A/D dönüştürücüler analog bir sinyali ona eşdeğer dijital bir sinyale çeviren devrelerdir. Analog ölçülen sinyal: ısı, basınç, ses olabilir. Böyle bir analog çıkış sinyali dijital forma çevrilerek bu ölçülen deger üzerinde daha geniş kapsamlı hesaplamalar ve işlemler yapılabilir. Analog işaretlerin dijital işaretlere çevrilmesinde farklı teknikler kullanılmaktadır. Bunlar;

• Eş zamanlı A/D dönüştürücüler.

• Sayıcı yöntemine göre çalışan A/D dönüştürücüler.

• Sırayla yaklaşımlı A/D dönüştürücüler.

• Tek eğimli A/D dönüştürücüler.

• Çift eğimli A/D dönüştürücüler.

şeklindedir. Burada Tek eğimli ve Çift eğimli A/D dönüştürücüler, ikili dijital çıkış.vermekten ziyade, çıkışına bağlı bir sayıcı devresiyle analog sinyalin değerine kadar sayma işlemi gerçekleştirmede kullanılırlar. Bu sebeple burada değinilmeyecektir.

1. Eş zamanlı A/D dönüştürücüler

Eş zamanlı A/D çeviriciler belirli sayıda karşılaştırıcı devre kullanılarak düzenlenirler. Şekil 1.1’de üç karşılaştırıcı kullanarak düzenlenen bir sistem verilmiştir. Girişten uygulanan analog sinyal C₁, C₂, C₃ ile açıklanan üç çıkıştan dijital işarete dönüştürülmektedir. Devreye ayrıca standart referans gerilimi uygulanmaktadır. Sırayla 1. karşılaştırıcıya +3/4V., 2. karşılaştırıcının girişine +V/2 ve 3. karşılaştırıcıya +V/4 referans gerilimleri karşılaştırma için uygulanmaktadır. Böylece sistem 0 ile +V gerilimi arasındaki analog gerilimlerini kıyaslayarak üç dijital değer verebilir.

Şekil 1.1 : Eş zamanlı A/D dönüştürücü mantık devresi.

Burada her karşılaştırıcı, kendi referans gerilimi aşıldığında çıkış vermekte ve çıkışı Lojik 1 olmaktadır. Eğer giriş seviyesi 0 ile +V/4 arasında bir değerde ise bütün çıkışlar Lojik 0 durumunda bulunur. Giriş gerilimi +V/4’ü hafifçe aştığında 1. karşılaştırıcı çıkış verir ve C₁= Lojik 1 olur. +V/2 gerilimi değerine kadar sadece C₁ = 1 =; C₂ = 0 ve C₃ = 0 durumu elde edilecektir.

Analog giriş gerilimi +V/2 seviyesini aştığında 2. karşılaştırıcı çıkışı da Lojik 1 durumuna döner. +V/2 seviyesinden 3V/4 seviyesine kadar C₁ ve C₂ çıkışları Lojik 1, C₃, çıkışı Lojik 0 durumunda bulunur. Giriş gerilimi +3V/4 seviyesini aştığında C₃ çıkışı da Lojik 1 olur. Çünkü bu karşılaştırıcı +3V/4 ile +V gerilimi arasında çalışmaktadır. Bu çalışma durumları ve gerilim seviyeleri Tablo 1.1 de özetlenmektedir.

Giriş Voltajı	C1	C2	C3
0 ile +V/4	Düşük	Düşük	Düşük
+V/4 ile +V/2	Yüksek	Düşük	Düşük
+V/2 ile +3V/4	Yüksek	Yüksek	Düşük
+3V/4 ile +V	Yüksek	Yüksek	Yüksek

Tablo 1.1 : Giriş seviyelerine bağlı olarak çıkış seviyeleri.

