1 / 41

Przetworniki Cyfra/Analog i Analog/Cyfra

Przetworniki Cyfra/Analog i Analog/Cyfra. Technika cyfrowa Ernest Jamro, Agnieszka Dąbrowska Katedra Elektroniki, AGH. Kwantowanie. Sygnał cyfrowy. Sygnał kwantowany. q – kwant – waga napięciowa najmniej znaczącego bitu przetwarzania

debra
Download Presentation

Przetworniki Cyfra/Analog i Analog/Cyfra

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Przetworniki Cyfra/Analog i Analog/Cyfra Technika cyfrowa Ernest Jamro, Agnieszka Dąbrowska Katedra Elektroniki, AGH

  2. Kwantowanie Sygnał cyfrowy Sygnał kwantowany q – kwant – waga napięciowa najmniej znaczącego bitu przetwarzania VFSR – Zakres pomiarowy (Vmax-Vmin) - Full Scale Range N- liczba bitów przetwornika (resolution) Przykład: VFSR=1V, N=10, q= 1/10241mV

  3. Błąd kwantyzacji SNR – Signal-to-Noise Ratio – stosunek sygnału do szumu

  4. Błąd kwantyzacji – c.d. równomierny rozkład błędu kwantyzacji (przebieg piłokształtny) Dla przebiegu trójkątnego w pełnym zakresie pomiarowym Sinusoida – pełny zakres pomiarowy: wartość skuteczna równa się

  5. Próbkowanie (ang. sampling) Przebieg wejściowy Impulsy próbkujące Dyskretny przebieg wejściowy Dyskretny przebieg wejściowy z pamiętaniem stanów Katedra Elektroniki AGH

  6. Układy próbkująco-pamiętające (ang. sample & hold) • czas akwizycji – czas pomiędzy • zamknięciem klucza a ustaleniem • wartości napięcia wyjściowego • równej wartości napięcia wejściowego • z zadaną dokładnością (0,2s – 25ns) • dokładność: 8 – 12 bitów • maksymalna szybkość narastania: • (0,5-900 V/s) • zwis (spadek napięcia na kondensatorze • pamiętającym w fazie pamiętania): 1mV/s – 1kV/s Katedra Elektroniki AGH

  7. Zakres pomiarowy (ang. Full Scale Range - FSR) Zakres pomiarowy = 2NQ Największa reprezentowana wartość: (2N-1) Q Przykład: N=8, Vref=1V, Vmax=255/256=0.996V Uwag na reprezentację liczb: z przesunięciem – najczęstsza reprezentacja liczb w przetwornikach AC i CA

  8. Aliasing Właściwy obraz Aliasing Potrzeba stosowania filtru dolnoprzepustowego na wejściu przetwornika

  9. Parametry statyczne przetworników • Rozdzielczość – stosunek przedziału kwantyzacji Q do pełnego zakresu prze- twornika FS, jest równa odwrotności liczby poziomów kwan- tyzacji, najczęściej określana liczbą bitów N słowa cyfrowego • Dokładność przetwornika (bezwzględna lub względna) – największa różnica między rzeczywistą a przewidywaną wartością sygnału ana- logowego dla danego słowa cyfrowego • Błąd przesunięcia (bezwzględny lub względny) – • różnica między rzeczywistą • a idealną wartością sy- gnału analogowego dla mini- malnej lub zerowej wartości cyfrowej Katedra Elektroniki AGH

  10. Parametry statyczne przetworników • Błąd skalowania (wzmocnienia ang. gain error) – • różnica między przewidywaną i ekstrapolowaną wartością rzeczywistą sygnału analogowego dla pełnego zakresu przetwornika • Nieliniowość całkowa (ang. Integral Nonlinearity - INL) – największe odchylenie rzeczywistej charakterystyki przetwarzania od linii prostej Katedra Elektroniki AGH

  11. Parametry statyczne przetworników • Nieliniowość różniczkowa • (ang. Differencial Nonlinearity – DNL ) – charakteryzuje lokalne odchylenia charakterystyki od linii prostej • |DNL | < 1 LSB • brak pominiętych kodów (ang. no-missing codes) dla A/C lub przetwornik monotoniczny dla C/A • |DNL|> 1 LSB • Pominięte kody (A/C) • Niemonotoniczność (C/A) A/C C/A Katedra Elektroniki AGH

  12. Parametry dynamiczne przetworników C/A • Czas przełączania – czas zmiany napięcia wyjściowe- go przetwornika od wartości początkowej do 90% zakresu zmiany napięcia wyjściowego • Maksymalna częstotliwość przetwarzania – maksymalna liczba konwersji na sekundę, częstotliwość graniczna = 1/czas konwersji • Szpilki napięcia (ang. glitch) – szpilki związane z przenikaniem przez pojemności • pasożytnicze cyfrowych sygnałów przełączających klucze analogowe Katedra Elektroniki AGH

