تبدیل سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال

1. ● چرا تبدیل آنالوگ به دیجیتال؟ تبدیل سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال ● نیازمندیها برای تبدیل آنالوگ به دیجیتال ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D ● محصولات مختلف از مبدلهای آنالوگ به دیجیتال

2. ● چرا تبدیل آنالوگ به دیجیتال؟ ● پردازش سیگنال دیجیتال رایج تر است: ● قابلیت پیاده سازی و اصلاح آسانتر ● هزینه کم ● داده های واقعی عموما آنالوگ هستند

3. ● نیازمندیها برای تبدیل داده های خام به داده های دیجیتال ● فیلتر، تقویت کننده ● مدار نمونه بردار و نگهدار و مولتی پلکسر ● مبدل آنالوگ به دیجیتال

4. ● مفهوم تبدیل آنالوگ به دیجیتال ● بطور مفهومی شامل مراحل ذیل است ● کوانتیزه کردن: شکستن سیگنال آنالوگ به یک سری از حالتهای محدود ● کد کردن: اختصاص یک کلمه یا عدد دیجیتال به هر حالت

5. ● مفهوم تبدیل آنالوگ به دیجیتال

6. ● مفهوم تبدیل آنالوگ به دیجیتال

7. ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال ● مبدلهای n بیتی ● رابطه I/O پایه: ● تعداد سطح خروجی گسسته: - مبدل آنالوگ به دیجیتال یک سیستم نسبت گیری است: ● اندازه LSB : ● خطای کوانتیزاسیون: • x = Analog input / • Reference • Fraction: 0 ~ 1 ● با افزایش n کاهش می یابد

8. ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال ● خطاهای تبدیل: خطای خطی سازی انتگرالی خطای آفست حداکثر انحراف مشخصه ورودی/خروجی (پاسخ) مبدل از یک خط مستقیم خطای خطی سازی دیفرانسیلی جابجایی عمودی نقطه شروع مشخصه خروجی (پاسخ) مبدل خطای بهره اختلاف بین پاسخ خروجی ایده آل و اندازه گیری شده برای هر دو کد پی­درپی مبدل چگونگی تطابق شیب تابع انتقالی واقعی آن با شیب یک تابع انتقال ایده­آل خطای غیرخطی با تنظیمات اولیه قابل حذف می باشد حذف آن سخت است

9. ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال رزولوشن مبدل- resolution: کمترین میزان تغییر در ورودی آنالوگ که باعث یک سطح تغییر کد خروجی می گردد زمان تبدیل- conversion time: ● زمان مورد نیاز پیش از اینکه مبدل بتواند داده های خروجی صحیح تولید کند دقت مبدل- accuracy: ● تفاضل بین ولتاژ ورودی واقعی و ولتاژ معادل کد خروجی مبدل نرخ خروجی مبدل- throughput output: ● مقدار حداکثر مجموع تمامی خطاهای مبدل مشتمل بر خطای کوانتیزاسیون ● تعداد دفعاتی که سیگنال ورودی با حفظ حداکثر دقت آن می تواند نمونه برداری گردد ● عکس زمان کل مورد نیاز برای انجام یک تبدیل موفق ● عکس زمان تبدیل اگر هیچ نوع مدار نمونه بردار و نگهداری استفاده نشده باشد

10. ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال مقایسه رزولوشن در دقت تبدیل:

11. ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال اثر نرخ نمونه برداری در دقت تبدیل:

12. ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال رزولوشن و نرخ نمونه برداری می توانند برای افزایش دقت تبدیل افزایش یابند:

13. ● نکات پیاده سازی کاربرد زمان تبدیل: • Example • 8-bit ADC • Conversion Time: 100sec • Sinusoidal input • Rate of change • Let FS = 2A • Limited to Low frequency of 12.4 Hz • Few Applications ● تغییر ورودی در طی پروسه تبدیل باعث تولید یک عدم قطعیت نامطلوب می گردد ● دقت تبدیل کامل در صورتی حاصل می گردد که این عدم قطعیت کمتر از رزولوشن مبدل اختیار گردد Rate of Change * tc  resolution