Şekil 1.1’itekrar incelersek dönüştürücünün 4 çıkış gerilim kademesini seçtiğini görürüz. Bu 4 kademe iki tabanlı sayı işaretleriyle seçilirler. Daha sonra bu üç karşılaştırıcı çıkışı, analog giriş gerilimine eşdeğer dijital işarete çevrilmek üzere bir kodlayıcı devresine uygulanır. Elde edilen sayılar depolanmak üzere daha sonra bir flip-flop kaydediciye verilirler. Şekil 1.2’de böyle bir A/D dönüştürücünün blok devresi görülüyor.

Şekil 1.2 : Eş zamanlı 2 basamaklı A/D dönüştürücü.

Eş zamanlı A/D çeviricilerin yapıları ve çalışmaları basit olduğundan kolaylıkla anlaşılır. Bununla beraber dijital basamak sayısının artması ile, girişteki karşılaştırıcı sayısı (2ⁿ-1) formülüne göre hızla artmaktadır ve çok basamaklı devrelerin kullanılmasıyla da karmaşık bir duruma girmektedir. Çevirme işlemlerinin hızlı gerçekleştirilmesi iyi yönüdür.

2.Sayıcı yöntemine göre çalışan A/D dönüştürücüler

Sayıcı kullanan A/D dönüştürücü devreleri oldukça basittir. Sayıcı, merdiven devre, saat, kontrol kapısı ve bir karşılaştırıcıdan oluşur. Şekil 1.3’de devrenin nasıl düzenleneceği blok devrelerle açıklanmıştır.

Eğer ayarlı referans gerilim istenildiği gibi olursa, yüksek çözümlemeli A/D dönüştürücüle
rde sadece bir tek karşılaştırma devresi kullanılır. Bu referans gerimi karşılaştırıcı devrenin bir girişine uygulanır. Karşılaştırıcının diğer girişine ise analog sinyal uygulanır. İkisi sinyalin birbirlerine eşit olmasıyla birlikte çevirme işlemi gerçekleşmiş olur. Analog giriş gerilimine eşit dijital değer; dijital sayıcının karşılaştırıcı tarafından durdurulmasıyla çıkışta tutulur.

Şekil 1.3 : Sayıcı tipi A/D dönüştürücünün blok şeması

Böyle bir dönüştürücünün düzenlenmesine basit bir iki tabanlı sayıcı ile başlayalım. Dijital çıkış sinyalleri n sayıda hat ile sayıcıdan alınacaktır. Burada n sayıda hat, kullanılan sayıcının basamaklarını açıklamaktadır. Sayıcı çıkışına basit iki tabanlı merdiven devre bağlanır. Sayıcı girişine eğer bir.saat devresi ile. sayma aralıklarını tayin eden palslar uygulanırsa, merdiven devre çıkışından merdiven şeklinde referans gerilim elde edilir. İlave edilen bir kapı ve kontrol devresi ile D/A çevirici, kolaylıkla istenen A/D çeviriciye değiştirebilir.

Şekil 1.3’deblok devresi verilen sayıcı tipi basit A/D çevirici devre şu şekilde çalışır: Başlangıçta sayıcı resetdir ve bütün çıkışlar Lojik 0 dır. BAŞLA hattı üzerinde çevirme sinyali görüldüğünde kapı açılır ve saat palsının sayıcıya uygulanmasına izin verilir. Sayıcı, iki tabanlı sayılarla ileri doğru saymaya başlar. Merdiven devre çıkışında merdiven dalga elde edilir. Bu işaret referans gerilim olarak karşılaştırıcının bir girişinden uygulanır. Karşılaştırıcının diğer girişinden analog giriş gerilimi uygulanır. Referans gerilim, giriş analog gerilimine eşit olduğunda veya onu aştığında kapı kapanır ve sayma işlemi durur. Girişten uygulanan analog gerilimine eşdeğer dijital değer çıkışta elde edilmiş olur.

Bu tip A/D dönüştürücüler, dijital sistem elde edilirken çok yüksek çözümleme sağlarlar. Bu metot yüksek çözümleme için eş zamanlı metodundan çok daha basittir, fakat çözümleme zamanları daha uzundur. Sayıcı daima sıfırdan başlayarak iki tabanlı sayılarla, analog değere ulaşana kadar sayar. Çevirmeyi tamamlayana kadar 2ⁿsayısına kadar sayması gerekecektir. Ortalama çevirme zamanı 2ⁿ/2 ve tam sayma zamanı 2ⁿ-1 dir.

