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

Relevanta dokument
A/D D/A omvandling Mätteknik för F

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

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

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

A/D D/A omvandling. Johan Nilsson

SENSORER OCH MÄTTEKNIK

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

Datorteknik. Tomas Nordström Föreläsning 12 Mer I/O. För utveckling av verksamhet, produkter och livskvalitet.

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

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

Elektronik Dataomvandlare

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

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

Enchipsdatorns gränssnitt mot den analoga omvärlden

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

Elektronik Elektronik 2019

Elektronik. Dataomvandlare

Analogt och Digital. Viktor Öwall. Elektronik

Elektronik Dataomvandlare

Elektronik Elektronik 2017

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

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

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

Analog till Digitalomvandling

A/D- och D/A- omvandlare

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

Analog till Digitalomvandling

Analogt och Digital. Viktor Öwall. Elektronik

Analogt och Digital. Viktor Öwall Bertil Larsson

Tentamen i Krets- och mätteknik, fk - ETEF15

2E1112 Elektrisk mätteknik

Enchipsdatorns gränssnitt mot den analoga omvärlden

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

Digitalt eller Analogt

Komparatorn, AD/DA, överföringsfunktioner, bodediagram

Signalbehandling, förstärkare och filter F9, MF1016

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

Effektpedal för elgitarr

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

Läsinstruktioner. Materiel

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

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

William Sandqvist

Tentamen i Krets- och mätteknik, fk - ETEF15

2E1112 Elektrisk mätteknik

Laboration 2 Elektriska kretsar Online fjärrstyrd laborationsplats Blekinge Tekniska Högskola (BTH)

Tentamen i Signaler och kommunikation, ETT080

Svaren på förståelsedelen skall ges på tesen som skall lämnas in.

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

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

Tentamen i Elektronik - ETIA01

Spektrala Transformer

En ideal op-förstärkare har oändlig inimedans, noll utimpedans och oändlig förstärkning.

Högskolan Dalarna Sida 1 av 8 Elektroteknik Per Liljas

A-del motsvarande KS1

Lab. E3 Mätteknisk rapport

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

TSTE93 Analog konstruktion

Digital elektronik CL0090

Utökning av mätområdet på ett mätinstrument med LED

Multimeter och räknare AD-omvandling. Multimeter

Moment 2 - Digital elektronik. Föreläsning 1 Binära tal och logiska grindar

2E1112 Elektrisk mätteknik

Umeå universitet Tillämpad fysik och elektronik Ville Jalkanen mfl Laboration Tema OP. Analog elektronik för Elkraft 7.

5 OP-förstärkare och filter

Strömtänger för AC. DN serien 5.00 (1/2) DN series

Fysiska lagret. Kanal. Problem är att kanalen har vissa begränsningar: Kanalen är analog Kanalen är bandbreddsbegränsad och är oftast störd (av brus)

Styrteknik distans: Minneselement, register, räknare, AD-omv D4:1

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

Op-förstärkarens grundkopplingar. Del 2, växelspänningsförstärkning.

Svaren på förståelsedelen skall ges på tesen som skall lämnas in.

AD-/DA-omvandling 2015

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

Ämnesområde Hörselvetenskap A Kurs Akustik och ljudmiljö, 7 hp Kurskod: HÖ1015 Tentamenstillfälle 1

Provmoment: Ladokkod: Tentamen ges för: Tentamen TE111B El3. Namn: Personnummer: Tentamensdatum: Tid: 14:00-18:00.

Du har följande material: 1 Kopplingsdäck 2 LM339 4 komparatorer i vardera kapsel. ( ELFA art.nr datablad finns )

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

TENTAMENSUPPGIFTER I ELEKTROTEKNIK MED SVAR

Elektro och Informationsteknik LTH Laboration 4 Tidsplan, frekvensplan och impedanser

Digitala system EDI610 Elektro- och informationsteknik

Kanalprocessor Ref: 5179

Isolationsförstärkare

Digitala Projekt (EITF11)

TENTAMENSUPPGIFTER I ELEKTROTEKNIK

TENTAMENSUPPGIFTER I ELEKTROTEKNIK MED SVAR

Elektroteknikens grunder Laboration 3. OP-förstärkare

Spektrala Transformer

Förstärkning Large Signal Voltage Gain A VOL här uttryckt som 8.0 V/μV. Lägg märke till att förstärkningen är beroende av belastningsresistans.

