Elektronik Dataomvandlare

Relevanta dokument
Elektronik Dataomvandlare

Elektronik. Dataomvandlare

Komparatorn, AD/DA, överföringsfunktioner, bodediagram

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

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

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

Analoga och Digitala Signaler. Analogt och Digitalt. Analogt. Digitalt. Analogt få komponenter låg effektförbrukning

Analogt och Digital. Viktor Öwall. Elektronik

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

Elektronik Elektronik 2019

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

Elektronik Elektronik 2017

Analogt och Digital. Viktor Öwall Bertil Larsson

Analogt och Digital. Viktor Öwall. Elektronik

A/D D/A omvandling. Lars Wallman. Lunds Universitet / LTH / Institutionen för Mätteknik och Industriell Elektroteknik

Grundläggande A/D- och D/A-omvandling. 1 Inledning. 2 Digital/analog(D/A)-omvandling

AD-DA-omvandlare. Mätteknik. Ville Jalkanen. 1

Ett urval D/A- och A/D-omvandlare

A/D D/A omvandling. Johan Nilsson

Läsinstruktioner. Materiel

Spektrala Transformer

Spektrala Transformer

Analog till Digitalomvandling

Tentamen i Elektronik - ETIA01

A/D D/A omvandling Mätteknik för F

Analog till Digitalomvandling

A/D- och D/A- omvandlare

A/D D/A omvandling. EEM007 - Mätteknik för F 2015 CHRISTIAN ANTFOLK

Enchipsdatorns gränssnitt mot den analoga omvärlden

Frekvensplanet och Bode-diagram. Frekvensanalys

A/D D/A omvandling. EEM007 - Mätteknik för F 2016 CHRISTIAN ANTFOLK / LARS WALLMAN

Ljudteknik. Digital representation. Vad är ljud?

A/D D/A omvandling. Lars Wallman. Lunds Universitet / LTH / Institutionen för Mätteknik och Industriell Elektroteknik

Kapitel 2 o 3 Information och bitar Att skicka signaler på en länk. Att sända information mellan datorer. Information och binärdata

Grundlande A/D- och D/A-omvandling. 1 Inledning. 2 Digital/analog(D/A)-omvandling

Konvertering. (Conversion chapter 3, Watkinson) Sebastian Olsson Anders Stenberg Mattias Stridsman Antonios Vakaloudis Henrik Wrangel

Mätteknik Digitala oscilloskop

Kapitel 2 o 3. Att skicka signaler på en länk. (Maria Kihl)

Elektronik 2018 EITA35

EITA35 Elektronik Laboration 6: A/D och D/A omvandlare

Digital signalbehandling Digitalt Ljud

Signaler och system, IT3

Tentamen i Elektronik, ESS010, del 2 den 17 dec 2007 klockan 8:00 13:00 för inskrivna på elektroteknik Ht 2007.

Resttentamen i Signaler och System Måndagen den 11.januari 2010, kl 14-19

Översikt, kursinnehåll

1 Grundläggande A/D- och D/A-omvandling.

Teori... SME118 - Mätteknik & Signalbehandling SME118. Johan Carlson 2. Teori... Dagens meny

AD-/DA-omvandling 2015

Tentamen i Elektronik, ESS010, del 2 den 6 mars 2006 SVAR

Mätteknik E-huset. Digitalt oscilloskop Vertikal inställning. Digitalt oscilloskop. Digitala oscilloskop. Lab-lokal 1309 o 1310

Mätteknik för F. AD-DA - omvandling. Avd f Biomedicinsk teknik/elektrisk mätteknik LTH

Projekt 1 (P1) Problembeskrivning och uppdragsspecifikation

Tentamen i Krets- och mätteknik, fk - ETEF15

Digital elektronik CL0090

Struktur: Elektroteknik A. Digitalteknik 3p, vt 01. F1: Introduktion. Motivation och målsättning för kurserna i digital elektronik

Enchipsdatorns gränssnitt mot den analoga omvärlden

Tentamen i Krets- och mätteknik, fk - ETEF15

Tentamen i Krets- och mätteknik, fk - ETEF15

Kapitel 2 o 3 Information och bitar Att skicka signaler på en länk. Jens A Andersson

