Dijital ve analog sinyaller nelerdir?

[Misafir]

DİJİTAL/ANALOG (DAC) ANALOG/DİJİTAL (ADC) ÇEVİRİCİLER
DİJİTAL VE ANALOG KAVRAMI
Dijital
Dijital sözcüğü Latince “digitus=parmak” sözcüğünden türetilmiştir ve “parmakla sayılabilir” ya da kısaca “Sayısal” demektir. Dijital tekniğinde işaretler, sayılar ya da sayı dizileriyle gösterilirler. Bu işaretler, elektriksel ya da manyetik konumlarda “sıfır” ile “bir” işaret elemanını içeren ikili kodlamalarda darbe dizileriyle gerçekleştirilirler.
Dijital düzenlemenin en büyük yararı, işaret iletimindeki parazit güvenliği, verilen değerlerin hatasız okunur olması ve kullanılan elemanların (tümleşik devreler ve transistörler) güç kayıplarının az olmasıdır.
Dijital tekniğinde “alçak” ve “yüksek” konumlar için “0” ve ”1” işaretleri kullanılır. Bazı yabancı kaynaklarda 0 yerine L(low) ve 1 yerine H(high) harfleri de kullanılmaktadır. “0” şaseye göre işaret yok anlamına gelmektedir. “1” şaseye göre tam gerilim anlamına gelmektedir.
Analog
Analog sözcüğü Yunancada benzer anlamına gelmektedir. Türkçe karşılığı ise örneksel benzetimli anlamına gelmektedir. Bunu şöyle açıklarız suyun basıncı ve debisi elektrikteki gerilim ve akıma analog (benzer)’dır.
Bir ölçü aletinin ibresi, uygulanan gerilime benzetimli (analog) olarak sapar. Demek ki analog tekniği bir olayın yerine benzeri bir olay koymaktadır Analog sistemlerde işaret süreklidir, ölçme doğruluğuna göre işaretin istenildiği kadar çok ara değeri alınabilir



DAC – ADC ÇEVİRİCİLER
Dış dünyadaki fiziksel büyük-lüklerin çok büyük bir kısmı analog değerlerdir. Örneğin ısı, sıcaklık, ağırlık, nem oranı, ışık şiddeti, ses şiddeti vs. gibi büyüklükler hep analog olarak değişirler.
Dış dünyanın daha çok analog değerlerden oluşmasına karşılık bilgi işleyen cihazlar (dijital sistemler, mikroişlemciler, bilgisayarlar) dijitaldir. Çünkü dijital sistemler bilgiyi daha güvenli daha hızlı işler ve değerlendirir.
Dijital sistemlerin dış dünya ile bağlantılarını sağlamak için; ölçülen fiziksel büyüklüklerin dijital/analog, ve analog/dijital dönüşümlerinin yapılması gerekir.
Çeşitli transdüserlerle (ısı sensörü, ışık sensörü, basınç sensörü, sıcaklıkla değeri değişen direnç, fototransistör vs.) gerilime dönüşen fiziksel büyüklükler analog sistemlerde direkt olarak kullanılabilirler (işlenebilirler). Fakat bu gerilim değerlerinin dijital sistemlerde kullanılabilmeleri için 1 (VAR) ve 0 (YOK) değerlerinden oluşan ikili sayı formatına dönüştürülmeleri gerekir. Çünkü dijital sistemlerdeki bilgiler sadece 1 veya 0 değerlerinin kombinasyonlarından meydana gelir
Dijital ve analog devreler ayrı kullanılacağı gibi aynı devrede de kullanılmaları mümkündür. Bu tür devrelerdede analog sinyali dijital bilgiye, dijital bilgiyi de analog sinyale dönüştürmek gerkebilir.
Örneğin bilgisayarınıza ses kadettiğinizde, bu ses ilk önce mikrofon sayesinde analog sinyal olarak bilgisayara iletilir. Bilgisayarda ise analog sinyal dijital bilgiye çevrilir ve harddiskte depolanır. Daha sonra bu sesi dinlemek istediğinizde dijital bilgi tekrar analog sinyale çevrilir ve hoperlörlerden ses olarak duyulur. Tüm bu işlemler ADC ve DAC 'ler sayesinde gerçekleşir.
Aşağıdaki şekilde analog bir değerin dijitale çevrilip işlendikten sonra tekrar analog değere çevrilmesi sürecinin blok diyagramı görülüyor.

