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-

Analogt och Digital. Viktor Öwall. Elektronik

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

Elektronik Elektronik 2019

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

Elektronik Elektronik 2017

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

Analogt och Digital. Viktor Öwall Bertil Larsson

Analogt och Digital. Viktor Öwall. Elektronik

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

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

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

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

A/D D/A omvandling. Johan Nilsson

Läsinstruktioner. Materiel

Tentamen i Elektronik - ETIA01

Analog till Digitalomvandling

Spektrala Transformer

Spektrala Transformer

Analog till Digitalomvandling

A/D D/A omvandling Mätteknik för F

A/D- och D/A- omvandlare

Enchipsdatorns gränssnitt mot den analoga omvärlden

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

Frekvensplanet och Bode-diagram. Frekvensanalys

Ljudteknik. Digital representation. Vad är ljud?

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

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

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

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

Elektronik 2018 EITA35

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

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

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

Digital signalbehandling Digitalt Ljud

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

Mätteknik Digitala oscilloskop

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

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

AD-/DA-omvandling 2015

file:///c:/users/engström/downloads/resultat.html

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

Projekt 1 (P1) Problembeskrivning och uppdragsspecifikation

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

Digital elektronik CL0090

Tentamen i Krets- och mätteknik, fk - ETEF15

Tentamen i Krets- och mätteknik, fk - ETEF15

Enchipsdatorns gränssnitt mot den analoga omvärlden

Tentamen i Krets- och mätteknik, fk - ETEF15

GRUNDKURS I SIGNALBEHANDLING (454300), 5sp Tentamen

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

Digitala system EDI610 Elektro- och informationsteknik

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

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

Innehåll. Innehåll. sida i

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

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

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

Spektrala Transformer

Ulrik Söderström 20 Jan Signaler & Signalanalys

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

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

Signalbehandling, förstärkare och filter F9, MF1016

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

Elektro och Informationsteknik LTH Laboration 4 Tidsplan, frekvensplan och impedanser

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

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

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

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

Ulrik Söderström 19 Jan Signalanalys

Digital IC konstruktion

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

Sammanfattning TSBB16

Föreläsning 10, Egenskaper hos tidsdiskreta system

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

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

Diskret representation av kontinuerliga signaler

Elektronik EITA35: Elektronik. Erik Lind

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

IE1206 Inbyggd Elektronik

Konstruktion av strömsnål Sigma-Delta ADC

Grundläggande ljud- och musikteori

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

SENSORER OCH MÄTTEKNIK

Elektronik ESS 010 Elektronik. Erik Lind

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

Digitalt eller Analogt

Tillämpning av komplext kommunikationssystem i MATLAB

Mätteknik Digitala oscilloskop

Transkript:

Elektronik Dataomvandlare Johan Wernehag Institutionen för elektro- och informationsteknik Lunds universitet

2 Översikt Analoga och digitala signaler Nyquistteorem Kvantiseringsfel i analog-till-digital omvandling Digital-till-analog (DA) omvandlare AD-omvandlare

3 Analoga och digitala signaler Analogt Digitalt 001100101010100000111110000100101010001011100010001000100 t

Analogt kontra digitalt Analogt: få komponenter höga frekvenser verkliga signaler EIT, JSSC 2016 Digitalt Hög precision Komplexare algoritmer Lagringskapacitet EIT, ISSCC 2017 Elektronik Dataomvandlare 4

5 Exempel: audiosystem Lagring Digitalt Databehandling Databehandling AD-omvandling DA-omvandling Förstärkning Filtrering Förstärkning Filtrering Analogt

6 Exempel modern radio 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 DA RF Digitalt Radiomottagare AD Analog De- Coder FFT SYNC LO j AD RF

7 Sensorsystem Man går över till digital signalbehandling så fort som möjligt, eftersom den är både enklare, mer allmän och mer kraftfull

8 Binära talsystem tal med bas 2 Most Significant Bit (MSB) Least Significant Bit (LSB, minsta förändringen) N bitar 2 N ord 2 2 2 1 2 0 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) V fs = V vid full scale = 1LSB 2 N Med denna definition kan inte V fs nås: V outmax = V LSB (2 N -1)

9 Tidskontinuerliga, tidsdiskreta och digitala signaler 111 kontinuerlig analog signal kvantisering = begränsat antal nivåer = diskret amplitud digital signal = diskret tid och diskret amplitud 001 000 samplad signal à analog, men diskret tid t

10 Nyquists samplingsteorem Om man samplar en analog signal som har bandbredd f sig med en samplingsfrekvens f s, då måste man se till att f s > 2f sig om operationen inte skall medföra informationsförlust! f s f sig 2f sig f

11 Sampling f s > 2f sig ok 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0-0.2-0.4-0.6-0.8-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

12 Sampling f s < 2f sig inte ok 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0-0.2-0.4-0.6-0.8-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

13 Vikning! 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0-0.2-0.4-0.6-0.8-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

14 Med spektra Insignalens frekvensspektrum Den samplade signalens spektrum, f s > 2f B (=2f sig ) vikning! Den samplade signalens spektrum, f s < 2f B (=2f sig )

15 Vikning (alias) och spegelfrekvens Exempel: f s = 10kHz f sig = 7kHz =>f alias = (10-7) = 3kHz f sig f s f sig spegelfrekvens f sig + f s 2f s f sig f sig + 2f s o s v

