1 / 33

ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 11. Převodníky A – Č a Č – A

ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 11. Převodníky A – Č a Č – A. Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc. DAC. Analog. výstup U out. Digitální vstup N bitů. Převod Č-A. Číslicově analogové převodníky DAC (Digital to Analog Converters).

lacy-jennings
Download Presentation

ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 11. Převodníky A – Č a Č – A

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. ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY11. Převodníky A – Č a Č – A Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc

  2. DAC Analog. výstup Uout Digitální vstup N bitů Převod Č-A Číslicově analogové převodníky DAC (Digital to Analog Converters) Použití: Rekonstrukce analogových signálů (průběhů) z digitálních signálů (dat) • Modulátory a vysílače komunikačních zařízení • Ovladače akčních elementů regulovaných soustav • Syntéza signálu oscilátorů, generátorů funkčních průběhů apod. Převodní charakteristika: kde: an = 0 nebo 1 je hodnota i-tého bitu, Ur je napěťový rozsah převodníku

  3. Zjednodušená značka Napájení UCC Digitální vstup n bitů Analog. výstup Uout Uout DAC k – doba převodu TH – perioda hodin Časové řízení (hodiny) t t1 t2 t3 t4 . . . . tk tk+1 Číslicově analogové převodníky Pro časově proměnná data: Svorky: Signálové (vstup, výstup), napájecí (UCC, zem), řídicí (hodiny)

  4. a1 DAC a2 Uout D aN-1 aN Číslicově analogové převodníky DAC (Digital to Analog Converters) a1 … Nejvýznamnější bit (MSB – the Most Significant Bit). aN … Nejméně významný bit (LSB – the Least Significant Bit) Statické chyby převodníků: • Chyba nuly (Offset Error) 0: Posunutí výstupního napětí o konstantní hodnotu, nezávisející na hodnotě převáděného čísla • Chyba zesílení (Gain Error) m: Chyba ve velikosti napětí Ur • Integrální nelinearita (INL): Maximální odchylka dané hodnoty od předepsané. • Diferenciální nelinearita (DNL): Max. odchylka strmosti mezi dvěmi sousedními body

  5. Číslicově analogové převodníky DAC (Digital to Analog Converters) • Základní rozdělení DAC: • Převodníky paralelní –data se převádějí současně • krátká doba převodu, nezávislá na počtu bitů • menší přesnost • obvykle omezeno na malý počet bitů • Převodníky postupné – data se převádějí postupně • podstatně delší doba převodu, závislá na počtu bitů • přesnější výsledky • větší počet bitů ale za delší čas

  6. B RB U0 Uout UB R2 R3 RM-1 R1 RM RM+1 Ovlád. přepín. RZ RZ Číslicově analogové převodníky Paralelní - s rezistorovými sítěmi Váhové rezistorové sítě • M+1 Odporů sítě Rm, m = 1,.., M+1 • M Přepínačů mezi U0 a zemí, m = 1,.., M, ovládaných číslem D

  7. RB U0 R2 R3 RM-1 I0 R1 RM RM+1 Rm Rm B = U0 RM-1 UB R2 R3 R1 RM RM+1 IM I1 I2 I3 IM-1 Číslicově analogové převodníky Váhové rezistorové sítě Thévenin  RB=konst UB = ICRB

  8. Rekapitulace Kde: bm = 1 nebo 0 podle toho, zda je m-tý spínač připnut k U0 nebo k zemi Číslicově analogové převodníky Váhové rezistorové sítě • Různé způsoby volby odporů Rm • M = 2N-1, Rm = R0, RB = R0/2N, bm = 1 pro m  D, pro ostatní m je bm = 0, Um = 2U0D/2N Ur = 2U0 • Vysoký počet 2N stejných odporů R0 • M = N-1, Rm = (2m-1)R0, RB = R0/2, bm = am, Um = U0D/2N  Ur = U0 Nízký počet N-1 odporů ale s velkým poměrem hodnot 1:2N Závěr: Vhodné zejména pro rychlé převodníky s malým počtem bitů a s menší přesností

  9. Topologie sítě R – 2R: b 2R 2R a R R R R R R R R 2R R 2R 2R 2R 2R 2R R Číslicově analogové převodníky S rezistorovou sítí R-2R Definice sítě: Žebříčkovitá síť (Ladder Network) s podélnými odpory R a s příčnými odpory 2R. • Vlastnosti sítě: • Při pohledu ze sériové větve do uzlu (ilustrace a)vidíme odpor R • V každém uzlu se stýkají tři větve (ilustrace b) o odporech 2R