Saat palsının her saykılında sayıcı ileri doğru bir sayı sayar. Bu sebepten çevirme zamanında saat frekansı önemlidir. Örneğin 8 basamaklı bir dönüştürücüde tam skala sayması için 255 saat saykılına ihtiyaç olacaktır. 1 Mhz’ lik saat osilatörü kullanıldığında, her sayı 1 mikrosaniyede sayılır. Bu durumda;

Tam skala sayması = 255×10^-6=255 µ s , Ortalama sayma zamanı = 255/2 = 128 µ s. olur.

Şekil 1.4’de girişe uygulanan analog sinyalin dijital bir şekilde gösterilimi görülmektedir. Sayma işlemi, giriş dalga şeklindeki değişme hızına yakın olduğunda sağlıklı sonuç elde edilemeyebilir. Bunun için sayma hızının çok hızlı olması gerekir.

Şekil 1.4 : Analog sinyalin dijitalize edilişi.

Şekil 1.5′ deki gibi bir sinyal ortaya çıkar. Bu tip sayıcılara alternatif olarak sürekli sayma işlemi yapan dönüştürücüler üretilmiştir. Bunlarda sayma işlemi kaldığı yerden devam etmektedir.

İleri ve geri sayma kontrolü için bazı ilave mantık devrelerine gerek duyulur. Bu ilave devreler yukarı veya aşağı sayma için karar verilirken, karşılaştırıcının çıkış işaretini izlerler. Şekil 1.6’da ileri ve geri sayma devresi ile onu kontrol eden mantık devrelerine sahip bir A/D dönüştürücü devresi görülüyor. Bu tip çeviricilere "Devamlı Çeviriciler" denir.

Şekil 1.5 : Örnekleme sonucu elde edilen bilgiler ile analog sinyalin tekrar çizilmesi.

Şekil 1.6 : Devamlı A/D dönüştürücü blok şeması.

Bu çevirici bir önceki sayıcı tipi çeviriciye çok benzer. Karşılaştırıcı çıkışı, mantık kontrol, devresi ve sayıcının yapısında biraz farklılıklar bulunur. Devre ileri-geri bir sayıcıya sahiptir. Böyle bir sayıcı 3 türlü kontrol edilir. Bunlar Saat palsı, İleri say , Geri say kontrol işaretleridir.

Merdiven devre çıkışı yine analog giriş sinyali ile karşılaştırıcıya birlikte uygulanmaktadır. Karşılaştırıcı bir öncekinden farklı olarak iki çıkışa sahiptir. Bunlar: ‘ileri say’ ve ‘Geri say’ çıkış uçlarıdır. Analog gerilim, merdiven çıkış geriliminden daha pozitif olduğunda karşılaştırıcının ‘İleri’ çıkışı Lojik 1 olur. Analog gerilim merdiven çıkış geriliminden daha negatif olduğunda ‘Geri’ çıkışı Lojik 1 olur.

Analog gerilimin sıfır’a yakın değerlerinde geri sayma yapılırsa, sayıcı bir anda sıfırdan max. değere dönebilir. Bu istenmeyen önemli bir durumdur. Bunun için bir önlem almak gerekir. Benzer olarak analog işaretin üst değerlerinde sayıcının max. değerden sıfıra birden bire düşmesini önlemek gerekir.

3.Sırayla yaklaşımlı A/D dönüştürücüler

Dönüştürücülerde, diğer yöntemlerin araştırılmasının en önemli sebebi çevirme zamanını düşürmektir. Eş zamanlı çevirici çok hızlı bir çeviricidir. Fakat basamak sayısı artarken, girişteki karşılaştırıcı devre sayısı hızla artmaktadır. Sayıcı tip çeviriciler daha basit ve az elemanla düzenlenirler, fakat çevirme hızları çok düşüktür. Devamlı dönüştürücülerin çevirme zamanları çabuktur fakat sinyale kilitlendikleri için multipleks sinyal girişlerinde bu üstünlüklerini kaybederler.

