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
Mintavételezés A/D átalakítók Egy analóg bemeneti jel diszkrét jelek sorozatává alakítható, ha t[i]=i T m egyenlő időközönként mintát veszünk a bemenetről. A kapott lépcsős függvény annál jobban közelítí az eredeti jelet, minél nagyobb a mintavételi frekvencia, f m =1/T m U Shannon- tétel T m t ha a bemeneti jel spektruma (Fourier transzformáltja ) f max 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. Z = U U be LSB U LSB a 0. bithez, azaz a Z=1 hez tartozó feszültség N bites számábrázolásnál : U ref ill.u max a 2 N -1 értékhez tartozó feszültség 12/10/2007 5/17
A/D átalakítók pontossága Statikus hibák kvantálási hiba: szisztematikus hiba, értéke ±U LSB /2. Linearitás hibák: egyes lépcsők abszolút értékben eltérnek az U LSB -tõl. Offset hiba, stb. 12/10/2007 6/17
A/D átalakítók Az A/D átalakítás folyamatábrája U be Anti aliasing szűrő Mintavevő és tartó A/D átalakító Z 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 U be feszültségre töltődik. A kapcsoló nyitásakor a kondenzátor feszültsége U be, 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 U p >U in ) hasonlítjuk össze a felosztott referencia feszültségekkel. A komparátorok kimenete egy ún. thermometrikus kód, ezt binárissá kell transzformálni. N bites felbontáshoz 2 N -1 komparátor kell komplexitás, chip terület, túl nagy fogyasztás, flash konverter max. 8-9 bites felbontással készül. 12/10/2007 9/17
A/D átalakítók főbb típusai 2 lépéses (kaszkád) flash Φ s Φ 1 Φ 2 Φ 3 V in S&H ADC m bit DAC Σ K ADC alsó n bit V ref V ref K/2 m V ref 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: 2 n+m -1 helyett 2 m +2 n -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 T step közepes sebesség 12/10/2007 11/17
Követő (tracking) A/D A/D átalakítók főbb típusai U be + - U/D Számláló U Z DAC órajel V ref 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 U LSB lépésenként változik. Alkalmazás: lassan változó jelek digitalizálására 12/10/2007 12/17
D/A átalakítás A Z számot ezzel arányos feszültséggé vagy árammá alakítja. U ki =U LSB * Z A D/A átalakítás folyamata 128 217 255 217 128 38 1 38 127 217 255 217 128 38 1 38 Z D/A átalakító Mintavevő és tartó Aluláteresztő szűrő U ki 12/10/2007 13/17
Statikus hibák D/A átalakítók hibái Linearitás hiba. Ha a linearitás hibája az 1/2 U LSB -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
Létrahálózat D/A átalakítók megvalósítása V ref /2 V ref /4 V ref /8 R Egy lépcsőfok bemeneti ellenállása R. Így az egyes csomópontokon rendre U ref /2, U ref /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
Kapcsolt áramok D/A átalakítók megvalósítása Áramarányt viszonylag pontosan be lehet állítani. A kimenetre az áramok megfelelõ összegét kapcsoljuk. 12/10/2007 17/17