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

Transkript

1

2 Analogt och Digital Viktor Öwall

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, MP3, Digitalkamera, GSM, datorer, etc, etc

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

6 AD/DA i adio De- Coder adiosändare Coder Digitalt Digitalt FFT FFT SYNC 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 LSB = V 0.5V mV 8V mV 128V mV 2042V nV V

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 2 sample BW signal kan den analoga signalen återskapas. f 2 sample BW signal BW signal Mer om detta i Digital Signalbehandling f

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

13 Sampling f s > 2f signal

14 Sampling f s < 2f signal

15 Signalerna kan förväxlas - vikning

16 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

17 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

18 Digital till Analog omvandling

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

20 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

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

22 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 V ref 2 2 N 1

23 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.

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

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

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

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

28 Analog till Digital omvandling

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

30 Sample & Hold

31 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

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

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

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

35 Analog till Digital omvandlare

36 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 =

37 Succesivapproximation V IN DAC Fyra Bitar 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

38 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

39 Integrerande Omvandlare, Dual Slope Analog In C Clock T T 2 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

40 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

41 Delta-Sigma omvandlare (1-bits omvandlare) Vanlig i audio, telefoner, etc. Medelsnabb, hög noggrannhet > 20 bitar (mkt. signalbehandling)

42 #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

43 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 V fs

44 Fel i AD-omvandling V fs Analog Signal Skalfaktorfel Metod: Korrigera förstärkningen V LSB Digital Signal

45 Fel i AD-omvandling V fs Analog Signal Offsetfel Metod: Addera likspänning V LSB Digital Signal

46 Fel i AD-omvandling V fs Analog Signal V LSB Linäritetsfel Metod: Svårt! Bästa passning Ev. Korrigera efter tabell Digital Signal

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

48 Kuriosa Ovanliga omvandlare

49 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

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

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

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

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

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

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