DİJİTAL ANALOG CONVERTOR (DAC)
Dijital analog çeviriciler (DAC) dijital bilgileri analog sinyallere çevirmede kullanılırlar. Girişlerine uygulanan dijital bilgiye göre çıkışında bir voltaj görülmektedir..
İki tip DAC devresi bulunmaktadır.
Bunlar

Ağırlık Dirençli DAC
Merdiven tipi DAC 'dir.
Ağırlık Dirençli DAC :

Aşağıda görülen devrede girişlere 0 bilgisi için 0V, 1 bilgisi için de 5V uygulanmaktadır. Girişlere uygulanan dijital bilgilere göre çıkış voltajı
Vout = -(Vd + 1/2 x Vc + 1/4 x Vb + 1/8 x Va)
formülü ile hesaplanır.
Formüldeki Vd, Vc, Vb ve Va girişlerdir. Eğer girşlere 1 uygulanmış ise Vd, Vc, Vb ve Va değerleri 5V, 0 uygulanmış ise Vd, Vc, Vb ve Va değerleri 0V 'a eşittir.
Örnek olarak girişlere DCBA = 0110 bilgisi uyguladığımızda çıkış voltajını hesaplayalım.
Vout = -(0V + 1/2 x 5V + 1/4 x 5V + 1/8 x 0V)
Vout = -(0V + 2,5 + 1,25 + 0)
Vout = -3,750 V



b) Merdiven tipi DAC

Merdiven tipi DAC, Ağırlık Dirençli DAC ile aynı mantıkta çalışmaktadır. Çıkış voltajı hesaplama formülü ise
Vout = -(A x 1 + B x 2 + C x 4 + D x 8)
şeklindedir.
Formülde bulunan A, B, C, ve D dijital girişlerdir. Bu girişler 1 olduğu durumda formül içerisinde 1, 0 olduğunda da formül içerisinde 0 olarak değer alırlar.
Örnek olarak girişlerin DCBA =1010 olduğu durumda çıkış voltajını hesaplayalım.
Vout = -(0 x 1 + 1 x 2 + 0 x 4 + 1 x 8)
Vout = -(0 + 2 + 0 + 8)
Vout = -10V
Bazı popüler Dijital Analog Çeviriciler (DAC) Şunlardır.

DAC0800
AD557
AD7548
MC1408



Şekilde R-2R prensibine göre çalışan MC1408 entegresi ile yapılmış 8 bitlik DAC devresi görülmektedir. Çıkış gerilimi aşağıdaki formülle bulunur.


AD 557, 8 bitlik DAC çeviricidir. Şekilde AD 557’ nin en kolay uygulanabilir bağlantı şekli görülmektedir. Girişlere uygulanan dijital sinyallere göre çıkış gerilimi, 0...+2,56V arasında değişir. Entegre D/A çevirme işlemini R-2R prensibine göre yapar.





ANALOG DİJİTAL CONVERTÖR (ADC)
Analog gerilim değerlerinin dijital sistemlerde kullanılabilmeleri için 1 ve 0 değerlerinden oluşan ikili sayı formatına dönüştürülmeleri gerekir.
Dijital sistemlerdeki bilgiler sadece 1 veya 0 değerlerinin kombinasyonlarından meydana gelir. 1 veya 0 değerleri gerilimin çeşitli değer aralıkları ile temsil edilir.
Mesela TTL (Transistör-Transistör Logic) tabanlı sistemlerde +2Volt ile +5Volt arası gerilim değerleri lojik 1; 0Volt ile 0,8Volt arası gerilim değerleri de lojik 0 olarak kabul edilir.
Görüldüğü gibi dijital sistemlerde, analog gerilim büyüklüklerinin belli gerilim aralıklarıyla temsil edilen lojik 1 veya 0 değerlerine dönüştürülmeleri gerekir.

Analog işaretlerin Dijitale dönüştürülmesi, örnekleme, basamaklama ve kodlama olmak üzere üç aşamada yapılır.

Analog sinyaller zaman ve genlik olarak sürekli sinyallerdir. Bunları dijitalleştirmek için önce belli aralıklarda örnekler alınması gerekir. Örnekleme sıklığı uygun seçilmesi gerekir, aksi halde orijinal sinyal tekrar elde edilemez


Alınan örneklerin genlikleri herhangi bir değerde olabilir. Buna karşılık işaretin dijitale çevrilebilmesi için kullanılacak seviye sayısının sınırlı olması gerekir.
Bu sayı, her bir örnek için kullanılacak kod uzunluğu ya da bit sayısı tarafından belirlenir.
Örnek olarak 8-bit’lik bir kodlama yapılacaksa 28=256 seviye, 3-bit’lik bir kodlama yapılacaksa sadece 23= 8 seviye kullanılabilir. Seviye veya basamak sayısının artması alıcı tarafta Dijital/analog dönüştürücü çıkısında elde edilecek sinyalin kalitesini belirler. Daha iyi kalite için daha çok bit ve daha çok basamak kullanmak gerekir.