Digital IC konstruktion

Elektronik. MOS-transistorn. Översikt. Då och nu. MOS-teknologi. Lite historik nmosfet Arbetsområden pmosfet CMOS-inverterare NOR- och NAND-grindar

GRUNDKURS I SIGNALBEHANDLING (454300), 5sp Tentamen

Digitala system EDI610 Elektro- och informationsteknik

Elektro och Informationsteknik LTH. Laboration 6 A/D- och D/A-omvandling. Elektronik för D ETIA01

Tentamen i Elektronik, ESS010, del1 4,5hp den 19 oktober 2007 klockan 8:00 13:00 För de som är inskrivna hösten 2007, E07

Mätteknik Digitala oscilloskop

Innehåll forts. Mätosäkerhet Sampling Vikning (Aliasing) Principer för D/A omvandling Sammanfattning Lab-info Förberedelser och/eller övningar

Innehåll. Innehåll. sida i

Ulrik Söderström 20 Jan Signaler & Signalanalys

Kapitel 2 o 3 Information och bitar Att skicka signaler på en länk. Jens A Andersson

Digital elektronik. I Båda fallen gäller förstås att tidsförloppet måste bevaras.

Spektrala Transformer

Mätteknik för F Laborationshandledning AD-/DA-omvandling. Institutionen för Biomedicinsk Teknik LTH

Kapitel 2 o 3 Information och bitar Att skicka signaler på en länk. Jens A Andersson

Ulrik Söderström 19 Jan Signalanalys

D/A- och A/D-omvandlarmodul MOD687-31

Föreläsning: Digitalt Ljud. signalbehandling. Elektronik - digital signalbehandling. Signal och spektrum. PC-ljud. Ton från telefonen.

Laboration 4: Tidsplan, frekvensplan och impedanser. Lunds universitet / Fakultet / Institution / Enhet / Dokument / Datum

Elektronik EITA35: Elektronik. Erik Lind

Laboration 1: Aktiva Filter ( tid: ca 4 tim)

Tentamen i Krets- och mätteknik, fk, ETEF15. Exempeltentamen

Elektro och Informationsteknik LTH Laboration 4 Tidsplan, frekvensplan och impedanser

Digital IC konstruktion

Laboration 5. Temperaturmätning med analog givare. Tekniska gränssnitt 7,5 p. Förutsättningar: Uppgift: Temperatur:+22 C

SENSORER OCH MÄTTEKNIK

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet G33(1) TER4(63)

Kompletterande räkneuppgifter i Spektrala Transformer Komplex analys, sampling, kvantisering, serier och filter Laura Enflo & Giampiero Salvi

Signalbehandling, förstärkare och filter F9, MF1016

Sammanfattning TSBB16

Ämnesområde Hörselvetenskap A Kurs Signalteori, 7,5 hp Kurskod: HÖ1007 Tentamenstillfälle

Diskret representation av kontinuerliga signaler

Vad är en UART? Universal Asynchronous Receiver Transmitter parallella seriella parallell åttabitars signal mest signifikant bit

Lösningar. Tentamen i TSTE 80, Analoga och Tidsdiskreta Integrerade Kretsar. Lösningsförslag. Lycka till! 1 (10)

IE1205 Digital Design: F6 : Digital aritmetik 2

IE1206 Inbyggd Elektronik

5 Beräkna en fyra bitars checksumma för bitföljden Visa beräkningen. 4p

IE1206 Inbyggd Elektronik

Digitalt eller Analogt

Elektro och Informationsteknik LTH. Laboration 3 RC- och RL-nät i tidsplanet. Elektronik för D ETIA01

Elektronik ESS 010 Elektronik. Erik Lind

Transkript:

Elektronik Översikt Analoga och digitala signaler Dataomvandlare Pietro Andreani Institutionen för elektro- och informationsteknik Lunds universitet Nyquistteorem Kvantiseringsfel i analog-till-digital omvandling Digital-till-analog (DA) omvandlare AD-omvandlare Analoga och digitala signaler Analogt kontra digitalt Analogt Analogt: få komponenter höga frekvenser verkliga signaler Digitalt 001100101010100000111110000100101010001011100010001000100 t EIT, JSSC 016 Digitalt Hög precision Komplexare algoritmer Lagringskapacitet EIT, ISSCC 017 CD/DVD, MP3, digitalkamera, telekom, datorer, o s v 3 4