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

Laboration 3 Sampling, samplingsteoremet och frekvensanalys

DIGITALTEKNIK. Laboration D173. Grundläggande digital logik

Mätteknik Digitala oscilloskop

Sammanfattning. ETIA01 Elektronik för D

2E1112 Elektrisk mätteknik

Operationsförstärkaren. Den inverterande förstärkaren. Integrerande A/D-omvandlare. Multimeter - blockschema. Integratorn. T ref *U x = -T x *U ref

4 Laboration 4. Brus och termo-emk

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

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

Transkript:

A/D D/A omvandling Lars Wallman Innehåll Repetition binära tal Operationsförstärkare Principer för A/D omvandling Parallellomvandlare (Flash) Integrerande (Integrating Dual Slope) Deltapulsmodulation (Delta Pulse Modulation) Approximerande (Successive Approximation) Spänning/frekvensomvandling (VFC) 1

Innehåll forts. Mätosäkerhet Sampling Vikning (Aliasing) Principer för D/A omvandling Sammanfattning Lab-info Förberedelser och/eller övningar Läsanvisningar Kap. 3.4 A/D-omvandling (sid. 138-147) Kap. 3.5 D/A-omvandling (sid. 148-150) Kap. 3.10 Mätosäkerhet vid likspänningsmätning (sid. 173-179) Kap. 6.2 Vikningsdistorsion (sid. 354) Kap. 8.3 Vikning (sid. 444-445) 2

Uppgifter 3:4-3:7 3:24-3:25 6:4-6:6 Förberedelseuppgifter i labbhandledning AD/DA omvandling Ljud och tal Musik på CD, komprimerat mp3 Telefon Video Digital TV DVD Mätvärden från sensorer Industri (ex. temperatur, tryck, töjning) Medicin (ultraljud, MR-kamera, tomografi) 3

Varför digital signal behandling Lättare att hantera information Mindre störningskänslig Påverkas inte av omgivningen Lägre kostnad Lättare att konstruera stabila system Lättare att modifiera system Långtidsmätningar Komprimering av data Tillämpningar Digitala oscilloskop 8 bitar och 200 MS/s -> 10 GS/s Audio CD 16 bitar och 44.1 ks/s Bilder, bildbehandling Ofta 8 bitar per färg (RGB-CMYK), i t ex medicinska sammanhang högre upplösning, kanske 16 bitar per färg Digital Telefoni Första systemen(gsm): 300 3400 Hz, 8 bitar, 8 khz Tredje generationen (3G): 50 7000 Hz, 16 bitar, 16 khz samplingshastighet 4

Repetition: Binära talsystem Basen är 2 Ex. 13 dec = 8+4+1 = 1101 bin Största decimaltalet man kan representera med 8 bitar (1 byte) är: 128+64+32+16+8+4+2+1 = 255 2 N -1 MSB LSB 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 128 64 32 16 8 4 2 1 0 0 0 0 1 1 0 1 Binära tal BCD-kod, Binary Coded Decimal 0 0000 1 0001 2 0010 3 0011 4 0100 5 0101 6 0110 7 0111 8 1000 9 1001 10 1010 11 1011 12 1100 13 1101 14 1110 15 1111 10 5

Gray-kod 0 0000 1 0001 2 0011 3 0010 4 0110 5 0111 6 0101 7 0100 8 1100 9 1101 10 1111 11 1110 12 1010 13 1011 14 1001 15 1000 11 Gray-kod 12 6

Kvantisering Operationsförstärkaren Icke-inverterande ingång Vout = ( V + V ) G Inverterande ingång Ideal Operationsförstärkare: Oändlig förstärkning (G) Oändlig bandbredd (oändligt snabb) Oändlig inresistans (ingen ström genom + och -) Ingen utresistans (kan driva ström) 7

Komparatorn De flesta AD omvandlare använder sig av en komparator som en del i omvandlingsprocessen En komparator jämför två spänningsnivåer A och B Om A > B ger komparatorn logisk hög signal, tex 1 Om A < B ger komparatorn logisk låg signal, tex 0 En komparator kan implementeras med en enkel OP-förstärkare utan återkoppling. analogue input reference voltage A B + - Den inverterande förstärkaren V out = ( V G = Vout = V G + V = V + + V V ) G = 0 V + = V - (eftersom V + i detta fall är kopplat till jord fås en virtuell jord vid V - ) I IN = 0 (oändlig inresistans, ingen ström flyter in i operationsförstärkaren)=> I 1 = I 2 V in = I V R in 1 R1, I1 =, Vout = I 2 R2, 1 V out R2 = V R1 in 8

Integratorn I några AD-omvandlare används en integrator Utsignalen från en integrator beror på tiden och insignalen En integrator kan implementeras med en OP-förstärkare och en kondensator Spänningen över kondensatorn kommer att vara lika med utspänningen + Generellt för en kondensator gäller V C 1 = C t 0 i( t) dt V out V out = ( V 1 = RC V t 0 V ) G in dt A/D omvandling Flash omvandlare (parallell) Integrerande omvandlare Deltapulsmodulation Spänning/frekvensomvandlare Successiv approximation (SAR) Finns en uppsjö av andra tekniker men dessa behandlas inte i denna kurs 9

