Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

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

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Przetworniki Cyfra/Analog i Analog/Cyfra Technika cyfrowa Ernest Jamro, Agnieszka Dąbrowska Katedra Elektroniki, AGH."— Zapis prezentacji:

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

2 Kwantowanie Sygnał kwantowany Sygnał cyfrowy q – kwant – waga napięciowa najmniej znaczącego bitu przetwarzania V ref – napięcie referencyjne (lub zakres pomiarowy: V max -V min ) N- liczba bitów przetwornika Przykład: V ref =1V, N=10, q= 1/1024  1mV

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

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

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

6 Układy próbkująco-pamiętające Katedra Elektroniki AGH 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

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

8 Aliasing Właściwy obrazAliasing Potrzeba stosowania filtru dolnoprzepustowego na wejściu przetwornika

9 Parametry statyczne przetworników Katedra Elektroniki AGH 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

10 Parametry statyczne przetworników Katedra Elektroniki AGH 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

11 Parametry statyczne przetworników Katedra Elektroniki AGH 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

12 Parametry dynamiczne przetworników C/A Katedra Elektroniki AGH 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

13 Parametry dynamiczne przetworników A/C Katedra Elektroniki AGH 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  fAT c  U

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

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 2 N, dlatego N=8-12bitów Przykład: AD5332: Dual 8-Bit DAC AD5343: Dual 12-Bit DAC Typ Max

16 Przetwornik z drabinką R-2R Katedra Elektroniki AGH 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

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 Katedra Elektroniki AGH dwie fazy działania przetwornika: I – ładowanie pojemności do napięcia U ref 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

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

21 A/C bezpośredniego porównania Katedra Elektroniki AGH 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 R 1 = R/2 (zero= 1/2LSB 2.5 LSB 1.5 LSB 0.5 LSB

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

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

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

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

26 Kompensacyjne przetworniki A/C Katedra Elektroniki AGH Kompensacja wagowa krótki czas przetwarzania (nt c ) 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

27 Metody Czasowo- Częstotliwościowe

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

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

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

31 C/A Modulacja Szerokości Impulsu (ang. Pulse-Width Modulation - PWM) Katedra Elektroniki AGH wielkość cyfrowa przetwarzana na ciąg impulsów o stałej amplitudzie i o współczynniku wypełnienia proporcjonalnym do słowa cyfrowego relatywnie długi czas konwersji 2 N /f clk 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 U o = U ref D/2 N Przykład: Częstotliwość przetwornika f ADC =100kHz, N=16, f clk = 65MHz

32 Pulse-Width Modulation - PWM

33 Przetwornik D/A 1-bitowy przykład obrazu OryginałNieoptymalneOptymalne podobnie jak PWMDelta-Sigma

34 PWM a Sigma-Delta Wypełnienie= V in /V FS

35 Metoda częstotliwościowa Katedra Elektroniki AGH Delta sigma A/C

36 Delta-Sigma A/C c.d. wiki/Sigma_delta

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 log 2 (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 Technika cyfrowa Ernest Jamro, Agnieszka Dąbrowska Katedra Elektroniki, AGH."

Podobne prezentacje


Reklamy Google