Analóg-digitális átalakítás Rencz Márta/ Ress S. Elektronikus Eszközök Tanszék
Mai témák • Mintavételezés • A/D átalakítók – típusok
• D/A átalakítás
12/10/2007
2/17
A/D ill. D/A átalakítók A világ analóg, a jelfeldolgozás digitális a kapcsolattartáshoz A/D ill. D/A átalakításra van szükség
12/10/2007
3/17
A/D átalakítók Mintavételezés Egy analóg bemeneti jel diszkrét jelek sorozatává alakítható, ha t[i]=i×Tm egyenlő időközönként mintát veszünk a bemenetről. A kapott lépcsős függvény annál jobban közelítí az eredeti jelet, minél nagyobb a
U
mintavételi frekvencia, fm=1/Tm Shannon- tétel
t
Tm
ha a bemeneti jel spektruma (Fourier transzformáltja) fmax frekvencia felett nem tartalmaz érdemleges összetevőket, akkor
f m ≥ 2 f max 12/10/2007
4/17
A/D átalakítók A bemeneti feszültséget azzal arányos Z (bin.) számmá kell alakítani.
U be Z= U LSB ULSB a 0. bithez, azaz a Z=1 hez tartozó feszültség N bites számábrázolásnál : Uref ill.Umax a 2N-1 értékhez tartozó feszültség
12/10/2007
5/17
A/D átalakítók pontossága Statikus hibák kvantálási hiba: szisztematikus hiba, értéke ±ULSB/2.
Linearitás hibák: egyes lépcsők abszolút értékben eltérnek az ULSB-tõl.
Offset hiba, stb. 12/10/2007
6/17
A/D átalakítók Az A/D átalakítás folyamatábrája
Ube
Anti aliasing szűrő
Mintavevő és tartó
Z A/D átalakító
Anti aliasing szűrő: aluláteresztő szűrő, feladata a jelből eltávolítani az esetlegesen jelenlévő maximális frekvencia feletti komponenseket. 7/17
A/D átalakítók Mintavevő és tartó (Sample & Hold, S&H) Bekapcsolt állapotban a kimeneti feszültség követi a bemeneti jel feszültségét. Kikapcsoláskor tartja a feszültséget addig, amíg az A/D átalakító elvégzi az átalakítást
A tároló (tartó) funkciót a C kondenzátor látja el. A K kapcsoló zárásakor a kondenzátor Ube feszültségre töltődik. A kapcsoló nyitásakor a kondenzátor feszültsége Ube , amit minél tovább meg kell őriznie ezért egy feszültség-követő van utána kapcsolva, ami leválasztja a terhelést.
A/D átalakítók főbb típusai FLASH konverter A referencia feszültséget egy feszültségosztó ellenállás lánccal egyenlő közökre osztjuk. A bemenő feszültséget komparátorokkal (kimenete logikai szint, attól függően, hogy Up>Uin) hasonlítjuk össze a felosztott referencia feszültségekkel. A komparátorok kimenete egy ún. thermometrikus kód, ezt binárissá kell transzformálni.
12/10/2007
N bites felbontáshoz 2N-1 komparátor kell komplexitás, chip terület, túl nagy fogyasztás…, flash konverter max. 8-9 bites felbontással készül.
9/17
A/D átalakítók főbb típusai 2 lépéses (kaszkád) flash Φs
Φ1
Vin
S&H
ADC
Φ2 m bit
DAC
Φ3
Σ
K
ADC alsó n bit
Vref
Vref
K/2mVref
felső m bit
Első lépésben átalakítjuk a felső biteket, majd ezt egy D/A konverterrel visszaalakítjuk és kivonjuk a bemenetről. A maradékot a másik konverterrel digitalizáljuk. A felbontás N=m+n bit, az átalakítás ideje kb. t(A/D)+t(D/A)+t(kivonás)+t(A/D)
A komparátorok száma: 2n+m -1 helyett 2m+2n-2
10/17
A/D átalakítók főbb típusai n lépéses (kaszkád) flash Az átalakítás kezdetekor a legfelső bit 1, a többi 0. A D/A átalakítóval visszaalakított feszültséget összehasonlítjuk a bemenő jellel, ha nagyobb, a bitet töröljük. Ezt minden bitre sorban elvégezzük.
átalakítási idő: N x Tstep közepes sebesség 12/10/2007
11/17
A/D átalakítók főbb típusai Követő (tracking) A/D +
Ube
U/D
-
UZ
Számláló
DAC Vref
órajel Z
A komparátor összehasonlítja a bemeneti feszültséget az U(Z) kompenzáló feszültséggel. A különbség előjelétől függően felfelé vagy lefelé lépteti a számlálót. A kompenzáló feszültség ULSB lépésenként változik. Alkalmazás: lassan változó jelek digitalizálására 12/10/2007
12/17
D/A átalakítás A Z számot ezzel arányos feszültséggé vagy árammá alakítja. Uki=ULSB * Z A D/A átalakítás folyamata Z D/A átalakító
Mintavevő és tartó
Aluláteresztő szűrő
Uki
128 217 255 217 128 38 1 38 127 217 255 217 128 38 1 38
12/10/2007
13/17
D/A átalakítók hibái Statikus hibák Linearitás hiba. Ha a linearitás hibája az 1/2 ULSB-t túllépi, akkor a szolgáltatott függvény nem lesz monoton
Dinamikus hibák glitch: nagyszámú kapcsoló elem van a D/A átalakítókban. Amikor a kódban sok bit változik egyszerre, pl. 2 n - 2 n -1 váltás, tüskék kerülnek a kimenetre. A tüskék hatását a kimeneten egy mintavevő és tartó áramkörrel lehet kiküszöbölni
12/10/2007
D/A átalakítók megvalósítása Párhuzamos (direkt átalakítás) A referencia feszültséget egy ellenállás lánccal osztjuk. Az analóg kapcsolókon keresztül az átalakítandó számnak megfelelő érték kerül a kimenetre (analóg multiplexer)
15/17
D/A átalakítók megvalósítása R
Létrahálózat Vref/2
Vref/4
Vref/8
Egy „lépcsőfok” bemeneti ellenállása R. Így az egyes csomópontokon rendre Uref/2, Uref/4 stb. jelenik meg. Ezeket a feszültségeket egy összegző műveleti erősítős kapcsolással összegzik a bitek függvényében. Előnye: IC-kben pontos ellenállások nehezen valósíthatóak meg, viszont megfelelő relatív pontosság érhető el. Csak R ellenállásokat tartalmaz (a 2R ellenállás helyettesíthető 2db R ellenállással) 16/17
D/A átalakítók megvalósítása Kapcsolt áramok
Áramarányt viszonylag pontosan be lehet állítani. A kimenetre az áramok megfelelõ összegét kapcsoljuk.
12/10/2007
17/17