Örnek olarak 0-1V arası değişen bir sinyali 3-bitlik bir kodlama ile sayısallaştırmak istiyorsak basamak sayısı 8, aralık sayısı ise 8 -1=7 dir. 1 volt 7 Aralığa bölünürse iki basamak arası 0,143V olur. Basamak sayısı belli olduktan sonra her basamağa karşı düsen bir kod oluşturulur. Bu, genelde, basamak numarasının ikili sayı sistemindeki karşılığıdır



Tabloda analog giriş [0Volt, 3,2Volt ] aralığı 16 parçaya bölünmüştür. Her parça 0,2Voltluk bir aralıktır. Eğer ADC 8-bitlik olsaydı her aralık 0,0125Voltluk daha hassas bir değerde olurdu. Ayrıca tablodan anlaşıldığı gibi binary 0000 değerine karşılık gelen aralık [0Volt; 0,2Volt) aralığıdır. Yani 0Volt; 0,1Volt; 0,15Volt; 0,19Volt vs. bu aralıktaki herhangi bir gerilim değerinin çıkıştaki karşılığı yine (0000) aynıdır. Bu olay bir nevi yuvarlamadır.

4-bitlik bir ADC’de 0 ile 3,2 Volt arasındaki giriş gerilim değerlerine karşılık gelen çıkıştaki binary sayılar tabloda görülmektedir.

Bu yuvarlama bit sayısı ayarlanarak (çözünürlük artırılarak) sistemi etkilemeyecek duruma getirilebilir. Onun için kullanılacak ADC’nin seçimi önemlidir. Şekil’De 2-bitlik bir ADC’nin 0-4Voltluk analog aralıkta transfer fonksiyonu verilmiştir.
Bazı popüler Analog Dijital Çeviriciler (ADC) Şunlardır.

ADC0804
MAX158
MAX186
MAX111
ADC0804 Analog-Dijital Çevirici
ADC0804, piyasada Analog-Dijital Çevirici olarak en çok kullanılan entegrelerden biridir.
Özellikleri:
8-Bit çözünürlük
100-ms dönüşüm süresi
135-ns erişim süresi
Sıfırlama gereksinimi yoktur.
Entegre içi saat üreteci (On-chip clock generator)
Tek 5 Volt’luk besleme gereksinimi
0Volt - 5Volt arası giriş gerilimi
TTL ve CMOS uyumlu
Mikroişlemci kontrollü veya serbest çalışabilme
Ardışıl yaklaşım tekniği ile dönüşüm
Ayrı dijital ve analog toprak
ADC0804; 8 bit’lik, ardışıl yaklaşımlı, 256R merdiven tipi devre modelini kullanan bir CMOS entegredir. 3-durumlu çıkış içeren ADC0804 entegresi, genel mikroişlemci veri yollarını sürebilecek şekilde dizayn edilmiştir. Mikroişlemciler, ADC0804’ü hafızada bir yer veya giriş-çıkış portu olarak görebilirler. ADC0804’ün referans gerilimi, REF/2 bacağının açık olması durumunda Vcc gerilimi ile analog toprak arasındaki gerilimdir. Ayrıca REF/2 bacağına bağlanacak analog aralık ayar devresi ile daha küçük gerilim değerleri de referans gerilimi olarak seçilebilir. ADC0804, harici bir saat sinyali ile çalışabilir veya sadece ek bir direnç ve kondansatör ile entegrenin iç saat üretecinin sağlayacağı saat sinyali ile çalışabilir. ADC0804C entegresi, 00C ile +700C arasında çalışabilecek şekilde, karakterize edilmiştir.

ADC0804 entegresinde dijitale dönüştürülecek analog gerilim; 6 no’lu bacak Vin(+) ve 7 no’lu bacak Vin(-) diferansiyel girişlerinden uygulanmalıdır. Uygulanan gerilim 0 (sıfır) veya negatif bir değer ise çıkışta alınacak değer 00000000’dır. Dijital ve analog topraklar biribirlerine bağlanabilirler, fakat paraziti en aza indirmek için iki bacak da ayrı ayrı topraklanmalıdır.

ADC0804’ün Tavsiye Edilen Çalıştırma Koşulları

ADC0804 entegresinin serbest çalışması

ADC0804 entegresinin mikroişlemci ile çalışması




ADC0804 İÇ YAPISI

SONUÇ
Teknolojik gelişmeler Dijital bilginin kullanım alanını hızla artırmaktadır. Hayatımızı her alanında (haberleşme, akıllı ev teknolojisi vs.) dijital bilgiyi kullanan gereçler bulunmaktadır. Dolaysıyla dış dünyadaki analog bilgilerin dijital bilgiye dijital bilgilerin de analog bilgiye dönüşümlerini sağlayan çeviricilerin önemi artırmaktadır