AD-/DA-omvandlare. Digitala signaler, Sampling och Sample-Hold

Transkript

1 AD-/DA-omvandlare Digitala signaler, Sampling och Sample-Hold

2 Analoga och Digitala Signaler Analogt Digitalt t

3 Analogt - Digitalt Analogt få komponenter låg effektförbrukning verkliga signaler Digitalt Hög precision Komplexare algoritmer Lagringskapacitet CD/DVD, MP3, Digitalkamera, GSM, datorer, etc, etc

4 Lagring Digital Signalbehandling AD-omvandling Signalbehandling DA-omvandling Förstärkning Filtrering Förstärkning Filtrering Analog

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

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

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

8 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

9 Kvantiseringsfel U 1 = 2:4 V Om vi har 2 spänningar och som summeras i en summator-krets U ut = U 1 + U 2 = 2:4 + 2:4 = 4:8 U 2 = 2:4 V Om man kvantiserar alla spänningar så får man då med ett avrundningsfel U ut = U 1 + U 2 = 2 0: :5 = 4 1 Det betyder att man skulle kunna få resultatet = 5!!

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

11 Nyquists Samplingsteorem f sample > 2 B signal

12 Nyquists Samplingsteorem f sample < 2 B signal

13 Digital Analog domän DA-omvandling

14 Digital till Analog omvandling msb f Inverterande OPkoppling = Summatorn V ref 2 V out lsb 2 N-1 V out f V ref

15 Digital till Analog omvandling msb f Inverterande OPkoppling = Summatorn V ref 2 V out lsb 2 N-1 V out f 2 V ref

16 Digital till Analog omvandling msb f Inverterande OPkoppling = Summatorn V ref 2 V out lsb 2 N-1 V f out 2 N 1 V ref

17 Digital till Analog omvandling msb f Inverterande OPkoppling = Summatorn V ref 2 V out lsb 2 N-1 Digitalt ord styr switcharna V out msb f f f msb 1 lsb Vref 2 2 N 1

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

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

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

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

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

23 Fel i DA-omvandling V fs Analog Signal Skalfaktorfel Metod: Korrigera förstärkningen V LSB Digital Signal

24 Fel i DA-omvandling V fs Analog Signal Offsetfel Metod: Addera likspänning V LSB Digital Signal

25 Fel i DA-omvandling V fs Analog Signal Linäritetsfel Metod: Svårt! Ev. Korrigera efter tabell V LSB Digital Signal

26 Analog Digital domän AD-omvandling

27 Analog till Digital omvandling Filtrerad analog signal Samplad signal Analog In Lågpass filter Sample & Hold A/D omvandling Digital ut Antivikningsfilter Klocksignal

28 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

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

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

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

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

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

34 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

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

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

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

38 Omvandlingstid Trappstegsomvandlare 2 N -1 Succesiv approximation N Flash 1 Men snabbare omvandling betalas med extra hårdvara