14. ● نکات پیاده سازی بر این اساس با استفاده از یک مدار نمونه بردار و نگهدار می توان عملکرد مبدل را بهبود بخشید: • Example • 20 nsec aperture time • Reasonably good for 100sec converter ● یک مدار آنالوگ که به سرعت بر اساس فرمان از سیگنال ورودی نمونه برداری می کند، سپس آن را نسبتا ثابت نگه می دارد تا مبدل عملیات تبدیل را انجام دهد ●aperture time (ta) تأخیر زمانی حادث شونده در مدارات نگهدار مابین زمانی که فرمان نگهداری دریافت شده و لحظه ای که گذار به مود نگهداری حاصل می گردد- زمان رایج آن در حد چند نانوثانیه است

15. ● نکات پیاده سازی نوع سیگنال آنالوگ ورودی: ● تطبیق رنج ورودی واقعی و رنج ورودی مجاز از مبدل که برای این منظور: ● سیگنال تفاضلی و یا تکی بدون پلاریتی: • Typical Input Range • 0 ~ 10V and 0 ~ 5V ● در طبقه نهائی قبل از مبدل باید توسط طبقات آپ-امپی، سیگنال به سطح مناسب تغییر یابد ● اگر سیگنال ورودی کل محدوده ورودی مجاز را پوشش ندهد در این صورت: ● برخی از کدهای خروجی مبدل استفاده نمی شوند ● اثرات بیشتر خطاهای کانورتر بر خروجی

16. ● نکات پیاده سازی چگونگی تبدیل ورودی های علامت دار (دوقطبی) به ورودیهای تک-قطبی: • Typically, 0 ~ 5V ● استفاده از مبدلهای تک-قطبی: Add offset ● کاهش رنج ورودی با یک نسبت مناسب ● اضافه کردن آفست scaled ● استفاده از مبدلهای دو-قطبی: ● در صورتی که علامت اطلاعات در خروجی مطلوب باشد ● خروجی عموما در قالب مکمل 2 می باشد

17. ● نکات پیاده سازی خروجیها و سیگنال مرجع آنالوگ: ● خطاها در سیگنال مرجع: ● ورودیها و خروجیهای معمول: ● منبع: ● تنظیمات اولیه ● دریفت نسبت به زمان و دما ● برای دستیابی به یک دقت کامل از مبدل: ● خروجی مبدل: ● دارا بودن یک سیگنال مرجع پایدار و دقیق خیلی مهم است • ● Number of bits 8 and 12 bits are typical 10, 14, 16 bits also available ● Typically, precision IC voltage reference is used

18. ● نکات پیاده سازی سیگنالهای کنترل: • HBE / LBE • From CPU • To read Output word after EOC • HBE • High Byte Enable • LBE • Low Byte Enable • Start • From CPU • Initiate the conversion process • BUSY / EOC • To CPU • Conversion is in progress • 0=Busy: In progress • 1=EOC: End of Conversion

19. ● نکات پیاده سازی برای جلوگیری از aliasing نرخ نمونه برداری باید حداقل دو برابر فرکانس سیگنال باشد:

20. ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D • ●Counter or Tracking ADC • ●Successive Approximation ADC • Most Commonly Used • ● Slop Integrating ADC • ●Voltage to Frequency ADC • ●Parallel or Flash ADC

21. Counter Type ADC ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D عملیات: ● راه اندازی و ریست کردن شمارنده بلوک دیاگرام: ●DAC خروجی دیجیتال شمارنده را به سیگنال آنالوگ تبدیل می کند ● مقایسه ورودی آنالوگ و خروجی DAC • Vi < VDAC ● ادامه شمارش تا زمانیکه: • Vi = VDAC ● پایان شمارش شکل موج: ● خروجی دیجیتال=خروجی شمارنده معایب: ● زمان تبدیل متغیر • 2n Clock Period for Full Scale input

22. Tracking Type ADC ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D A/D نوع ردیاب یا سرو: ● استفاده از شمارنده بالا/پایین برای ردیابی پیوستهسیگنال ورودی ● بالا یا پائین شدن شمارنده توسط خط کنترل خروجی مقایسه کننده صورت می گیرد مزیت: ● سرعت شکل موج: عیب: ● خروجی هیچگاه پایدار نمی باشد حتی اگر ورودی پایدار باشد