Multiplekser devreleri için ard arda yaklaştırmalı çeviriciler (Successive Appraximation Converter) en uygun devrelerdir. Şekil 1.7′ de böyle bir konverterin blok diyagramı görülüyor. Böyle bir çevirici üst basamaktan itibaren her basamağın mantık seviyesini test ederek çalışır. Tek atımlı devre önce sayıcıyı reset yapar ve en büyük sayıdan teste başlanır (MSB). Flip-flop’lar RESET yapılırken karşılaştırıcı dev
re çıkışına en soldaki sayı bırakılır, sonra en üst basamağın altındaki basamak sayısı değerlendirilir ve bulunur. Böylece en üst basamaktan (MSB), en alt basamağa (LSB) kadar her basamağın değerlendirilmesi yapılır ve ‘0’ mı yoksa ‘1’ mi olduğu tespit edilir. Bu analog girişin karşılığı olan dijital sayıdır. Böyle bir sayıcıda halka tipi sayıcı çok kullanışlıdır.

Şekil 1.7 : Ard arda yaklaştırmalı çevirici.

Şekil 1.8′ de üst basamaktan alt basamağa doğru ard arda değerlendirmenin nasıl yapıldığı açıklanmaktadır. Bu yaklaşım metodunda önce en üst basamağın 1 mi 0 mı olduğu araştırılır, sonra onun altındaki basamağa, sonra onun altındaki basamağa geçilerek 1,0 araştırılması yapılır. Diyagramdan görüleceği gibi her çevirme aynı zaman aralığında yapılmakta bir çevirme saykılında bir basamak değerlendirilmektedir. 4 basamaklı bir sayıcıda basamaklar sırayla test edilerek (1010 gibi) sonuca 4 işlemde ulaşılabilir. Böylece toplam çevirme zamanı basamak sayısına bağlı olur. Örneğin 8 basamaklı çevirme işleminde 1 MHz saat frekansı kullanıldığında çevirme zamanı: 8×10^-6=8 µ s olur. Çünkü her basamağın değerlendirilmesi 1 mikrosaniyede gerçekleştirilir.

Sayıcı yöntemine göre dönüştürme işlemi yapan A/D dönüştürücülerde bu süre 8 basamaklı için 120 mikrosaniye idi. Görüldüğü gibi dönüştürme zamanı diğerlerine kıyasla oldukça kısa bir süre. Ancak bu hesaba sistemdeki diğer kısımların gecikmelerini de ilave etmek gerekir. Multiplekterin anahtarlama zamanı, merdiven devrenin değerlendirme zamanı, karşılaştırıcının gecikmesi ve diğer kısımların gecikmeleri gibi.

Şekil 1.8 : Ard arda yaklaştırmalı dönüştürücüde sayma işlemi. 

Basit sayıcı çeviricilerin toplam çevirme zamanını azaltmanın diğer yöntemi sayıcıyı kısımlara bölmektir. Çok basamaklı sayıcı yerine az basamaklı birkaç tane sayıcı kullanılmaktadır. Bu tip sayıcılara bölmeli sayıcılar denir. Örneğin 8 basamaklı bir sayıcı yerine iki tane 4 basamaklı sayıcı kullanılabilir. Sayma süresi şu şekilde kısalır: 8 basamaklı sayıcı 2⁸=256 sayı sayar.Halbuki 4 basamaklı bir sayıcı 2⁴=16 sayar. 16×2=32 sayı ile iki tane 4 basamaklı sayıcı tam skala saymayı gerçekleştirir. Süre oldukça kısalmıştır. Ancak iki sayıcının birbirlerine bağlanmaları sırasında bazı ekstra anahtarlama zamanları sisteme ilave olur. Yine de mantıksal çalışma zamanı oldukça kısalmıştır. Bu metotla zamandan oldukça tasarruf sağlanır.

4.Tek eğimli A/D dönüştürücüler

5.Çift eğimli A/D dönüştürücüler