3.3.4 Kvantálás

Az A/D konverterben elhelyeznek, egy un. kvantáló egységet, amely a mintavételezett bementi feszültséget azzal arányos számmá alakítja miként azt fentebb a képletek segítségével bemutattuk. Három elvileg eltérő felépítést különböztetünk meg:

  • Közvetlen (flash) módszer
  • Számlálót alkalmazó módszer
  • Szukcesszív approximációs (fokozatos megközelítés) módszer

A.      A közvetlen módszer esetében először meghatározzuk a ΔU segítségével a lépcsős függvény ugrási pontjait, majd a pillanatnyi bementi feszültséget összehasonlítjuk a részintervallumok határát jelentő feszültségekkel. Ezzel a módszerrel egy lépésben megkapjuk a pillanatnyi bemenő feszültségnek megfelelő számot. A mintavételnél bemutatott példánk esetében a függvény „ugrópontjai" iΔU+ΔU/2  pontokban vannak, ahol i = 0,1,..., 2N-1. Ha az A/D konverter 3 bites felbontást fog előállítani, azaz N = 3, és a maximálisan figyelembe vehető feszültség 24V, akkor ΔU = Uref / 2N = 24/8 = 3. Ezért az egyes i értékekhez tartozó intervallumokat, és a bináris értékeket a következő táblázat mutatja:

 

i

Feszültség intervallum

Bináris érték

0

[0, 3/2)

000

1

[3/2,9/2)

001

2

[9/2, 15/2)

010

3

[15/2, 21/2)

011

4

[21/2, 27/2)

100

5

[27/2, 33/2)

101

6

[33/2, 39/2)

110

7

[39/2, 48/2)

111

Ha tehát a bejövő feszültség 14,6V, akkor a hozzá tartozó értékek: i = 5 és a bináris érték 101. Számolással pedig az alábbi képlettel oldható meg ez a feladat:

 

 

Ahol int az egészrészt jelöli.

A 3.6. ábra  egy flash típusú A/D konverter kapcsolási rajzát mutatja.

3.6. ábra. Egy flash típusú A/D konverter kapcsolási rajza

 

Ebben a kapcsolásban Vref jelenti a referencia sebességet, Vin pedig a bemenő feszültséget. Jól látható, hogy a referencia feszültségből az ellenállások segítségével generáljuk az összes (jelen esetben b = 2, N = 4) lehetséges feszültség értékét. Ezután a lehetséges feszültségértékeket és a bemenő feszültséget páronként betápláljuk egy-egy összehasonlító (komparátor) áramköri elembe. A komparátorok „bithelyesen" vannak hangolva, és akkor jelenik meg kimenő feszültség, ha a megfelelő feszültségpárok megegyeznek. A komparátorok kimenő értékeit ezután egy dekóderbe vezetik be, és ennek a kimenete a binárisan lesz kódolt érték. A flash típusú A/D konverter áramkörileg nagyon bonyolult, ezért ezt a módszert ritkábban használják.                                                                       

B.      A számlálót alkalmazó A/D konverter a visszacsatolást használó átalakítók legegyszerűbb változata. Egy ilyen A/D konverter egymás után állítja elő növekvő (vagy csökkenő) sorrendben a részintervallumokhoz tartozó értékeket, majd ezeket egymás után juttatja el egy olyan komparátorba, amely az adott i értékhez tartozó intervallumra hajtja végre az összehasonlítást. A számláló akkor áll le, ha a megadott intervallumban van a feszültség értéke.

C.      A visszacsatolást alkalmazó átalakítók másik csoportjába tartoznak a szukcesszív approximáció elvén működő A/D konverterek, amelyek - mint a neve is mutatja - a pillanatnyi bementi feszültségnek megfelelő számot több lépésben szolgáltatják. Működésükben kulcsszerepe van a vezérlő logikának.  A kvantálás minden egyes lépésénél csak a bináris szám egy helyértékéhez tartozó értéket kapjuk meg. A működést a következő példán mutatjuk be: Legyen a referencia feszültség 24V, b = 3 (azaz N = 8), és legyen a bemenő feszültség 16,3V. A hatékony működés kulcsa az, hogy felezési eljárással (bináris kereséssel) mindig meghatározzuk, hogy a bemenő feszültség a mérési intervallum melyik felébe esik. Az első ellenőrzést az i = N/2 = 4 szintnek megfelelően állítjuk be. Esetünkben a bemenő feszültség a mérési intervallum felső felébe esik, ezért a hárombites kimenő bináris jel legfelső bitjének értéke 1. Most - egy visszacsatolás után - azt vizsgáljuk, hogy a felső mérési tartomány melyik felébe tartozik a bemenő jel, azaz i = 3N/4 = 6 a beállított érték. Most is azt mérjük, hogy a feszültség a felső egynegyed intervallumba esik, ezért a középső bit értéke is 1. Végezetül azt vizsgáljuk, hogy az i = 7N/8 = 7 érték által meghatározott feszültségintervallumba van-e a bemenő érték. Most a válasz nem, ezért a generált bitsorozat 110, ami megfelel a táblázatban várt értéknek.

 

3.7. ábra. A szukcesszív approximációra alapuló A/D konverter működési sémája.