Exempel: audiosystem Exempel modern radio Databehandling Lagring Databehandling Digitalt Trenden idag är att flytta gränssnittet mellan A och D så nära antennen som möjligt, eftersom D är enkelt, A är svårt Digitalt Coder FFT Radiosändare DA LO j Analog AD-omvandling DA-omvandling DA RF Förstärkning Filtrering Förstärkning Filtrering Digitalt Radiomottagare AD Analog Analogt De- Coder FFT SYNC AD LO j RF 5 6 Sensorsystem Binära talsystem tal med bas Man går över till digital signalbehandling så fort som möjligt, eftersom den är både enklare, mer allmän och mer kraftfull Most Significant Bit (MSB) Least Significant Bit (LSB, minsta förändringen) N bitar N ord 1 0 0 0 0 (0) 0 0 1 (1) 0 1 0 () 0 1 1 (3) 1 0 0 (4) 1 0 1 (5) 1 1 0 (6) 1 1 1 (7) V fs = V vid full scale = 1LSB N Med denna definition kan inte V fs nås: V outmax = V LSB ( N -1) 7 8

Tidskontinuerliga, tidsdiskreta och digitala signaler Nyquists samplingsteorem 111 kontinuerlig analog signal Om man samplar en analog signal som har bandbredd f sig med en samplingsfrekvens f s, då måste man se till att kvantisering = begränsat antal nivåer = diskret amplitud f s > f sig om operationen inte skall medföra en informationsförlust! digital signal = diskret tid och diskret amplitud 001 000 samplad signal analog, men diskret tid t f sig f s f sig f 9 10 Sampling f s > f sig ok Sampling f s < f sig inte ok 1 0.8 0.6 0.4 0. 0-0. -0.4-0.6-0.8-1 0 1 3 4 5 6 7 8 9 10 1 0.8 0.6 0.4 0. 0-0. -0.4-0.6-0.8-1 0 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1

Vikning! Med spektra 1 0.8 Insignalens frekvensspektrum 0.6 0.4 0. Den samplade signalens spektrum, f s > f B (=f sig ) 0-0. -0.4-0.6-0.8-1 0 1 3 4 5 6 7 8 9 10 vikning! Den samplade signalens spektrum, f s < f B (=f sig ) 13 14 Vikning (alias) och spegelfrekvens Antivikningsfilter Exempel: f s = 10kHz f sig = 7kHz Antivikningsfiltret skyddar informationen i den önskade signalen från andra signaler som kan bli nervikade till samma frekvensband f sig f s f sig spegelfrekvens f sig + f s f s f sig f sig + f s o s v 15 16

Antivikningsfilter Kvantiseringsfel Nivå X+1 Nivå X+1 Nivå X Nivå X Lågpassfiltrets ordning ASB ASB n= = Ø( f - f ) - f ø f - f 0log 0log 10 Œ º ß Ł s B B s B œ 10 f f B B ł Trunkering Alla värden mellan två nivåer approximeras åt samma håll Maximalt fel = 1LSB Avrundning Värden approximeras antingen upp eller ner Maximalt fel = ±1/ LSB 17 18 Kvantiseringsfel med avrundning Ett exempel Första och sista steget är bara D/ breda Man kan visa att den genomsnittliga effekten av kvantiseringsfelet (också kallat kvantiseringsbrus) är P Q D = 1 kvantiserad sinus (10 bitar) kvantiseringsfel Det högsta signal-till-kvantiseringsbrus förhållandet (SQNR) i en N-bitars AD-omvandlare är P SQNR= = + P ( N ) sin 10 log 6.0 1.76 db Q 19 0

Variation på samplingsögonblicken p g a olika bruskällor i de kretsar som genererar klockan Jitter på samplingstiden sin ( win ( d ( ))) ( ) w d ( ) cos( w ) x= A t+ t D x nt» A nt nt S SNR = 10log =-0log in N in in ( w d ( nt ) ) Icke-ideala omvandlare offsetsfel ADC DAC 1 Icke-ideala omvandlare förstärkningsfel Icke-ideala omvandlare linjäritetsfel ADC DAC Avvikelsen från den ideala interpoleringslinjen, när överföringsfunktionen har korrigerats för offsets- och förstärkningsfel 3 4

