Elektronika 2 9. Előadás
Digitális-analóg és analóg-digitális átalakítók Irodalom - Megyeri János: Analóg elektronika, Tankönyvkiadó, 1990 - U. Tiecze, Ch. Schenk: Analóg és digitális áramkörök, Műszaki Könyvkiadó, 1999 - Ron Mancini (szerk): Op Amps for Everyone, Texas Instruments, 2002
Folytonos mennyiségek numerikus reprezentációja Mind időben, mind értékkészletben diszkrét (kvantált). Időkvantum: a mintavételezési periódus. Értékkvantum: a legkisebb helyértékű számjegynek (bit) megfelelő elemi érték:
LSB: least significant bit UT: a reprezentált mérettartomány (kivezérlési tartomány); N: a reprezentációban szereplő számjegyek (kettes számrendszerben bitek) száma. ADC: analog-to-digital converter – analóg-digitális átalakító DAC: digital-to-analog converter – digitális-analóg átalakító
Digitális-analóg átalakítók Rezisztív feszültségosztó
2 bit-es rezisztív feszültségosztó
Egy precíziós referenciafeszültséget 2N1 részre oszt 2N1 darab, azonos értékű ellenállás, ahol N az átalakító felbontása (bit-számban megadva). A numerikus bemenetnek megfelelő értéket 2N darab kapcsoló egyike választja ki és vezeti a kimenetre. Fő hátránya a jó felbontáshoz szükséges nagyszámú ellenállás és kapcsoló.
Digitális-analóg átalakítók Súlyozott feszültségosztó
4 bit-es súlyozott feszültségosztó
Bitenként egy ellenállás és egy kétutas kapcsoló szükséges. A ME visszacsatoló ellenállását az ellenállás-hálózattal azonos chip-en kell kialakítani a hőkompenzáció eléréséhez. Fő hátránya a jó felbontáshoz szükséges nagyon széles ellenállás-értékskála. A ME erősítése bizonyos kimeneti értékeknél jelentősen alacsonyabb 1-nél.
Digitális-analóg átalakítók R/2R áramosztó hálózat
Digitális-analóg átalakítók 4 bit-es DA átalakító R/2R áramosztó hálózattal
Bitenként két ellenállás kell, de csak kétféle ellenállás kialakítása szükséges. A ME-vel szembeni követelmények: • alacsony bemeneti ofszet feszültség és áram (hibaforrások); • a maximális kimeneti feszültség legalább akkora kell legyen mint az átalakító kivezérlés-tartománya; • nagy kimeneti jelváltozási sebesség – a beállított feszültségérték változási sebességét biztosítani kell.
Digitális-analóg átalakítók Szigma-delta (impulzusszélesség-modulációs) DA átalakítók
Nagy mintavételezési frekvencia szükséges. Például: • audio CD lejátszók mintavételezési frekvenciája: 44.1 kHz; • Shannon tétele alapján a legnagyobb lejátszható frekvencia 22.05 kHz; • 23.05 kHz-es bemeneti összetevő 1 kHz-es kellemetlen sípolást eredményez (aliasing); • legalább 9 pólusú szűrő kell, amely a 22.05 kHz fölötti frekvenciákat elnyomja, a 20 kHz alattiakat áteressze (ezzel együtt, jellegzetesen természetellenes hangzás a vágási frekvencia közelében fellépő fázistolás és csillapítás miatt); • megoldás: oversampling – 8-szoros órajel-frekvencia (352.8 kHz), lényegesen egyszerűbb aluláteresztő szűrő, jobb hangzás, viszont RF zajforrás.
Digitális-analóg átalakítók jellemzői Felbontás: elemi feszültség (érték-kvantum).
Pontosság: a kimenőfeszültség eltérése a megadott numerikus értéktől. Javításának egyik módja jobb felbontású átalakító használata.
Digitális-analóg átalakítók jellemzői Ofszet hiba A karakterisztika 0 kódhoz tartozó értéke. A kivezérlési tartomány százalékában vagy LSB egységben szokás megadni.
Digitális-analóg átalakítók jellemzői Erősítési hiba A karakterisztikára illesztett egyenes és az ideális karakterisztika erősítésének eltérése.
Digitális-analóg átalakítók jellemzői Differenciális nemlinearitás (DNL) a valós karakterisztika egy lépcsője szélességének szórását jellemzi
Digitális-analóg átalakítók jellemzői Integrális nemlinearitás (INL) a valós és illesztett karakterisztika eltérésének maximális értékét mutatja LSB-ben
Digitális-analóg átalakítók jellemzői Konverziós idő (settling time) Glitch: tranziens, véletlenszerű hiba, dinamikus hazárd
Váltakozó áramú átalakítók hibái Torzítás THD : total harmonic distortion
Véges felbontásból származó része:
Váltakozó áramú átalakítók hibái
Váltakozó áramú átalakítók hibái • SNR (Signal to Noise Ratio): Jel-zaj viszony, a hasznos jel és a zaj teljesítményének aránya, dB-ben kifejezve. • SINAD (SIgnal to Noise And Distortion): a hasznos jel, valamint a zaj és torzítások (harmonikusok és intermodulációs komponensek) teljesítményének aránya. • ENOB (Effective Number Of Bits): effektív bitszám. Az ideális átalakító teljesítményét csak a kvantálási zaj rontja, a valós átalakító azonban egyéb zaj- és torzítási forrásokkal is rendelkezik, és ezek hatása bizonyos szempontból olyan, mintha az átalakítónak kisebb bitszáma lenne.
• SFDR (Spurious Free Dynamic Range): A konvertált jel legnagyobb teljesítményű zavarjel-komponensének teljesítménye, a hasznos jel arányában, dB-ben kifejezve
Analóg-digitális átalakítók Lépései: • Egyéb fizikai jelek átalakítása elektromos jellé • Analóg jel kondicionálása • Analóg jel mintavételezése • Minták kvantálása • Kódolás
Rezisztív szenzorok kiolvasása feszültségosztóval
áramforrással
Rezisztív szenzorok kiolvasása Wheatstone-híddal
Precíziós kétutas egyenirányító és szűrő, váltakozó áramú szenzorokhoz:
Jelkondícionálás
erősítés
szinteltolás
szinteltolás és erősítés
Közvetlen átalakítású ADC
2 bites ” Flash” párhuzamos ADC
Feszültség-idő átalakításon alapuló ADC
G1: kizáró VAGY kapu. Kimenete addig 1, amíg a fűrészfeszültség 0 és Ube között van. K1, K2 és G1: ablakkomparátor.
