Elektronik. Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-

Transkript

1

2 Analogt och Digital Viktor Öwall Bertil Larsson

3 Analoga och Digitala Signaler Analogt Digitalt t

4 Analogt kontra Digitalt Analogt få komponenter låg effektförbrukning höga frekvenser verkliga signaler Digitalt Hög precision Komplexare algoritmer Lagringskapacitet CD/DVD/Bluay, MP3, GSM, Digitalkamera, datorer, etc.

5 Storage Digital AD-Conversion Amplification Filtering Processing Processing DA-Conversion Amplification Filtering Analog

6 De- Coder adiosändare Coder Digitalt Digitalt FFT FFT SYNC AD/DA i adio Gränssnitt Analogt/Digitalt DA DA AD AD LO LO j j Analog F Analog F Trenden idag är att flytta Analog/Digital gränsnittet så nära antennen som möjligt. adiomottagare

7 Binära Talsystemet MSB = Most Significant Bit N bitar 2 N ord (0) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) LSB = Least Significant Bit Minsta förändringen V fs = V full scale = 1LSB*2 N (Med denna definition kan inte V fs nås) V outmax = V LSB (2 N -1)

8 Digitala Signaler 111 Kontinuerlig Analog signal Kvantisering = Begränsat antal nivåer = Diskret Amplitud Samplad Signal = Diskret tid t Digital Signal = Diskret tid och amplitud

9 Dynamik och Upplösning Antal Antal Upplösning Dynamik bitar Intervall V fs =0.5V V 24dB mv 48dB mv 72dB mv 96dB nv 144dB

10 Kvantiseringsfel Nivå X+1 Nivå X+1 Nivå X Nivå X Trunkering Alla värden mellan två nivåer approximeras åt samma håll Maximalt fel = 1LSB Avrundning Värden approximeras antingen upp eller ner Maximalt fel = 1/2 LSB

11 Nyquists Samplingsteorem Om man samplar en analog signal med en bandbredd, BW signal, med en samplingsfrekvens f 2BW sample signal kan den analoga signalen återskapas. f 2BW sample signal BW signal Mer om detta i Digital Signalbehandling f

12 Vikning vid fs < 2fb

13 Nyquists Samplingsteorem - Audio Det mänskliga örat har en bandbredd 20Hz-20kHz, om f 2 20kHz 40kHz sample kan den analoga signalen återskapas. f 40 khz sample 20kHz f

14 Sampling f s > 2f signal

15 Sampling f s < 2f signal

16 Signalerna kan förväxlas - vikning

17 Exempel: Digitalt ljud, CD/DVD Studio AD-conv. Storage- CD Coding for error correction ead CD Error correcting decoding DA-conv. Home Amplification Filtering Amplification Filtering

18 CD kontra DVD audioformat Specification CD Audio DVD Audio Sampling ate 44.1 khz 96/192 khz Sampling Accuracy 16-bit 24-bit Number of Possible Output Levels 65,536 16,777,216

19 Sample & Hold

20 Sample & Hold Under AD-omvandlingen får inte det analoga värdet ändras Sample & Hold krets Acquisition time = tid för utsignalen att följa insignalen när man går från HOLD till SAMPLE sample hold sample hold sample t

21 Sample & Hold Spara ett analogtvärde Kondensator f sample L Droop rate = Kondensatorn laddas ur sample hold sample hold t

22 Sample & Hold med Buffer f sample Hög in L Liten ström t

23 Sample & Hold med Buffer f sample L Buffert för att inte lasta insignalkällan

24 Fel vid S&H

25 Digital till Analog omvandling

26 Princip för DA-omvandling

27 Digital till Analog Konvertering V ref msb 2 f Inverterande OP-koppling = Summatorn V out lsb 2 N-1 V out f V ref

28 Digital till Analog Konvertering V ref msb 2 f Inverterande OP-koppling = Summatorn V out lsb 2 N-1 V out f 2 V ref

29 Digital till Analog Konvertering V ref msb 2 f Inverterande OP-koppling = Summatorn V out lsb 2 N-1 V f out 2 N 1 V ref

30 Digital till Analog Konvertering V ref msb 2 f Inverterande OP-koppling = Summatorn V out lsb 2 N-1 Digitalt ord styr switcharna V out msb f f f msb 1 lsb Vref 2 N 1 2

31 Digital till Analog Konvertering msb f V ref 2 lsb 2 N-1 V out Om 16 bitar N lsb Svårt med så stora motståndsvärden! Litet antal bitar med relativt låga krav.

