A ÁTALAKÍTÓK

Elektronika 2.

A/D és D/A átalakítók

A/D ÉS D/A ÁTALAKÍTÓK 1. DAC egységek A D/A átalakító egységekben elvileg elkülöníthető egy D/A dekódoló rész és egy tartó rész: A D/A dekódoló diszkrét időpontokban a digitális értékéknek megfelelő amplitúdók sorozatát szolgáltatja A tartó részegység az amplitúdók sorozatából időben és amplitúdóban folytonos jelet állít elő. A megvalósított D/A dekódolók általában egy nulladrendű tartó funkcióját is ellátják, feltéve, hogy a D/A dekódoló bemenetére megfelelő ütemezéssel érkezik a digitális jel, vagy a dekódoló bemenetén megfelelő regiszter található. A nulladrendű tartó a kimenetén lépcsőformájú jelet szolgáltat. Ha a kielégítő jelvisszaállításhoz ennél jobb áramkörre van szükség, külön áramkört használnak. Ilyen pl. az elsőrendű tartó, mely valamivel lassabb működésű.

Manapság szinte kivétel nélkül integrált áramköri D/A átalakítókat alkalmaznak. Egy integrált DAC a következőket tartalmazza: - D/A átalakító - referenciaforrás - bemeneti regiszterek - buszillesztő áramkörök - kimeneti erősítő

-1-

Elektronika 2.


Jellemzők: Szorzó típusú D/A: u ki = S DA ⋅ D , ahol SDA az átalakító érzékenysége, D a bemenő digitális érték. Ur referenciafeszültség esetén S DA = U r ⋅ S MDA ⇒ u ki = U r ⋅ S MDA ⋅ D Analóg jeltartomány: a D/A átkódolók alapvetően unipoláris kimenetűek (0…MAX). A kimenet feszültség vagy áram lehet, áram-kimenet esetén gyorsabb az átalakító működése. Áram-kimenetből feszültség-kimenetet áram-feszültség átalakítóval nyerhetünk:

Digitális bemenő jel: kódolása bináris vagy BCD. A számok ábrázolása háromféle lehet: abszolutérték előjellel, eltolt nullpontú ábrázolás vagy kettes komplemens. A bevitel soros ill. párhuzamos lehet (a párhuzamos bevitel nagyobb sebességet eredményez). Átalakítási karakterisztika:

Átalakítás során keletkező hibák: - linearitási hiba: a tényleges átalakítási karakterisztika maximális eltérése a referenciaegyenestől - differenciális linearitási hiba: az átalakítási karakterisztika meredekségének legnagyobb eltérése a referenciaegyenes meredekségétől - erősítési hiba: az ideális és a tényleges átviteli karakterisztika kezdeti és végpontjait összekötő egyenesek meredekségének különbsége - nullahiba: a bemenő jel azon értéke, melynek hatására az átalakító a nulla digitális értéket adja (ofszet) - beállási idő: az új digitális érték ráadásától az új analóg kimeneti értékhez adott hibasávon belüli beállásig eltelt idő - átkapcsolási tranziens: az új értékre történő beállás közben a kimeneten nagy tranziens jelentkezhet, melynek amplitúdója lényegesen meghaladhatja a régi és az új érték közti különbséget. Ilyen tranziens pl. az alul- és felüllövés vagy a túllövés. A legnagyobb tranziensek a legnagyobb helyiértékű bitek változásakor szoktak keletkezni.

-2-

Elektronika 2.


Híradástechnikai alkalmazás jellemzői: - harmonikus torzítás - intermodulációs torzítás - Sparious Free Dinamic Range (SFDR) - Noise Power Ratio (NPR) - fáziszaj

• Szintkiválasztós D/A Egy sokelemes feszültségosztó egyidejűleg előállítja az átalakító összes lehetséges kimenő feszültségét, majd az ezt követő analóg multiplexer a pillanatnyi digitális bemenő jelnek megfelelő feszültségszintet kapcsolja a kimenetre.

- n bites átalakításhoz 2n ellenállás és ugyanennyi kapcsoló szükséges - gyors átalakítás - bonyolult áramkör, magas ár

-3-

Elektronika 2.


• Súlyozó hálózatos D/A - súlyozott referencia alkalmazása (akár feszültség, akár áram) - a bináris helyi értékeknek megfelelően súlyozva előállítható az analóg kimenő jel

- súlyozott összegző:

- súlyozó hálózat megvalósítása: R-2R létra (bármely pontban betekintve az eredő ellenállás 2R)

1 U i = U i +1 2

-4-

Elektronika 2.


