ADC
De eerste analoog naar digitaal omvormers
Blogberichten
Root » TechTalk » Historisch perspectief » Eerste analoog naar digitaal omvormers
De eerste analoog naar digitaal omzetters (ADC: analog to digital converter) waren gebaseerd op speciaal ontwikkelde oscilloscoopbuizen.
-

-

Deze analoog-naar-digitaal omzetter is gebaseerd op een oscilloscoopscherm. De oscilloscoop is een cathodestraalbuis zoals de beeldbuistelevisie: een canon stuurt electronen op een scherm die op die plaats oplicht. Door de straal snel te verplaatsen en de intensiteit van de straal te moduleren kan men beelden schijven, lijn per lijn.

Er bestonden toen reeds analoog naar digitaal omzetters (met discrete componenten), maar het waren omvormers van het type 'dual slope' die onvoldoende snel waren voor de gevraagde toepassingen.

Paralelle meting

In een analoog naar digitaal omvormer wordt het signaal dat omgezet moet worden naar de verticale afbuigspoelen gestuurd. Maar in plaats van een oplichtend scherm te hebben heeft de buis verschillende kleine anodes, die door de electronenstraal geraakt kunnen worden. In dit systeem is er geen horizontale modulatie en de electronenstraal is enkel in vertikale richting scherpgesteld.

Er is geen Z modulatie (onderbreking van de electronenstraal), behalve als de omzetter stilgelegd wordt. Dit systeem werd op punt gesteld op het einde van de tweede wereldoorlog (er waren toen al oscilloscopen in gebruik).

De analoog naar digitaal omzetter kan zeer snel werken, enkel beperkt door de electronica die het digitaal signaal moet verwerken. Een sample snelheid van 10MHz vormt geen probleem. Zelfs in de jaren 1950 en 1960 was de omzetter sneller dan de computers die de informatie moesten verwerken.

Een eerste versie van de analoog naar digitaal converter wordt rechts getoond. De nauwkeurigheid van dit systeem is 16 niveaus (het is een parallel systeem met 16 uitgangen waarvan er een een signaal ontvangt).

Seriële meting

Maar ondertussen werken de eerste computers met binaire woorden waarbij ieder bit een ander gewicht heeft naargelang zijn positie in een woord: 1 - 2 - 4 - 8 - 16 - ... De omvormer moet dus de technologische vooruitgang volgen. De tweede omvormer levert een seriële binaire waarde (de buis heeft één enkele uitgang).


Werking van de codeerplaat
Het doel dat door de electronenstroom geraakt wordt is een rooster en daarachter is er een anode die de electronen opvangt die door het rooster geraakt zijn. De anode wordt op een positieve spanning gehouden door een hoogohmige weerstand. Iedere keer dat de anode door electronen geraakt wordt loopt er een stroom door de weerstand en zakt de anodespanning.

Naast de verticale afbuiging (Y) die de te meten spanning aangeeft heeft men ook een horizontale afbuiging die de electronenstraal van links naar rechts stuurt (van a naar b). De scanfrekwentie ligt in de buurt van 10MHz. Tijdens de terugslag wordt de electronenstroom onderbroken (blanking).

Indien de spanning laag is (bijvoorbeeld 0V, dan zal de spot een lijn onderaan het rooster tekenen en we lezen 0000, de electronenstroom kan nooit de anode raken. Bij een spanning van 11V hebben we een kode 1101. De bit met de laagste waarde wordt eerst verstuurd.


Codeerplaat in werkelijkheid
(voorkant oscilloscoop)



Links zie je de codeerrooster van de omzetter. De groene streep wordt door de electronenstraal getekend. De hoogte van de streep wordt bepaald door de verticale afbuiging, en dus door de spanning die gemeten moet worden.

De streep wordt van links naar rechts getekend door de horizontale afbuiging (zaagtandspanning).

Daaronder hebben we de signalen van de omzetterbuis. We hebben eerst het kloksignaal dat voor de terugslag en de blanking dient, de horizontale afbuiging en het signaal gemeten op de anode. Het signaal voor de verticale afbuiging tekenen we niet, dat is het signaal dat omgezet moet worden.