32 DA-omvandling - /2 Stege V ref Börja analys från detta hållet msb lsb f V out Varje gren en inverterande OP-koppling

33 DA-omvandling - /2 Stege 2 2 Parallellkoppling av motstånd tot 1 2 N

34 DA-omvandling - /2 Stege 2 V V V Spänningshalvering i varje steg V V 2

35 DA-omvandling - /2 Stege V ref V ref 2 ( 1) V 2 N ref 2 V ref msb lsb f V out Matchade motstånd Ej större än 2

36 Analog till Digital omvandlare

37 Analog till Digital omvandling Filtrerad analog signal Samplad signal Analog In Lågpassfilter Sample & Hold A/D omvandling Digital ut Antivikningsfilter Klocksignal

38 3/2 /2 V fs Flash-omvandlare Analog Sample D E C O D E 2 N-1 Komparatorer Digitala Utgångar Snabb men kräver mycket hårdvara Antal Komp. 8 bitar = bitar =

39 Succesivapproximation V IN X LSB DAC Fyra Bitar V fs V IN X MSB egister StyrLogik Binär Sökning Förslag Alltid samma Omvandlingstid N bitar N jämförelser Test OK NEJ NEJ OK Utvärde

40 Integrerande Omvandlare, Dual Slope Analog In C Clock -V ef Komparator Control 1. Kondensatorn laddas upp med Analog IN medan räknaren går till max 2. Kondensatorn laddas ur med V ref, räknarvärdet vid omslag mått på analoga spänningen Counter Digitalt UT

41 Integrerande Omvandlare, Dual Slope Analog In C Clock T2 T 1 -V ef V V in ref Utsignalen är beroende av både upp- och urladdning men EJ av C och. Komparator Control Counter Digitalt UT Ej känslig för drift i klockfrekvens och variationer i och C

42 Kort om DS-omvandlare Bygger på att vi översamplar signalen och får en bitström med betydligt högre takt än vår Nyqvist-samplingstakt. Därefter filtreras och decimeras (minskas) sampeltakten och vi får ut digitala ord med hög upplösning. Antalet bitar beror på översamplingen. Analog in S Integrator Klocka Kvantisering Digital bitström, f=f(v) Filtrering och Decimering Digital ut DS-modulatorn Digital ord i lägre takt

43 #bits Hastighet och antal bitar 1 nivå / T clk DELTA SIGMA CONVETES 1 ord / (OS T clk ) 1 bit / T clk 10 SUCCESSIVE APPOXIMATION ALGOITHMIC 1 ord / T clk 5 FLASH 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G f S OS = Over Sampling rate Original från Piero Andreani

44 AD- och DA-omvandling Överföringen skall vara linjär dvs. y = k*x där k är konstant, y är den digitala och x är den analoga signalen En verklig omvandlare har fel i överföringen: y = k(x)*x + m där k(x) varierar och m är nollfel VLSB Digital Signal Analog Signal Vfs

45 Fel i AD-omvandling Digital Signal 111 Skalfaktorfel Metod: Korrigera förstärkningen VLSB V fs Analog Signal

46 Felkällor i AD- och DA-omvandling Digital Signal 111 Offsetfel Metod: Addera likspänning VLSB V fs Analog Signal

47 Felkällor i AD- och DA-omvandling Digital Signal 111 Linäritetsfel 001 Metod: Svårt! Bästa passning Ev. Korrigera efter tabell VLSB V fs Analog Signal

48 Fel i DA-omvandling Digital Signal 111 DA-omvandling är i teorin en entydig operation 001 Fel pga brus, toleranser och noggrannhet i: Vref, komponenter, OPförstärkare VLSB V fs Analog Signal

49

50 Andra AD-omvandlare (kursivt) äknarebaserade

51 äknarbaserad AD-omvandlare V IN X LSB DAC Komparator jämför det DAomvandlade värdet med insignalen X MSB Klar äknare Två-typer: Trappstegs- och Följande-omvandlare

52 Trappstegsomvandlare V IN DAC V IN Klar X LSB X MSB äknare Klar/ Nollställning Klar Omvandlingstid beror på Insignalsnivån

53 Följandeomvandlare V IN DAC V IN X LSB X MSB äknare UPP/NE Klar Utsignalen följer Insignalen Snabbare än Trappstegs

54 Följandeomvandlare V IN X LSB DAC Insignalen varierar för snabbt V IN X MSB äknare UPP/NE Klar äknaren begränsas av en bit per klockcykel

55 -V ef Integrerande Omvandlare, Single Slope eset C Clock 1 ( Vref ) dt C V IN V t C t ref vio 0 Stopp Analog In Komparator Counter Digitalt UT Samplad Signal

56 -V ef Integrerande Omvandlare, Single Slope Analog In eset C v io Komparator 1 C Clock t 0 ( V ref ) dt V ref C Oladdad Kondensator. Kondensatorn laddas tills komparaton slår om. äknarvärdet mått på tid som är proportionellt mot spänningen. t Counter Digitalt UT Problem: Komponentpassning Drift