23. Successive Approximation ADC ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D ● رایج ترین نمونه ای که در مبدلهای با سرعت متوسط تا بالا استفاده می گردد ● مبتنی بر تقریب سیگنال ورودی با کد باینری و سپس بازبینی مکرر این تبدیل تا زمانیکه بهترین تقریب حاصل گردد ●SAR (رجیستر تقریب مکرر): توسط این رجیستر تمامی مقادیر بیتها با شروع از بیت MSB و خاتمه یافتن در بیت LSB مورد آزمون قرار گرفته تا مقداری برابر ورودی حاصل گردد

24. Successive Approximation ADC ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D مشخصات کلیدی: شکل موج: ● زمان تبدیل: • ● Conversion Time • n clock for n-bit ADC • Fixed conversion time منطق تغییر خروجی: ● خروجی سریال به سادگی تولید می گردد: ● تصمیم گیری برای تولید بیت بصورت سریالصورت می گیرد

25. Slope (Integrating) ADC ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D نحوه عملکرد: ● تولید منحنی دندانه اره ای توسط انتگرال گیر و شمارنده تا زمانیکه مقایسه کننده برابری آن را با ورودی نشان دهد

26. Voltage to Frequency ADC ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D ●مبدل ولتاژ به فرکانس یا VFC ●مزايا: ● تبدیل ولتاژ ورودی آنالوگ به قطاری از پالسها ● كاهش نويز عالي ●معايب: ●شمارنده -counter: تولید خروجی دیجیتال با شمارش پالسها بر روی یک بازه زمانی ثابت ● كند ● عموما مبتني بر 10 بيت يا كمتر

27. Parallel or Flash ADC ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D ● مشتمل بر یک سری مقایسه کننده که هر کدام سیگنال ورودی را با یک سیگنال مرجع مقایسه می کند ● خروجی مقایسه کننده ها به ورودیهای یک انکدر متصل می گردند که یک خروجی باینری تولید می کنند

28. Parallel or Flash ADC ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D ● مزایا : ● سرعت تبدیل بسیار بالا • ● Up to 100MHz for 8 bit resolution • Video, Radar, Digital Oscilloscope ● تبدیل یک مرحله ای • ● 2n –1 comparator • ●Precision Resistive Network • ●Encoder ● معایب: ● رزولوشن محدود ● تعداد زیادی مقایسه کننده در یک IC-براي 8 بيت نياز به 255 مقايسه كننده مي باشد ● هزينه بالا

29. ● مقايسه محصولات

30. ● محصولات نمونه

31. مبدلهای دیجیتال به آنالوگ ● کاربرد ● مشخصات عملکردی ● انواع مختلف و ویژگیها ● محصولات نمونه

32. 100101… کاربرد ● هدف از یک مبدل دیجیتال به آنالوگ، تبدیل یک سیگنال دیجیتال به خروجی جریانی و یا ولتاژی آنالوگ می باشد DAC

33. کاربرد ● هدف از یک مبدل دیجیتال به آنالوگ، تبدیل یک سیگنال دیجیتال به خروجی جریانی و یا ولتاژی آنالوگ می باشد Analog Output Signal Digital Input Signal

34. مشخصات فنی Vout Vout Desired Analog signal Desired Analog signal 111 110 110 1 8 Volt. Levels 2 Volt. Levels 101 101 100 100 011 011 010 010 001 001 0 0 000 000 Digital Input Digital Input Approximate output Approximate output Resolution رزولوشن ● مقدار تغییر در خروجی به ازای هر بار تغییر در LSB در ورودی دیجیتال ● هر چه رزولوشن بیشتر باشد، سیگنال خروجی مطلوب را می توان دقیق تر تخمین زد N = Number of bits Poor Resolution(1 bit) Better Resolution(3 bit)

35. مشخصات فنی Voltage Voltage 11 11 10 10 10 10 01 01 01 01 0 0 00 00 00 00 Digital Input Reference Voltage ولتاژ مرجع مقدار ولتاژ مشخصی می باشد که تعیین می کند هر ورودی دیجیتال به چه کسر ولتاژی اختصاص داده شود انواع: ● داخلی و ثابت و تعیین شونده توسط سازنده ● خارجی و متغیر و تعیین شونده توسط کاربر Non-Multiplier: (Vref = C) Multiplier: (Vref = Asin(wt)) Digital Input Assume 2 bit DAC