De kode kan direct gebruikt worden door de computers uit die tijd na een eenvoudige omzetting serieel naar parallel.

Frank Gray heeft een brevet neergelegd in 1947. F. Gray kennen we beter van de Gray Code (ook 'reflected binary code' genoemd), maar hij heeft meer uitvindigen op zijn palmares. De output is echter geen normaal binair getal, maar een Gray getal. Waarom dat zo is wordt verder uitgelegd.

Probleem met onze analoog - digitaal omzetter

Dit systeem heeft wel een groot probleem, dat vooral merkbaar is bij veranderingen van meerdere bits. Bij een spanning tussen 7 [0111] en 8V [1000] (zie rooster hierboven) is de kode 0000 of 1111 en alle waarden daartussenin naargelang de minieme afwijkingen in de afbuiging: de meting is onbetrouwbaar. Eigenlijk is het nog veel erger en kan men de kode die door de omvormerbuis geleverd wordt nooit vertrouwen, want men weet niet of de te meten spanning tussen 7 en 8 gelegen is.

Het probleem kan op twee manieren opgelost worden:

  • door een extra horizontale rooster (harware oplossing)
  • door de Gray code te gebruiken (software oplossing)
Deze twee oplossingen worden verder besproken op de pagina.

Hardware oplossing

Een meer moderne uitvoering van de omvormerbuis heeft een extra horizontale rooster en een electronencollector. Het rooster zit op een licht negatieve spanning en stuurt de electronenstroom zodat er een perfect horizontale lijn gevormd wordt. De werking van het rooster is een beetje vergelijkbaar met die van een schaduwmaster bij de eerste kleurentelevisies.

Er wordt een spanning afgenomen van het rooster, en die spanning dient om de verticale versterker bij te sturen zodat de lijn die gevormd wordt perfect horizontaal is. In bepaalde uitvoeringen wordt de spanning afgenomen van de electronencollector, maar de werking is identiek.

Welke correctiemaatregelen men zal nemen hangt af van wat men met het digitaal signaal wenst te doen:

  • Voor een gebruik als digitale data in een computer zal men liefst werken met een normaal digitaal signaal (waarbij enkel een serie - parallel conversie nodig is). De conversie van de gray code naar de binaire code kan achterwege blijven, maar men heeft een servosturing van de spot nodig (hardware oplossing). In die tijd hadden computers beperkte rekenmogelijkheden.

  • Om het signaal over een lange afstand te sturen gebruikt men de Gray code. Het digitaal signaal wordt niet verwerkt, maar maakt het mogelijk de integriteit van de data te bewaren over lange afstanden (communicatie over satellieten). Om een televisieprogramma naar een ander continent te sturen werd het videosignaal omgezet in een digitaal signaal. Ook telefoongesprekken werden gegroupeerd en dan in een digitaal signaal omgezet om verstuurd te worden over lange afstanden.

De anamoog naar digitaal converter bestaat uit de volgende onderdelen:


analoog naar digitaal converter met hardware foutoplossing

Afbuiging:

  • Sample and hold: de waarde wordt vastgehouden tijdens de duur van de omzetting (horizontale scan). De straal mag niet naar boven of naar beneden gaan tijdens de meting. Alle moderne omvormers zijn nog steeds uitgerust met een sample and hold schakeling.

  • Verticale versterker: om het signaal dat gedigitaliseerd moet worden te versterken tot een voldoende amplitude. Alle versies van de omzetter hebben een verticale versterker, maar hier krijgt die extra correctiesignalen.

  • Electronencanon met electoden om de bundel te concentreren en te onderbreken tijdens de terugslag (blanking). Hier wordt de straal horizontaal en verticaal geconcentreerd en raakt het een punt op het doel.

