Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Przetworniki Cyfra/Analog i Analog/Cyfra

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Przetworniki Cyfra/Analog i Analog/Cyfra"— Zapis prezentacji:

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 Vref – napięcie referencyjne (lub zakres pomiarowy: Vmax-Vmin) N- liczba bitów przetwornika Przykład: Vref=1V, N=10, q= 1/10241mV

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

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

5 Próbkowanie Przebieg wejściowy Impulsy próbkujące
Dyskretny przebieg wejściowy Dyskretny przebieg wejściowy z pamiętaniem stanów Katedra Elektroniki AGH

6 Układy próbkująco-pamiętające
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)
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 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 |DNR | < 1 LSB błąd pominiętych kodów (ang. No-missing codes) dla A/C lub przetwornik monotoniczny dla C/A |DNR|> 1 LSB przyrost liczby wejściowej D powoduje zmniejszanie sygnału wyjściowego (niemonotoniczność) A/C C/A Katedra Elektroniki AGH

12 Parametry dynamiczne przetworników C/A
Czas ustalania (konwersji) – czas, po którym sygnał wyjściowy ustali się z dokładnością lepszą niż 0,5LSB dla najgorszego przypadku zmiany liczby wejściowej (0FS) 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 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/2N w czasie konwersji Tc fmax=(2N+1  Tc)-1 Katedra Elektroniki AGH

14 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

15 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

16 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

17 Przetwornik z drabinką R-2R – Wytłumaczenie działania

18 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

19 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

20 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

21 A/C bezpośredniego porównania
Równoległe (flash) najszybsze przetworniki A/C ograniczona rozdzielczość (max. 12 bit) czas konwersji <1ns dla układów z tranzystorami MESFET częstotliwość: MHz komparatory ograniczają szybkość i dokładność przetwarzania wzrost poboru mocy (0,25-7,5W) skomplikowany dekoder trudności w doborze dzielnika 2.5 LSB 1.5 LSB 0.5 LSB R1= R/2 (zero= 1/2LSB Katedra Elektroniki AGH

22 A/C bezpośredniego porównania
Szeregowe wagowy z podwajaniem Katedra Elektroniki AGH

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

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

25 Kompensacyjne przetworniki A/C
Kompensacja równomierna - nadążny Katedra Elektroniki AGH

26 Kompensacyjne przetworniki A/C
Kompensacja wagowa 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 Katedra Elektroniki AGH

27 Metody Czasowo-Częstotliwościowe

28 Metoda czasowa A/C Czasowa prosta = Całkowanie pojedyncze
niska dokładność (0,1%) Katedra Elektroniki AGH

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

30 Metoda częstotliwościowa
Prosta napięcie wejściowe zmieniane na impulsy o częstotliwości proporcjonalnej do wartości tego napięcia mała dokładność (ok.1%) rzadko stosowane Katedra Elektroniki AGH

31 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=100kHz, N=16, fclk= 65MHz Katedra Elektroniki AGH

32 Pulse-Width Modulation - PWM

33 Przetwornik D/A 1-bitowy przykład obrazu
Oryginał Nieoptymalne Optymalne podobnie jak PWM Delta-Sigma

34 PWM a Sigma-Delta Wypełnienie= Vin/VFS

35 Metoda częstotliwościowa
Delta sigma A/C Katedra Elektroniki AGH

36 Delta-Sigma A/C c.d.

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

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


Pobierz ppt "Przetworniki Cyfra/Analog i Analog/Cyfra"

Podobne prezentacje


Reklamy Google