16 Antivikningsfilter Tidsdiskret Diskret i amplitud Antivikningsfiltret skyddar informationen i den önskade signalen från andra signaler som kan bli nervikna till samma frekvensband

17 Antivikningsfilter Lågpassfiltrets ordning ASB ASB n = = é( fs - fb) - fb ù æ fs - 2 f ö B 20log 20log 10 ê ú 10 ç ë f f B û è B ø

18 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

Kvantiseringsfel med avrundning Första och sista steget är bara D/2 breda Man kan visa att den genomsnittliga effekten av kvantiseringsfelet (också kallat kvantiseringsbrus) är P Q = 2 D 12 19

20 Ett exempel 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 6.02 1.76 db Q

21 Variation på samplingsögonblicken p g a olika bruskällor i de kretsar som genererar klockan Jitter på samplingstiden sin ( w ( ( ))) in d ( ) wd( ) cos( w ) x= A t+ t D x nt» A nt nt S SNR = 10log =-20log in N in in ( nt ) ( w d )

22 Exempel modern radio 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 DA RF Digitalt Radiomottagare AD Analog De- Coder FFT SYNC LO j AD RF

23 Icke-ideala omvandlare offsetsfel ADC DAC Offset

24 Icke-ideala omvandlare förstärkningsfel ADC DAC

25 Icke-ideala omvandlare linjäritetsfel Avvikelsen från den ideala interpoleringslinjen, när överföringsfunktionen har korrigerats för offsets- och förstärkningsfel

26 DA-omvandling med motstånd i serie Väldigt enkelt, används ofta, särskilt när N är lågt, eftersom: N bitar à 2 N R U Exempel med N=3 (a): (b): i VDAC = V N ref 2 N i = 0,...,2-1 i + 12 VDAC = V N 2 N i = 0,...,2-1 ref Viktigt: ideala DA-omvandlare introducerar inte något fel i omvandlingen!

27 Eller med R-2R nät väldigt elegant Impedansen till höger om varje R är lika med R à impedansen i parallell med varje 2R är lika med 2R! Antalet motstånd faller från 2 N till 3N väldigt kompakt! bn-1 b0 Vi antar att impedansen vid denna nod är @0 I I I I I b b b b 2 4 2 2 ref ref 1 2... ref ref out = n- + n- + + n-1 1+ n 0

28 Tvåminutersövning Visa att ekvationen nere stämmer bn-1 b0 I I I I I b b b b 2 4 2 2 ref ref 1 2... ref ref out = n- + n- + + n-1 1+ n 0

29 DA-omvandling med kapacitanser C V 1 out = V ref C C 1+ 2 V = V k 2 out ref n

30 DA-omvandling med strömkällor Strömkällor implementeras med MOS-transistorer eller BJT-transistorer ( 2 1 0 2 1 2 2... 2 n - -1) I = I b + b + b + + b out u n binärt viktad termometer-viktad

31 Analog till digital omvandling Filtrerad analog signal Samplad signal Analog in Lågpass filter Sample & Hold A/D omvandling Digital ut Antivikningsfilter Klocksignal

32 Sample and Hold (S&H, S/H) Under AD-omvandlingen får inte det analoga värdet ändras à S/H ackvisitionstid in- och utgångsbuffertar IN UT IN UT lagrar den samplade signalen sample hold sample hold sample När man köper en AD-omvandlare följer S&H ofta med (se t ex labb 2)

33 AD-omvandlare till olika ändamål #bits 1 D / T s 20 15 INTEGRERANDE DELTA SIGMA 1 ord / (OSR T s ) 1 bit / T s 10 5 SUCCESIVAPPROXIMATION FLASH, TVÅSTEG, TIDSPARALLELLA 1 ord / T s 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G f sig

34 Flash AD-omvandlare 2 N -1 komparatorer Snabb, men kräver mycket hårdvara! A V K O D A R E 8 bitar = 255 komparatorer 16 bitar = 65 535 komparatorer

35 Tvåstegs AD-omvandlare Två (eller flera) klockcykler för omvandling, men mycket mer kompakt än flash-omvandlaren 4 + 4 bitar à 4 ( ) 2 2-1 = 30 komp.

36 Tidsmultiplexad AD-omvandlare #N AD-omvandlare i parallell turas om att omvandla: N gånger högre hastighet än med bara 1 omvandlare à 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

37 Succesivapproximation AD-omvandlare Med kondensator-dac: enkla, effektsnåla, bra upplösning, relativt hög hastighet à väldigt populära! V IN Exempel: 4 bitar DAC V fs X LSB V IN X MSB Styrlogik Binär sökning: N bitar à N jämförelser à N+1 (N+2) klockcykler Förslag 1000 1100 1010 1001 Test OK NEJ NEJ OK Utvärde 1000 1000 1000 1001

39 V sig VREF Integrerande AD-omvandlare Kondensatorn laddas upp av insignalen över 2 N klockcykler, och sen tar referensspänningen k klockcykler för att ladda ner den tillbaka till 0V Väldigt långsam (1LSB per klockcykel), men den kan leverera ett högt antal bitar Omvandlingens noggrannhet är inte beroende av tidskonstanten RC R C Vout V V out Tsig TREF t V V V T T RC RC sig REF out =- sig = REF - V = sig k 2 N V REF 2 N Tclk ktclk

Elektronik Inledning 40