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 FSR – Zakres pomiarowy (V max -V min ) - Full Scale Range N- liczba bitów przetwornika (resolution) Przykład: V FSR =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 (przebieg piłokształtny) Sinusoida – pełny zakres pomiarowy: wartość skuteczna równa się

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

6 Układy próbkująco-pamiętające (ang. sample & hold) 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 Range - FSR) 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 lub zerowej 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 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 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 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

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 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

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

18 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

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 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

22 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

23 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 częstotliwość: 10MHz-100GHz komparatory ograniczają szybkość i dokładność przetwarzania wzrost poboru mocy (0,1-10W) R 1 = R/2 (zero= 1/2LSB 2.5 LSB 1.5 LSB 0.5 LSB

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

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

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

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

28 Kompensacyjne przetworniki A/C Katedra Elektroniki AGH Kompensacja wagowa ang. Successive Aproximation Register (SAR) 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 notes/index.mvp/id/1080 e_approximation_ADC

29 Metody Czasowo- Częstotliwościowe Katedra Elektroniki AGH

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

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

32 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 =1kHz, N=16, f clk = 2 16 *1kHz= 65MHz

33 Pulse-Width Modulation - PWM

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

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

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

37 Katedra Elektroniki AGH Delta sigma A/C

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 Nynquista. N= ½ log 2 (n) lub n= 2 2 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)

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)


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

Podobne prezentacje


Reklamy Google