  10. Převodník s proudovými zdroji: I0 I0 I0 I0 I0 I0 I0 I0 RZ R R R R R R R R 2R R 2R 2R 2R 2R 2R Uout Číslicově analogové převodníky Převodníky s rezistorovou sítí R-2R Využívá síť R – 2R s N uzly (mezi odpory R). Uzly označíme po řadě od OZ (zprava) indexy n = 1, 2, …, N. (N je počet bitů převodníku) Do n-tého uzlu se přepínačem, řízeným hodnotou n-tého bitu an převáděného slova připojí proudový zdroj I0 (an = 1  připojeno, an = 0  odpojeno)

  11. Pořadí: N N-1 N-2 5 4 3 2 1 RZ Ic I0 I0 I0 I0 I0 I0 I0 I0 Ic R R R R R R R R 2R R 2R 2R 2R 2R 2R Uout Č-A převodníky se sítěmi R-2RPřevodník s proudovými zdroji • Bude-li připojen pouze první zdroj proudu, bude se I0 dělit do dvou větví s odpory: R a 2R takže Ic = (2/3)I0 • Bude-li připojen pouze druhý zdroj proudu, bude se proud I0 dělit do tří větví o stejných odporech 2R, takže Ic = I0/3 • Bude-li připojen pouze zdroj proudu s n > 2, bude se v nejbližším uzlu dělit proud na třetiny, v každém uzlu dále vpravo se pak dělí proud do dvou větví ještě na polovinu. Potom Ic = (I0/3).2-(n-2)

  12. Pořadí: N N-1 N-2 5 4 3 2 1 RZ Ic I0 I0 I0 I0 I0 I0 I0 I0 Ic R R R R R R R R 2R R 2R 2R 2R 2R 2R Uout Č-A převodníky se sítěmi R-2RPřevodník s proudovými zdroji Pro proud Ic ve výstupní větvi sítě pak po připojení jednotlivých zdrojů podle vstupního převáděného čísla an dostáváme: Výstupní napětí převodníku Uout je pak rovno: a po vhodné volbě I0 a RZ :

  13. n = N N-1 N-2 4 3 2 1 0 R R R R R R R R 2R R 2R 2R 2R 2R 2R UB = 0 RZ U0 Uout Č-A převodníky se sítěmi R-2RPřevodník s napěťovými zdroji • Do každé paralelní větve n = 1, .., N lze přepínačem, řízeným převáděným číslem an zapojit napěťový zdroj U0, nebo ji spojit se zemí. Při an = 1 je připojen zdroj U0, při an = 0 je větev připojena k zemnímu vodiči. • Napěťový zdroj U0 v sérii s odporem 2R lze podle Théveninovy věty nahradit paralelně připojeným proudovým zdrojem I0 = U0/(2R). Tím celý výpočet výstupního napětí převedeme na předcházející případ s jediným rozdílem, že v bodě n = 0 není připojen žádný napěťový zdroj.

  14. RZ Ic n = N N-1 N-2 4 3 2 1 0 Ic R R R R R R R R 2R R 2R 2R 2R 2R 2R Uout UB = 0 U0 Č-A převodníky se sítěmi R-2RPřevodník s napěťovými zdroji Po náhradě U0  I0 = U0/(2R) a s uvážením, že v bodě n = 0 žádný zdroj není: Výstupní napětí převodníku Uout je pak rovno: A po vhodné volbě U0 a RZ :

  15. Paralelní Č-A převodníky Porovnání vlastností Převodníky s váhovými sítěmi Převodníky se sítěmi R-2R s proudovými zdroji s napěťovými zdroji Výhody: Jednoduchost, vysoká rychlost převodu, nízký počet odporů 2(N+1), malý rozsah odporů (1:2), nízký počet napěťových zdrojů Nevýhody: Ovlivňování jednotlivých bitů, malá přesnost Výhody: Jednoduchost, vysoká rychlost převodu, nízký počet odporů 2(N+1), malý rozsah odporů (1:2) Nevýhody: Větší počet zdrojů proudu (N), malá přesnost Výhody: Jednoduchost, vysoká rychlost převodu Nevýhody: Velký počet odporů (2N), velký rozsah odporů 1:2N, malá přesnost Celkově převodníky s odporovými sítěmi: Vysoká rychlost převodu, malá přesnost  vhodné pro rychlé převodníky s malým počtem bitů s nízkými nároky na přesnost

  16. Vratný čítač Čítač C1 U1 fh R1 R2 U3 U D U D R Q Uout Q1 Q1 RS Dmax S A A U2 D R3 CZ C C Q QN QN R4 fg Tg fg t T S R t Tc U2 t Postupné Č-A převodníkyModulační převodník