• Létrahálós feszültségátalakítós D/A

R Ur 2 1 = = Ur 3R 3 3 2 (ahol ½ a súlyozó faktor) U A = Ur

A megvalósításhoz kis belső ellenállású feszültséggenerátor szükséges!

• Létrahálós áramátkapcsolós D/A

U A = − I A ⋅ RV

és

IA = D ⋅ IR

D = a1 ⋅ 2 −1 + a 2 ⋅ 2 − 2 + ... U A = − D ⋅ I R ⋅ RV - Integrált kivitelben RV-t is integrálni kell! (erősítőt nem) - 8-16 bites átalakítás - 30..300 ns beállási idő

-5-

Elektronika 2.


• Súlyozott ellenállás hálózatos D/A

n

I A = I R ∑ a i 2 −i i −1

és

IR =

Ur ahol ai az egyes kapcsolók állása R

- kapcsolók: CMOS (egyszerű) - nagyobb sebesség - nagyobb precizitás - sokféle, nagy ellenállások (hátrány!) - 6-8 bites felbontás

• Közvetett D/A átalakító (PWM – Pulse Width Modulation)

Működés menete: 1. A digitális adat a számlálóba kerül 2. Órajellel megindul a visszaszámlálás 3. Ha a regiszter tartalma nullára csökken, a kapcsoló földre kapcsolódik 4. A kapcsoló így addig tartja a referenciafeszültséget, míg a regiszter tartalma nem zérus. 5. T=1/fs idő múlva érkezik az újabb órajel, ekkor új digitális érték kerül a számlálóba.

-6-

Elektronika 2.

U XAV = U R


TX D 1 =UR T fC T

és T = N ⋅ TC =

N fC

⇓ UA =UR

D fC D =UR fC N N

- UA tehát fC-től független - nem gyors; nem jó felbontás

2. ADC egységek Analóg-digitális átalakítás során amplitúdóban és időben folytonos jelből amplitúdóban és időben egyaránt diszkrét jelet állítunk elő. A folyamat lépései: 1. Adott a folytonos jel 2. Időbeli diszkretizálás (mintavevő-tartó) – MINTAVÉTELEZÉS 3. Amplitúdó diszkretizálása (A/D átkódoló) – KVANTÁLÁS (viszonyítás referenciához)

• Többcsatornás A/D átalakító Blokkvázlat:

A kondícionáló áramkört a külső körülmények kiiktatására használjuk. Ilyen áramkör lehet pl. egy áramerősítő (IA). Analóg multiplexer: A sok jelbemenet közül az egyiket kapcsolja a kimenetre. Nem elhanyagolható a kapcsolók közötti áthallás, ezért az átkapcsolás ütemezésére figyelni kell. Kapcsolás megvalósítható pl. MOS tranzisztorral. -7-

Elektronika 2.


Szimmetrikus MUX: kétszer annyi kapcsolóelem szükséges, mint az aszimmetrikushoz, de a jelátvitel így kevésbé lesz érzékeny a zavarokra.

Mintavevő-tartó egység: Az áramkört az S/H (sample/hold) bemenetre adott logikai jel vezérli. Ha a vezérlés a kapcsolót zárt állapotban tartja, akkor a Ch kondenzátor feszültsége megegyezik a bemenő feszültséggel, és az erősítő kimenete követi a kondenzátor ill. a bemenet feszültségét. Ez a követő (track, sample) üzemállapot. Ha a vezérlés megszakítja a K kapcsolót, a Ch tartókondenzátor megtartja a kapcsoló megszakítási pillanatának (a mintavétel pillanatának) feszültségét, és ez a feszültség lesz az áramkör kimenetén is. Ez a tartó (hold) üzemállapot. A mintavevő-tartó áramkörben jelentkező hibák: - apertura delay (tad, mintavételi késés): a vezérlő bemenet megváltozásától a mintavétel megtörténtéig eltelt idő (20…500 ns) - acquisition time (taq, beállási idő): az az idő, ami ahhoz szükséges, hogy az áramkör kimenete adott hibán belül ( pl. ±0,1 %) elérje a bemeneti feszültséget. (20 ns…10µs) - hold step (Umq, töltésofszet): a kapcsoló vezérlő bemenetére adott ugrásjel a Cs szórt kapacitáson keresztül ∆q töltést visz be a tartókondenzátorba, ez ∆q/Ch nagyságú hibát okoz. - drop (esés): A valódi kapcsoló visszárama és a követő erősítő bemenő ellenállása lassan megváltoztatja a tartókondenzátor feszültségét, ez okozza a mintavett jel esését.

-8-

Elektronika 2.