  13. Czas ustalania i wymagania odnośnie wzmacniacza • Czas ustalania (konwersji) – czas, po którym sygnał wyjściowy ustali się z dokładnością lepszą niż 0,5LSB dla najgorszego przypadku zmiany liczby wejściowej (0FS). Wymóg 0.5 LSB często zamienia się na wartości procentowe np. 1%, 0,1%. • Co z tego wynika: • Przy założeniu, że wzmacniacz (wz. operacyjny przed przetwornikiem A/C lub za przetwornikiem C/A) jest modelowany jako zwykły filtr dolnoprzepustowy RC, pasmo przepustowe takiego wzmacniacza musi być wielokrotnie większe niż częstotliwość przetwarzania przetwornika A/C lub C/A. Rozładowanie kondensatora od pełnego zakresu do wartości 0.5 LSB A/C t= ·(N+1) ·ln2

  14. Parametry dynamiczne przetworników A/C • Czas konwersji – czas potrzebny do jednego całkowitego przetworzenia sygnału • analogowego na wartość cyfrową z pełną specyfikowaną dokładnością • Błąd dynamiczny przetwarzania A/C – równy • zmianie wartości sygnału wejściowego • następującej w czasie wykonywania • konwersji przez przetwornik A/C • U=2f•A•Tc • U<FS/2Nw czasie konwersji Tc • fmax=(2N+1  Tc)-1 Katedra Elektroniki AGH

  15. THD + SNR Total Harmonic Distortion (THD) THD is the ratio of the rms sum of the first five harmonic components to the rms value of a full-scale input signal and is expressed in decibels. Signal-to-Noise Ratio (SNR) SNR is the ratio of the RMS value of the actual input signal to the RMS sum of all other spectral components below the Nyquist frequency, excluding harmonics and dc. The value for SNR is expressed in decibels. RMS – Root Mean Square – wartość skuteczna

  16. Przetwornik z siecią wagową • wolny (przez zastosowanie wzmacniacza operacyjnego) • wymagane duże i bardzo dokładne rezystancje • klucze analogowe przełączają duże napięcia • Duże błędy DNL • Nie stosowany w praktyce Katedra Elektroniki AGH

  17. Przetwornik C/A z łańcuchem rezystorów (ang. Resistor String) • Zalety: • Wymaga takich samych rezystorów • Rezystory nie musza być bardzo dokładne • Małe błędy statyczne • Wady: • Duża liczba użytych elementów 2N, dlatego N=8-12bitów • Przykład: AD5332: Dual 8-Bit DAC • AD5343: Dual 12-Bit DAC Typ Max

  18. Przetwornik z drabinką R-2R • wskazane użycie jak największych • rezystancji – kompromis • między szybkością działania • a dokładnością przetwornika • napięcie na kluczach jest małe • minimalny wpływ nieliniowości • kluczy na dokładność • przetwornika • wzmacniacz operacyjny ogranicza • szybkość działania Katedra Elektroniki AGH

  19. Przetwornik z drabinką R-2R – Wytłumaczenie działania

  20. Impuls Napięcia (ang. Glitch Impulse: [Vps]) Impuls powstaje głównie przy zmianie najstarszego bitu, jego przyczyną różna szybkość włączania i wyłączania się kluczy np. w przetworniku z drabinką R-2R

  21. Przetwornik C/A z pojemnościami wagowymi • dwie fazy działania przetwornika: I – ładowanie pojemności do napięcia Uref • II – odpowiednie kondensatory łączone do wejścia wzmacniacza operacyjnego • szybszy niż przetwornik z siecią wagową, ograniczenie tylko szybkością • działania kluczy oraz czasem ładowania pojemności • wada: duży zakres wartości pojemności • pojemności pasożytnicze – rozdzielczość przetwornika 7 – 8 bitów Katedra Elektroniki AGH

  22. Przetwornik C/A z siecią C-2C • dwie fazy działania: I – ładowanie kondensatorów (Uref, Uref/2, Uref/4, ...) • II – Kf zamknięty (rozładowuje C), Ka – złączenie górnych węzłów • do masy, Kb – dołączenie odpowiednich kondensatorów do WO Katedra Elektroniki AGH

