați fin frecvența Vref (ex. la 3.003kHz). Observați efectul și explicați.
CNA în tehnologie CMOS
21
Figura 4.14 CNA bipolar multiplicator (multiplicator pe 4 canale)
Top Related