36. مشخصات فنی Analog Output Voltage +VLSB Expected Voltage -VLSB Time Settling time Settling Time زمان نشست ●زمان مورد نیاز برای اینکه ولتاژ سیگنال ورودی به محدوده ولتاژ خروجی مورد انتظار تبدیل گردد (within +/- VLSB) ● هر تغییر در حالت ورودی به سرعت در خروجی منعکس نمی گردد

37. مشخصات فنی Linearity(Ideal Case) NON-Linearity(Real World) Desired Output Desired/Approximate Output Approximate output Analog Output Voltage Analog Output Voltage Digital Input Digital Input Miss-alignment Perfect Agreement Linearity خطی بودن ● اختلاف بین خروجی آنالوگ مطلوب و خروجی واقعی بر روی یک محدوده کاملی از مقادیر مورد انتظار ● در حالت ایده ال مابین خروجی یک مبدل DAC و ورودی آن باید یک رابطه خطی وجود داشته باشد که همواره محقق نمی گردد

38. مشخصات فنی Speed سرعت ● نرخ تبدیل یک ورودی دیجیتال به معادل آنالوگ آن ● نرخ تبدیل: ● وابسته به سرعت clock سیگنال ورودی ● وابسته به زمان نشست مبدل

39. مشخصات فنی خطاها ● غیر خطی بودن ● دیفرانسیلی Differential • Integral ● انتگرالی Gain ● گین Offset ● آفست Non-monotonicity ● غیریکنواختی

40. مشخصات فنی Ideal Output Analog Output Voltage Diff. Non-Linearity = 2VLSB 2VLSB VLSB Digital Input خطای غیرخطی دیفرانسیلی ● مقدار استپ ولتاژی نسبت به خروجی قبلی مبدل • (Ideally All DNL’s = 1 VLSB)

41. مشخصات فنی خطای غیرخطی انتگرالی ● انحراف خروجی واقعی مبدل از مقدار ایده ال (Ideally all INL’s = 0) Ideal Output Analog Output Voltage Int. Non-Linearity = 1VLSB 1VLSB Digital Input

42. مشخصات فنی خطای آفست ● اختلاف ولتاژ ثابت مابین خروجی ایده ال و خروجی واقعی ● خطای گین بالا: شیب واقعی بزرگتر از ایده ال ● خطای گین پائین: شیب واقعی کمتر از ایده ال Output Voltage Desired/Ideal Output Positive Offset Digital Input NegativeOffset

43. مشخصات فنی خطای غیریکنواختی ● میزان کاهش در ولتاژ خروجی به ازای یک افزایش در ورودی دیجیتال Desired Output Non-Monotonic Monotonic Analog Output Voltage Digital Input

44. Binary Weighted Resistor انواع مبدلها Rf = R Vo R 2R 4R 8R MSB LSB -VREF ● استفاده از یک مدار آپ امپی جمع کننده ● مقاومتهای وزن دار برای تمایز هر بیت از LSB تا MSB ● استفاده از ترانزیستورها برای سوئیچ مابین ولتاژ مرجع و زمین

45. انواع مبدلها Binary Weighted Resistor ● نمایش باینری Vo R 2R 4R 8R Most Significant Bit Least Significant Bit -VREF

46. انواع مبدلها Binary Weighted Resistor ● نمایش باینری SET CLEARED Most Significant Bit Least Significant Bit -VREF ( 1 1 1 1 )2 = ( 15 )10

47. انواع مبدلها Binary Weighted Resistor Rf = R ● مقاومتهای وزن دهی شده بر اساس بیت ● کاهش جریان با یک فاکتور 2 برای هر بیت Vo R 2R 4R 8R MSB LSB -VREF

48. انواع مبدلها Binary Weighted Resistor • Result: • Bi = Value of Bit i

49. انواع مبدلها Binary Weighted Resistor ● بطور کلی تر • Bi = Value of Bit i • n = Number of Bits

50. انواع مبدلها Binary Weighted Resistor مزایا ●آنالیز/ساختار ساده ●تبدیل سریع معایب ●نیاز به محدوده وسیعی از مقاومتها که مقاومتهای کم باید دارای صحت بالائی باشند ●نیاز به مقاومتهای سوئیچ پائین در ترانزیستورها ●گران قیمت بنابراین معمولا به رزولوشن 8 بیت محدود می گردد