  • vericale en horizontale afbuigplaten die de electronenstroom afbuigen. De horizontale afbuigplaten krijgen een zaagtandspanning, met een gelijkmatige stijging van de spanning tijdens de omzetting en een snelle terugval tijdens de blanking.
Omzetting, van rechts naar links:
  • De anode die de electronen die door het rooster gepasseerd zijn opvangt. De anode wordt verbonden met de positieve hoogspanning via een weerstand zodat de electronen opgevangen worden. Als de anode electronen opvangt loopt er een stroom door de weerstand en kan men een nagatiefgaande spanningspiek meten.

  • De aperture plate (codeerschijf) voert de eigenlijke codering uit. Dit is het hart van de schakeling. Als de straal de geperforeerde plaat raakt in een beweging van links naar rechts, wordt de positie van de straal in de hoogte omgezet in een x bit codering. De code wordt opgevangen op de anode, met de bit met de laagste waarde eerst.

  • De quantizing grid is een rooster met 129 horizontale draden (voor een 7-bits codewoord), het rooster zorgt ervoor dat het getal correct uitgelezen wordt. De volledige werking wordt verder uitgelegd.

  • De collector is een kader aan de buitenkant van de quantizing grid. De collector vangt de electronen uit de secundaire emissie.

Werking van de hardware oplossing om leesfouten te vermijden

De electronenstraal is voldoende geconcentreerd om een enkele lijn te raken, maar door het magnetisch veld en de fabricagetoleranties van de buis kan het gebeuren dat de afbuiging niet perfect horizontaal is. Het zou kunnen gebeuren dat de straal een deel van een lijn raakt, en dan een deel van een andere lijn, waardoor de digitale waarde volledig verkeerd kan zijn.

We refereren naar de tekening hierboven 'analoog naar digitaal converter met hardware foutoplossing'.

De verticale versterker krijgt en zwak signaal van de horizontale afbuiging (quantizing bias) waardoor het stip lichtjes naar boven afgebogen wordt tijdens de scan. Als het spot het quantizing grid raakt, dan ontstaat er een secundaire emissie die door de collector opgevangen wordt. Dit signaal wordt gebruikt om de verticale afbuiging lichtjes naar beneden te sturen zodat de spot niet verder kan stijgen en over zijn volledige beweging één enkele lijn volgt.

Op de foto van de aperture plate (coderingsplaat, zie hoger) merk je dat het linkse gedeelte niet gebruikt wordt: in dit deel wordt de spot gestabiliseerd op een lijn (lock on H line).

Links een ADC buis. De electrostatische afbuiging is identiek aan die van een oscilloscoop.

Rechts zie je de collector (kader), gevolgd door het rooster met de horizontale draden en op korte afstand daarvan de coderingsplaat. De laatste electrode is de anode.

Een tussendoortje: de parallelle meting

De parallele meting die als eerste gebruikt werd, wordt nog steeds gebruikt, maar nu in een verbeterde uitvoering, met gewogen bits (signaallijnen die weergegeven worden als een macht van 2). In het voorbeeld hebben we een 9 bits omvormer (512 spanningsniveaus). De bit met de laagste waarde (hoogste nauwkeurigheid) zit in het midden om leesfouten te beperken (de electronenstroom is doorgaans beter geconcentreerd in het midden van het scherm dan aan de zijkanten).

De horizontale afbuiging komt te vervallen en de electronenstroom vormt een scherpe horizontale lijn. Er is geen roosterplaat meer, men gebruikt een versie van de Gray code om fouten te vermijden.



De 9 verticale anodes worden achter de gleuven geplaatst. Als de straal door een gleuf gaat, komt de electronenstroom op de corresponderende draad terecht. Aangezien er geen horizontale afbuiging is, komen de electronen simultaan door de gleuven. De omzetting kan daardoor veel sneller gebeuren. Men gebruikt doorgaans een klokfrekwentie van 12MHz, de snelheid wordt eigenlijk beperkt door de electronica die de datastroom moet verwerken.

Dit parallel systeem werd doorgaans gebruikt om de gemultiplexte telefoongesprekken over een lange afstand te versturen, vaak via een satellietverbinding. De norm DS-1 of T1 kon 24 simultane telefoongesprekken of een videosignaal overbrengen. Om het video of gemultiplext audiosignaal over een lange afstand te versturen moet het gedigitaliseerd worden. Het is het bedrijf Bell die aan de basis lag van deze digitalisatie door middel van een aangepaste buis. Het parallel signaal werd in vorm gezet en omgezet in een serieel signaal om via een coaxkabel verstuurd te worden tot aan de satellietschotel.

