A/D ÉS D/A ÁTALAKÍTÓK

Átírás

1 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 -

2 Jellemzők: Szorzó típusú D/A: digitális érték. r referenciafeszültség esetén u ki = S D, ahol S DA az átalakító érzékenysége, D a bemenő DA S S u 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: DA r MDA ki r S MDA D 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

3 Híradástechnikai alkalmazás jellemzői: - harmonikus torzítás - intermodulációs torzítás - Sparious Free Dinamic ange (SFD) - Noise Power atio (NP) - 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 2 n ellenállás és ugyanennyi kapcsoló szükséges - gyors átalakítás - bonyolult áramkör, magas ár - 3 -

4 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: -2 létra (bármely pontban betekintve az eredő ellenállás 2) i 1 2 i

5 Létrahálós feszültségátalakítós D/A r 2 A r = r (ahol ½ a súlyozó faktor) A megvalósításhoz kis belső ellenállású feszültséggenerátor szükséges! 1 2 Létrahálós áramátkapcsolós D/A A A = I A D = a = D I V + a 2 V és 2 2 I A +... = D I - Integrált kivitelben V -t is integrálni kell! (erősítőt nem) bites átalakítás ns beállási idő - 5 -

6 Súlyozott ellenállás hálózatos D/A I n i r = I ai 2 és I ahol a i az egyes kapcsolók állása A = i 1 - kapcsolók: CMOS (egyszerű) - nagyobb sebesség - nagyobb precizitás - sokféle, nagy ellenállások (hátrány!) 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/f s idő múlva érkezik az újabb órajel, ekkor új digitális érték kerül a számlálóba

7 XAV A T D f C X T f N C D f C D N 1 T és T = N T C = N f C - A tehát f C -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

8 Szimmetrikus MX: 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 C h 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 C h 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 (t ad, mintavételi késés): a vezérlő bemenet megváltozásától a mintavétel megtörténtéig eltelt idő ( ns) - acquisition time (t aq, 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 ( mq, töltésofszet): a kapcsoló vezérlő bemenetére adott ugrásjel a C s szórt kapacitáson keresztül q töltést visz be a tartókondenzátorba, ez q/c h 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

9 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

10 D/A átalakítók (összefoglalás) N n bit D/A ki I ki ref A kimenet lehet feszültség vagy áram. Ha áram, akkor átalakítható feszültséggé. A D/A átalakító kimeneti feszültsége a következő alakban írható: ki n i ref 2 ai, ahol a i 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: ki ki N N teljes skála kitérés: FSD FSD 1 2 n n ( ) (1 2 ) nem a teljes referencia, hanem egy kicsit ref (LSB-vel) kevesebb ealizációk: - 2 létra - súlyozott ellenállás hálózat: ref probléma: kapcsoló megvalósítása (τ = C sok idő)

11 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) be A/D N ref - Flash (direkt) A/D: - n bithez 2 n 1 db komparátor kell (sok) be részletesebben: komparátorok (párhuzamosan) 2 n -1 vezeték dekóder N (bináris) - dekóder: kiválasztja, hogy melyik vezeték - gyorsak (műveleti erősítők miatt)

12 - 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: SA (sukcesszív approximáció) pl.: D/A: 8 bit, ref = 10 V be = 4,5 V Kérdés: mi az első 4 bit? ref Megoldás: vastag: megelőlegezi N aláhúzva: megmarad ms alatt bit - D/A karakterisztikája, hibái: nemlinearitási hiba erősítési hiba offszet

13 - D/A-t nem tartalmazó A/D: (feszültség idő konverter) K hány db órajel (időmérés) - analóg módon állítjuk elő a fűrészjelet (nem kell a D/A) - hátránya: kondenzátor sok mindentől függ (pl. hőmérséklet) - Kétszeresen integráló A/D (dual slope): int be1 < be2 T 1 t be1 3 be2 1 t 1 2 t 2 T 1 = 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 T 1 alatt mekkora feszültség van a kimeneten, és ezt negatív előjellel a bemenetre teszi)

14 + 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 T 1 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)