  23. A/C bezpośredniego porównania Równoległe (flash) • najszybsze przetworniki A/C • ograniczona rozdzielczość (max. 12 bit) • czas konwersji <1ns dla układów z • tranzystorami • częstotliwość: 10MHz-100GHz • komparatory ograniczają szybkość i dokładność przetwarzania • wzrost poboru mocy (0,1-10W) 2.5 LSB 1.5 LSB 0.5 LSB R1= R/2 (zero= 1/2LSB Katedra Elektroniki AGH

  24. A/C bezpośredniego porównania Szeregowe (ang. pipeline) wagowy z podwajaniem Katedra Elektroniki AGH

  25. A/C bezpośredniego porównania Szeregowo-równoległe • 8-16 bitów • częstotliwość: 0,2-40MHz • moc strat: 0,04-20W Katedra Elektroniki AGH

  26. A/C Kompensacyjne Kompensacja równomierna (ang. Ramp) • oparty na zasadzie zliczania impulsów zegara • długi czas przetwarzania (max. 2ntc) • rzadko stosowany Katedra Elektroniki AGH

  27. Kompensacyjne przetworniki A/C Kompensacja równomierna – nadążny (ang. tracking) Katedra Elektroniki AGH

  28. Kompensacyjne przetworniki A/C Kompensacja wagowa ang. Successive Aproximation Register (SAR) • krótki czas przetwarzania (ntc) • duża nieliniowość różniczkowa C/A • łatwy do realizacji w układach monolitycznych • rozdzielczość 8-16 bitów • przetwornik C/A z drabinką R-2R • 5-10MSPS przy rozdzielczości 10-12bitów • moc strat: 15mW-1W http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/1080 http://en.wikipedia.org/wiki/Successive_approximation_ADC Katedra Elektroniki AGH

  29. Metody Czasowo-Częstotliwościowe Katedra Elektroniki AGH

  30. Metoda czasowa A/C Czasowa prosta = Całkowanie pojedyncze (ang. single slope) • niska dokładność (0,1%) Katedra Elektroniki AGH

  31. Metoda czasowa A/C Podwójne całkowanie, ang. dual slope • duża rozdzielczość: 12-26 bitów • duża dokładność (0,01%) • duży czas przetwarzania: 20ms-1s (T1 wielokrotność 20ms) • mała moc strat: 0,6-450mW Katedra Elektroniki AGH

  32. C/A Modulacja Szerokości Impulsu (ang. Pulse-Width Modulation - PWM) • wielkość cyfrowa • przetwarzana na ciąg impulsów o stałej amplitudzie • i o współczynniku wypełnienia • proporcjonalnym do słowa cyfrowego • relatywnie długi czas konwersji 2N/fclk • możliwość uzyskania bardzo dużej rozdzielczości • monotoniczne • niewielka nieliniowość różniczkowa • konieczność stosowania dobrego filtru dolnoprzepustowego na wyjściu – dlatego przetwornik ten ma głównie znaczenie teoretyczne lub też tam gdzie nie trzeba stosować filtru, np. do sterowania jasnością diód LED • Uo = Uref D/2N • Przykład: • Częstotliwość przetwornika fADC=1kHz, N=16, fclk= 216*1kHz= 65MHz Katedra Elektroniki AGH

  33. Pulse-Width Modulation - PWM

  34. PWM a Sigma-Delta Wypełnienie= Vin/VFS Lub D/M

  35. Przetwornik D/A 1-bitowyprzykład obrazu Oryginał Nieoptymalne Optymalne podobnie jak PWM Delta-Sigma

  36. Delta-Sigma A/C c.d. http://en.wikipedia.org/wiki/Sigma_delta

  37. Delta sigma A/C Katedra Elektroniki AGH

  38. Delta sigma C/A

  39. Delta-Sigma wyższego rzędu 2-gi rząd 3-rząd Szumy dla różnych częstotliwości

  40. Nadpróbkowanie Możliwe jest uzyskanie większej rozdzielczości bitowej poprzez nadpróbkowanie (próbkowanie z większą częstotliwością niż częstotliwość Nynquist’a. N= ½ log2(n) lub n= 22N N – dodatkowa rozdzielczość bitowa n – współczynnik nadpróbkowania Przykład: n= 4 N=1; n=16 N=2; n=64  N=3 Założenie to wynika z błędu standardowego który maleje odwrotnie proporcjonalnie z pierwiastkiem liczby pomiarów (założenie braku korelacji) http://en.wikipedia.org/wiki/Oversampling

  41. Rozdzielenie części analogowej i cyfrowej Masa analogowa i cyfrowa powinny być połączone ze sobą tylko w jednym miejscu (relatywnie cienkim łączem) tak aby sygnały cyfrowe nie przechodziły przez część analogową. Zasilanie cyfrowe i analogowe powinny być rozdzielone np. za pomocą filtru LC (dławik-kondensator)

More Related