DA-omvandling med motstånd i serie Väldigt enkelt, används ofta, särskilt när N är lågt, eftersom: N bitar N R U Exempel med N=3 Eller med R-R nät väldigt elegant Impedansen till höger till varje R är lika med R impedansen i parallell med varje R är lika med R! Antalet motstånd faller från N till 3N väldigt kompakt! (a): i VDAC = V N ref N i = 0,..., -1 i+ 1 VDAC = V N N i= 0,..., -1 5 (b): Viktigt: ideala DA-omvandlare introducerar inte något fel i omvandlingen! ref bn-1 b0 Vi antar att impedansen vid denna nod är @0 I I I I I b b b b 4 ref ref 1... ref ref out = n- + n- + + n-1 1+ n 0 6 Tvåminutersövning DA-omvandling med kapacitanser Visa att ekvationen nere stämmer bn-1 b0 I I I I I = b + b +... + b + b 4 ref ref ref ref out n-1 n- n-1 1 n 0 C V 1 out = V ref C C 1+ V = V k out ref n 7 8

DA-omvandling med kapacitanser DA-omvandling med strömkällor Strömkällor implementeras med MOS-transistorer eller BJT-transistorer ( 1 0 1... n - -1) I = I b + b + b + + b out u n binärt viktad C V 1 out = V ref C C 1+ V = V k out ref n termometer-viktad 9 30 Analog till digital omvandling Sample and Hold (S&H, S/H) Under AD-omvandlingen får inte det analoga värdet ändras S/H Analog In Lågpass filter Filtrerad analog signal Sample & Hold Samplad signal A/D omvandling Digital ut IN in- och utgångsbuffertar UT ackvisitionstid IN UT sample hold sample hold sample Antivikningsfilter lagrar den samplade signalen Klocksignal När man köper en AD-omvandlare följer S&H ofta med (se t ex labb ) 31 3

AD-omvandlare till olika ändamål Flash AD-omvandlare #bits 0 15 10 5 1 D / T s DELTA SIGMA 1 ord / (OSR T s ) SUCCESIVAPPROXIMATION 1 bit / T s FLASH, TVÅSTEG, TIDSPARALLELLA 1 ord / T s N -1 komparatorer A V K O D A R E Snabb, men kräver mycket hårdvara! 8 bitar = 55 komparatorer 16 bitar = 65 535 komparatorer 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G f sig 33 34 Tvåstegs AD-omvandlare Två (eller flera) klockcykler för omvandling, men mycket mer kompakt än flash-omvandlaren Tidsmultiplexad AD-omvandlare #N AD-omvandlare i parallell turas om att omvandla: N gånger högre hastighet än med bara 1 omvandlare populärt tillvägagångssätt! Man måste dock se till att alla AD-omvandlare ( kanaler ) är väldigt väl matchade till varandra S&H måste arbeta med hög hastighet 4 + 4 bitar 4 ( ) - 1 = 30 komp. 35 36

Exempel från verkligheten A. Varzaghani et al., A 10.3-GS/s, 6-Bit Flash ADC for 10G Ethernet Applications, ISSCC 013 (Broadcom) 4 kanaler Succesivapproximation AD-omvandlare Med kondensator-dac: enkla, effektsnåla, bra upplösning, relativt hög hastighet väldigt populära! V IN Exempel: 4 bitar DAC V fs X LSB V IN X MSB Styrlogik Binär sökning: N bitar N jämförelser N+1 (N+) klockcykler Förslag 1000 1100 1010 1001 Test OK NEJ NEJ OK Utvärde 1000 1000 1000 1001 37 38 Integrerande AD-omvandlare Kondensatorn laddas upp av insignalen över N klockcykler, och sen tar referensspänningen k klockcykler för att ladda ner den tillbaka till 0V Väldigt långsam (1LSB per klockcyckel), men den kan leverera ett högt antal bitar Omvandlingens noggrannhet är inte beroende av tidskonstanten RC C V sig VREF R Vout V Tsig V out TREF t V V V T T RC RC sig REF out =- sig = REF k - Vsig = V N REF N Tclk ktclk 39