Komparátor áramkörök: a bemeneteire adott két analóg jel értékét hasonlítják össze, a kimenet logikai állapota az összehasonlítás eredményétől függően 0 vagy 1. A/D átalakításnál az összehasonlítás referenciafeszültséggel történik. Egyszerű komparátor:

Hiszterézises komparátor: komparálási feszültsége a kimenet logikai állapotától függ. Lassan változó vagy zajos jelek komparálásánál érdemes használni.

•

Flash A/D:

6-8 bites átalakításra használják, nagyobb bitszám esetén már túl sok komparátort kellene alkalmazni. Az áramkör gyors átalakító, átalakítási ideje kb. 10 ns.

-9-

Elektronika 2.


D/A átalakítók (összefoglalás) N

Uki D/A Iki

n bit

Uref

A kimenet lehet feszültség vagy áram. Ha áram, akkor átalakítható feszültséggé. A D/A átalakító kimeneti feszültsége a következő alakban írható: n

U ki = U ref ∑ 2 −i a i

, ahol ai 0 vagy 1

i=0

A bemenő szám (N) lehet bináris vagy BCD, a kimenet unipoláris (0…1) vagy bipoláris. Az átalakító transzfer karakterisztikája: unipoláris kimenet esetén: bipoláris kimenet esetén: Uki

Uki

N

N teljes skála kitérés: UFSD

U FSD = U ref (2 −1 + 2 −2 + ... + 2 − n ) = U ref (1 − 2 − n ) nem a teljes referencia, hanem egy kicsit (LSB-vel) kevesebb Realizációk: - R – 2R létra - súlyozott ellenállás hálózat:

probléma: kapcsoló megvalósítása (τ = RC sok idő)

- 10 -

Elektronika 2.


áramkapcsolókkal:

ECL (emitter csatolt logika) nem telítéses (differenciálerősítő miatt) 4 db-osak vannak, két ilyen között egy 16-os áramosztó van

A/D átalakítók (összefoglalás) N

Ube A/D

Uref

- Flash (direkt) A/D: - n bithez 2n – 1 db komparátor kell (sok) Ube

komparátorok (párhuzamosan)

részletesebben:

dekóder 2n-1 vezeték

- dekóder: kiválasztja, hogy melyik vezeték - gyorsak (műveleti erősítők miatt) - 11 -

N (bináris)

Elektronika 2.


- felhasználása: digitális videójeleknél (ahol a sávszélesség: 5 – 6 Mhz) jelfeldolgozás - megvalósítás: CMOS-al - manapság 14-bites flash átalakítók is vannak - D/A-t tartalmazó A/D átalakító:

- legegyszerűbb logika: számláló: 0-ról indul, addig megy, míg a komparátor billen másik: középről induló, előre-hátra számláló számláló ezek hátránya: lassú előnye: primitív - gyorsabb logika: SAR (sukcesszív approximáció) pl.: D/A: 8 bit, Uref = 10 V Ube = 4,5 V Kérdés: mi az első 4 bit? vastag: megelőlegezi Megoldás: 1 0 0 0 Uref N 1100 aláhúzva: megmarad 1010… - 2-5-10 ms alatt 10-12 bit - D/A karakterisztikája, hibái:

nemlinearitási hiba erősítési hiba

offszet

- 12 -

Elektronika 2.


- D/A-t nem tartalmazó A/D: (feszültség – idő konverter) K↓

hány db órajel (időmérés) U

- analóg módon állítjuk elő a fűrészjelet (nem kell a D/A) - hátránya: kondenzátor sok mindentől függ (pl. hőmérséklet) - Kétszeresen integráló A/D (dual slope):

Uint

Ube1 < Ube2

Ube1

T1

t 3

Ube2 1

t1

2 t2

T1 = állandó

- kapcsoló 1-es (felső) állásban: integrálja a bemenetet - kapcsoló 2-es állásban (vízszintes): integrálja a referenciát (konstans meredekségű kisülés) addig, amíg a komparátor billen - kapcsoló 3-as (alsó) állásban: offszetkiegyenlítés (bemenet = föld; megméri, hogy T1 alatt mekkora feszültség van a kimeneten, és ezt negatív előjellel a bemenetre teszi)

- 13 -

Elektronika 2.


+ bemeneten egy változtatható feszültség generátor

- azért kettős integrálású, mert integrálja a bemenetet és a referenciát is - általában a hálózati feszültség (50 Hz) periódusidejének (20 ms) egész számú többszöröse a T1 idő - a referencia pontossága meghatározza a rendszer pontosságát - az átalakító a bemenő feszültséget időaránnyá konvertálja - feszültség – frekvencia átalakítás: - meszire elvihető a frekvencia - zavarokra érzéketlenebb (kiintegrálható belőle a zaj)

- 14 -

A ÁTALAKÍTÓK

Recommend Documents