  17. U C1 U2 T U1 R1 R2 Tc U3 Uout R1+R2 RC t U3 Us R3 U2 CZ R4 t Postupné Č-A převodníkyModulační převodník U3 se ustálí v okolí střední hodnoty Us, kdy se náboj Q1 nabíjený do kondenzátoru CZ v době impulzu bude rovnat vybitému náboji Q2 v době mezi pulzy: Q1 = (U1-US)/RC.T = Q2 = US/RC.(TC-T1)  US = U1.(T/TC) • Charakteristiky: • Vysoká přesnost • Dlouhá doba převodu

  18. ADC a1 a2 a3 Uin a4 aN-1 aN A – Č převodníkyADC – Analog to Digital Converters Převádějí analogovou veličinu (nejčastěji napětí) na digitální symbol (číslo) Použití: • Převod výstupního signálu senzorů • Převod přijímaných komunikačních signálů Uin {an},n = 1, .., N . . . počet bitů převodníku Uin <0, Ur> … . rozsah převodníku Výstupní posloupnost {an} představuje číslo D: Převod A - Č Digitální výstup Analogový vstup

  19. D (2N-1) (2N-2) 3 2 Uin 1 Interval U A – Č převodníkyADC – Analog to Digital Converters Kvantování úrovní napětí Při lineárním kvantování: • V intervalu (0, Ur) je nekonečné množství hodnot vstupního signálu Uin ale počet hodnot výstupního signálu je konečný.  • Zobrazení Uin D(an) není vzájemně jednoznačné – každé hodnotě D odpovídá skupina velikostí Uin (interval U) • Tomuto typu přiřazení se říká kvantování úrovní (v našem případě napětí) • Nejčastěji je velikost intervalů U stejná – lineární kvantování

  20. Kvantovací úrovně Průběh aproximace U=Ur.2-N (diskret) 4U 3U Rozhodovací úrovně 2U U Uin Kvantovací chyba q Uin U A – Č převodníkyKvantování úrovní napětí Kvantovací chyba • Definice: • Q = Uaprox – Uin, |Q|  U/2 • Rozložení kvant. chyby je rovnoměrné • Rozptyl kvant. chyby: Kvantovací šum

  21. A – Č převodníkyDynamika Poměr mezi maximálním možným a minimálním detekovatelným výkonem signálu Max. výkon sinusového signálu: Min. výkon omezený pouze kvantovací chybou: Dynamika bez zkreslení (poměr signál/šum): Dynamika včetně zkreslení (Signal to Noise And Distorsion): Efektivní počet bitů (Effective Number Of Bits):

  22. G D q = 2-N D Qm 4q 4q 3q 3q 2q 2q qn q q Uin/Ur Uin/Ur 0 A – Č převodníkyChyby převodníku Statické chyby Diferenciální nelinearita DNLn: DNLn = (qn – q)/q Integrální nelinearita INLm: INLm = Qm/q Chyba nuly: 0 = (U-Uid)/Ur Chyba zesílení: G = Umax/Ur

  23. Sample & hold udržování úrovně vzorkování Vlastní A-Č převod Uin Vyrovnávací paměť D fH fv A – Č převodníkyStruktura A-Č převodníků • A-Č převodníky převádějí proměnná napětí • Převod napětí na číslo má konečnou dobu trvání TC  • Nejprve se musí zjistit okamžitá hodnota (vzorek)napětí – vzorkování • Pak se musí jeho hodnota udržovat stálá po dobu TC - udržování Samle and Hold  Vyvzorkuj a drž Tv= 1/fv TC fv  2.fmax

  24. t Uvyvz U1 t t Uin Uvyvz t t fv A – Č převodníkyObvodyS & H Vzorkovací obvody S Obvody H (HOLD) Uin Uvyvz fv Symetr. obvod U U1 Uin t TV T

  25. Ur Uin Klopné obvody D Kompar. Výstupní slovo D D D D Q Q Q Q D D D D C C C C Q Q Q Q Dekodér Hodiny A – Č převodníkyParalelní převodník Výhoda: Velká rychlost převodu Nevýhoda: Složitost, vhodné pro menší počet bitů, menší přesnost

  26. Ur Uin A/Č1 Č/A1 A/ČM Č/AM A/Č2 Č/A2 U1 U2 S&H a1 a2 aM Registr A – Č převodníkyPostupné převodníky Sériový převodník A-Č Všechny bloky A/Č-Č/A jsou stejné a převodníky A/Č a Č/A v nich mají vždy stejný rozsah a stejný počet bitů Převod začíná vždy od nejdůležitějších bitů • V n-tém bloku se provede N1 – bitový převod A/Č napětí Un a zpětný převod Č/A. tento výsledek se odečte od napětí Un a vynásobí2N1 – tak dostaneme Un+1 • Celková doba převodu: Tp = M.Tp1, kde Tp1 je doba převodu v jednom bloku