De anodestroom voor iedere anode is doorgaans zeer laag (een piek van minder dan 100µA), waardoor er soms een vermenigvuldiger wordt gebruikt (één per anode). Als electronen de eerste anode raken komen er extra electronen vrij door de secundaire emissie. Deze electronen worden door de tweede anode aangetrokken, waar ze nog meer electronen vrijmaken. Iedere opeenvolgende anode heeft een spanning die ongeveer 150V hoger ligt dan de vorige om de electronen voldoende te versnellen.

Deze schakelingen werden allemaal ontworpen door Frank Gray, een onderzoeker die aan de basis ligt van de amertikaanse televisie (afbuiging en aftasting van het beeld, flying spot scanner,...). Maar hij is vooral bekend wegens zijn Gray code (reflected binary code) die tegenwoordig nog altijd gebruikt wordt.

Gray code: software oplossing om leesfouten te vermijden

De codeerbuis gebruikt geen normale binaire code (gewogen bits), maar een speciale kode. Het betreft in het bijzonder de omvormerbuizen die een parallel signaal leveren en de buizen die een serieel signaal leveren maar geen horizontaal raster hebben. Bij een binaire code hebben we een progressie van 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 et 111 het aantal bits dat verandert is:
000 [1] 001 [2] 010 [1] 011 [3] 100 [1] 101 [2] 110 [1] 111.

Bij een Gray code is er altijd één bit verschil tussen twee opeenvolgende waarden (Hamming afstand = 1), maar ieder bit op zich heeft geen waarde. Er is daarom geen standaard wat betreft de Gray code.

De binary reflected code is zodanig ontworpen dat de overgang van de hoogste waarde naar de laagste waarde ook een verandering van 1 bit teweg brengt. Hier is dat niet nodig, maar de code wordt bijvoorbeeld ook in bepaalde rotary encoders gebruikt. De kodes die op deze pagina getoond worden zijn allemaal binary reflected codes.

We hebben hier een voorbeeld met een getal met 4 bits. Als de analoge waarde tussen 7 en 8 zit kan de output om het even welke waarde tussen 0000 en 1111 hebben: we hebben gezien dat daardoor om het even welke meting als onbetrouwbaar beschouwd kan worden.

Bij een codering van Gray kan de waarde enkel 7 (0010) of 8 zijn (0011): tussen 7 en 8 is er maar één bit verschil. De foutmarge wordt dus beperkt tot de resolutie van de omvormer zelf. De Gray code wordt nog in veel toepassingen gebruikt.

Bij de Gray code is het niet mogelijk de waarde van een bit te bepalen en kan men geen berekeningen uitvoeren op Gray 'getallen'.

De kode wordt reflected (weerspiegeld) genoemd, omdat die door recursie samengesteld kan worden om tot het aantal gewenste bits te komen:

  • 00 01 11 10 de basis is twee bits die 4 waarden kunnen vertonen
  • 10 11 01 00 weerspiegeling (van de bitwaarden, niet van de individuele bits)
  • 000 001 011 010 110 111 101 100 0 of 1 bijvoegen en samenvoegen
We hebben nu een 3 bits code en de procedure kan herhaald worden totdat we aan het gewenste aantal bits komen.

De analoog naar digitaal omzetterbuizen zijn verder ontwikkeld tot de jaren 1965, dan zijn de eerste geïntegreerde schakelingen op de markt gekomen. Een 'solid state' omvormer met identieke eigenschappen bestond uit een honderdtal IC's (comparators, AND, OR, XOR funkties en een beetje diodelogica,...). Alle electronicabedrijven wilden toen overschakelen op volledig getransistoriseerde schakelingen en de omzetterbuizen zijn rond die tijd van de markt verdwenen. Maar niet vergeten.

Publicités - Reklame

-