Flash omvandlare (parallell) V IN jämförs med noggranna spänningsnivåer uppdelade i jämna steg Komparatorernas utgångar bildar en termometer kod som i grindnätet omvandlas till binärkod Snabb men dyr Ex. MAX104 från maxim-ic. ±5V, 1Gsps, 8-Bit ADC with On-Chip 2.2GHz Track/Hold Amplifier Integrerande omvandlare (Dual slope) 1 RC TRE F Ux T 0 x 1 UXdt = U RC REF = U REF T dt UREF Ux = Tx TREF 1.000 Ux = 345 = 345mV 1000 x T 0 REF Kondensatorn laddas upp under en bestämd tid T REF som bestäms av klockpulsgeneratorn U REF används för att ladda ur kondensatorn och tiden T x mäts i en räknarkrets U REF, T X och T REF används sedan för att räkna ut U X Ex. TLC7135 4 1/2-Digit Precision Analog-to-Digital Converters från Analog Devices Används i digitala voltmetrar (DVM) 10

Deltapulsmodulation Mätning av tidskvoten mellan uppoch urladdning av kondensatorn Ux är kvoten mellan Tin/T Spännings/frekvensomvandlare Omvandlar en analog inspänning till ett pulståg med en frekvens som är direkt proportionell mot inspänningens värde Ex. AD7741 Single-Supply, Single-Channel Synchronous VFC 11

Successiv approximation (SAR) Successiv intervallhalvering Antalet approximationer motsvarar bitlängden för A/D omvandlaren Ex. AD7484: 14-Bit, 3 MSPS SAR ADC Sample and Hold (S/H) krets Används för att spänningen konstant på ingången till SAR konvertern 12

Jämförelse Felkällor Kvantiseringsosäkerhet Nollpunktsosäkerhet Skalfaktorosäkerhet Lineariseringsosäkerhet Mätupplösning 13

Kvantiseringsosäkerhet +/- ½ LSB Ex. en 8-bitars omvandlare med 5 Volts mätområde ger en upplösning på 5/2 8 = 19.5 mv I en 8-bitars omvandlare måste spänningsförändringen i insignalen vara minst 19.5 mv för att märkas Obs, 3 bitar Nollpunktsosäkerhet Felaktig nollreferens (U 0 ) Drift i ingångssteget (t.ex. orsakad av temperaturändringar) 14

Skalfaktorosäkerhet Fel inställning av spänningsreferens (U REF ) Osäkerhet i komponentvärden i förstärkare eller resistanser Lineariseringsosäkerhet Differentiell olinearitet (DNL) Beror på det analoga ingångssteget Skillnaden mellan det teoretiska och det verkliga steget DNL ½ LSB 15

Mätupplösning, konventionell DVM 3½ - 5½ digit DVM HP3478 Dual Slope omvandling Skallängd 3000 300000 enheter, motsvarar 12 19 bitar Längre skallängd ger högre upplösning Kortare mättid ger lägre upplösning och lägre skallängd ½ digit 5 digit Sampling Samplingsteorem: Samplingsfrekvensen f s måste vara minst två gånger så stor som den största frekvenskomponent i signalen man samplar. fs 2 f 16

Vikning (aliasing) fs < 2*f Vikning (aliasing) 17

Vikning (aliasing) Vikning (aliasing) För att undvika vikning har man ett lågpassfilter på ingången till omvandlaren Filtrets brytfrekvens ska vara mindre än eller lika med fs/2 18

D/A omvandling Viktade resistorer R-2R stege D/A omvandling med viktade resitorer R1 R2 U R R 2 UT = UIN 1 Utgångstegens storlek beror på referenspänningen. Inverterande förstärkare Svårt att ha hög ordlängd pga att det är svårt att tillverka resistorer med väldigt hög precision C B A U UT 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 2 0 1 1 3 1 0 0 4 1 0 1 5 1 1 0 6 1 1 1 7 19

D/A omvandling med R-2R stege Endast ett resistorvärde behövs. 2R får genom att seriekoppla två resistorer Sammanfattning Olika metoder för analog till digital omvandling Olika kategorier av fel som förekommer i AD (och DA) -omvandlare Sample and Hold kretsen Prestandakriterier (snabbhet, upplösning, momentan-/medelvärde) för olika AD-omvandlare Samplingsteoremet vikning aliasing Principer för digital till analog omvandling 20

Labhandledningen Läsanvisningar finns på första sidan Förberedelseuppgifter kan man göra under lektionen eller hemma Det kommer att bli ett litet test. Ca 3 frågor av 5 för godkänt 21