  27. Ur 2R 2R Un Un+1 2R R 2R an 2R A – Č převodníkySériové převodníky Základní blok jednobitového A/Č – Č/A převodníku • Výhody: • Malý počet obvodů (jednoduchost) • Nevýhody: • Dlouhá doba převodu (N.Tp1) • Nízká přesnost Zkrácení doby převodu: Převede se první bit, po předání U2 do dalšího bloku se převádí 1. bit dalšího vzorku. (sdílení času – pipline)

  28. 16R R R S&H A/Č 4 b Č/A 4 b R Synchron. Registr Řídicí jednotka D A – Č převodníkyPostupné převodníky Zpětnovazební převodník (8 bitový dvoutaktní): Pracuje ve dvou (i více) taktech: V prvním taktu se na číslo převede N1 nejvýznamnějších bitů a odpovídající napětí se odečte od vstupního ve druhém taktu se rozdíl zesílí 2N1 krát. Tento rozdíl se znovu podrobí N1 bitovému převodu …

  29. R f1 S&H Aproximační registr D Uaprox R Č/A A – Č převodníkyPostupné převodníky Aproximační převodník: • Č/A převodník má stejný počet bitů (N) jako celý aproximační A/Č převodník • pracuje v N taktech s délkou T1 = 1/f1 • v každém taktu testuje 1 bit • začíná se nejvýznamnějším bitem • pokud je napětí Uaprox na výstupu Č/A převodníku menší, než Uin, ponechá se příslušný bit na hodnotě 1, pokud ne, vrátí se na 0 • přiblížení pokračuje v dalším taktu s nižšími bity Uin Přesnost: je dána přesností Č/A převodníku a komparátoru Rychlost převodu: Nízká, Tp = nT1

  30. Jednotlivé barvy odpovídají různým vstupním napětím Uin U1 C = S&H R Uin k -Ur U1 t T2 T1 T2 Řídicí jednotka T2 fg D Čítač  C CT N1 N A – Č převodníkyDalší typy převodníků Integrační převodníky Dvoutaktní převodník • V prvním taktu se nabíjí integrátor napětím Uin po konstantní dobu T1 = N1Tg • Ve druhém taktu se integrátor vybíjí napětím –Ur ažU1 dosáhne 0 – odečte se čas T2 = N2Tg

  31. U1 U10 t T2 T1 A – Č převodníkyIntegrační převodníky Dvoutaktní převodník • Výhody: • Nezávisí na parametrech obvodu: C, R, fg • Nezávisí na teplotě • Nevýhody: • Dlouhá doba převodu • Uplatňuje se aditivní chyba (chyba nuly – offset)  problémy s měřením nízkých napětí • Aplikace: • Zejména pro měřicí účely

  32. S0 C S&H = S1 R Uin S2 k Ur U1 fg Řídicí jednotka D  C CT N1 N A – Č převodníkyIntegrační převodníky Čtyřtaktní převodník Princip funkce V prvních dvou taktech měří dvoutaktní integrační metodou aditivní chybu, v dalších dvou taktech změří napětí Uin včetně absolutní chyby a pak ji odečte Popis zapojení Podobné jako u dvoutaktního převodníku s tím rozdílem, že jsou zde navíc spínač S0 na nulování náboje na kondenzátoru C a reverzeční přepínač S2, který mění polaritu zdroje napětí Ur

  33. U00 U1 U10 UC0 t Takt 0. T20 T1 T2 T1 Takt II. Takt III. Takt IV. Takt I. A – Č převodníkyIntegrační převodníky Čtyřtaktní převodník • Popis funkce • Nejprve se v nultém taktu sepnutím S0vynuluje zbytkové napětí UC0, které se tam nashromáždilo v průběhu mezi odečty • V prvním taktu se přepínači S1 a S2 připojí na integrátor zdroj referenčního napětí v polaritě +Ur. • Ve druhém taktu se připojí zdroj -Ur a dvoutaktní metodou se změří napětí Ur (1+ 0) a odtud určíme aditivní chybu 0Ur. • V dalších dvou taktech změříme napětí Uin včetně aditivní chyby • V další fázi se provede korekce aditivní chyby • Vlastnosti: • Vysoká přesnost • Dlouhá doba měření

More Related