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

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

Analog till Digitalomvandling

Analog till Digitalomvandling

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

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

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

Analogt och Digital. Viktor Öwall. Elektronik

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-

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

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

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

Enchipsdatorns gränssnitt mot den analoga omvärlden

Analogt och Digital. Viktor Öwall. Elektronik

Elektronik Elektronik 2017

Analogt och Digital. Viktor Öwall Bertil Larsson

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

Elektronik Dataomvandlare

Elektronik. Dataomvandlare

Elektronik Dataomvandlare

A/D- och D/A- omvandlare

Elektronik Elektronik 2019

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

Enchipsdatorns gränssnitt mot den analoga omvärlden

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

Översikt, kursinnehåll

A/D D/A omvandling. Johan Nilsson

Effektpedal för elgitarr

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

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

Tentamen i Krets- och mätteknik, fk - ETEF15

Komparatorn, AD/DA, överföringsfunktioner, bodediagram

Tentamen i Elektronik - ETIA01

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

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

Digitalt eller Analogt

A-del motsvarande KS1

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

Minneselement,. Styrteknik grundkurs. Digitala kursmoment. SR-latch med logiska grindar. Funktionstabell för SR-latchen R S Q Q ?

Laborationskort - ML4

AD-/DA-omvandling 2015

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

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

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

Digitala system EDI610 Elektro- och informationsteknik

Läsinstruktioner. Materiel

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

Ljudteknik. Digital representation. Vad är ljud?

IE1205 Digital Design: F6 : Digital aritmetik 2

D0013E Introduktion till Digitalteknik

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

Spektrala Transformer

LEJON LABORATION3. Laborationens syfte

Tentamen i Digitalteknik, EITF65

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

OLOP II Obligatorisk LAB operationsförstärkare Analog elektronik 2

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

2. Strömförstärkare: Både insignal och utsignal är strömmar. Förstärkarens inresistans

Digital- och datorteknik

Digital- och datorteknik

2E1112 Elektrisk mätteknik

Tentamen i Grundläggande ellära och digitalteknik ETA 013 för D

SENSORER OCH MÄTTEKNIK

Signalbehandling, förstärkare och filter F9, MF1016

Ansvarig lärare: Olof Andersson, Telefon (besöker skrivsalen)

DatortillŠmpningar. Det har hšnt nœgot!

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

F2 Binära tal EDA070 Datorer och datoranvändning

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

Mekanisk solros, Digitala projekt(edi021) Kristoer Nordvall, Stefan Windfeldt, Inlämmnad: 4 december 2006

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

- Digitala ingångar och framförallt utgångar o elektrisk modell

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

Hambley avsnitt 12.7 (även 7.3 för den som vill läsa lite mer om grindar)

LABORATIONSINSTRUKTION DIGITAL REGLERTEKNIK. Lab nr. 3 DIGITAL PI-REGLERING AV FÖRSTA ORDNINGENS PROCESS

Digitala Projekt (EITF11)

Spektrala Transformer

MÄTVÄRDESOMVANDLARE. TEKNISK RIKTLINJE TR utg D 1/7. NK, Kontrollanläggning NK TEKNISK RIKTLINJE UTGÅVA D

Tentamen. TSEA22 Digitalteknik 5 juni, 2015, kl

Digital elektronik CL0090

Tentamen i Styr- och Reglerteknik, för U3 och EI2

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

Digitalitet. Kontinuerlig. Direkt proportionerlig mot källan. Ex. sprittermometer. Elektrisk signal som representerar ljud.

Adressrum, programmerarens bild

Hambley: OBS! En del av materialet kommer att gås igenom på föreläsningen

Digital- och datorteknik

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

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

PARITETSKONTROLL. Om generatorn i vidstående exempel avkänner ett jämt antal ettor ger den en nolla ut. Detta innebär att överföringen

Sida 1 (10) KI_sv.dot,

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

Tentamen i Krets- och mätteknik, fk, ETEF15. den 14 jan :00-13:00

Tentamen i Digitalteknik 5p

ECS Elektronik, dator och programvarusystem Kista, Forum, hiss C, plan 8

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

Design of OP-amplifiers and a voltage reference network for a PSA-ADC in a 0.25 um CMOS process. Martin Anderson

Mätteknik Digitala oscilloskop

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

Transkript:

Grundlande A/D- och D/A-omvandling. 1 Inledning Anvningen av datorer kar alltmer i allt er sammanhang. Men eftersom vd nalog, behver vi nt s att omvandla t.ex. men till digital form, fr att datorn ska kunna behandla dem. Efter avslutad bering behver vi kanske styra en process med hj av de nya ven, som datorn tagit fram. Dn vi behva nt s att omvandla de digitala vena till analog form. Syftet med denna text tt ge grundlande denitioner fr analog/digitalomvandling (avsnitt 2) och digital/analog-omvandling (avsnitt 3). I avsnitt 4 berrs tre olika A/D-omvandlare: trappstegsomvandlaren, den jande omvandlaren och successiv approximationsomvandlaren. 2 Digital/analog(D/A)-omvandling Vid omvandling frigitalt till analogt lr man vet av ett digitalt ord representeras av t.ex. en analog sping. Detta sker i en D/A-omvandlare (eng. digital-analog converter, DAC), se gur??.../gures/dacsymbol.psdasymbolsymbol fr en D/A-omvandlare Insignal et digitala ordet (x1, x2,..., xn) d1 anger strsta ve (most signicant bit, MSB) och xn anger minsta ve (least signicant bit, LSB). Vut ges av jande verfringsfunktion: d V ref : referenssping K: skalfaktor D: vet av det digitala ordet V ut = K V ref D (1) Det digitala ordet skrivs i en form som kallas fractional binary och som dr ett ve enligt fljande: d kan anta vena 0 eller 1. Full Scale Voltage (V F S ) deneras av: D = x 1 2 1 + x 2 2 2 + + x n 2 n (2) V F S = K V ref (3) Observera att V ut aldrig kan ntta ve, eftersom D alltid indre tt. Allts 1

V ut = V F S D. (4) I litteraturen kan frekomma olika denitioner av V F S, men den hivna denitionen en som anligast frekommande. Utsignalen kan bara anta vissa besta ven. Den minsta frring som kan ske, kallas fr omvandlarens upplsning. Antalet niv i utsignalen n d ntal bitar i omvandlaren. Upplsningen ges d V LSB = V F S 2 n, (5) eftersom en frring i den minst signikanta biten motsvarar den minsta mjliga frringen. Strsta mjliga utsping famtliga bitar i det digitala ordet : V max = K V ref ( 1 2 1 + 1 2 2 + + 1 2 n ) = V F S 2n 1 2 n (6) Detta ve lltsltid mindre V F S. 2.1 Exempel, 3-bitars D/A-omvandlare. Antag en 3-bitars D/A-omvandlare med referensspingen 1.0V och K = 2. Denna fverfringsfunktionen { x1 V ut = 2.0 2 + x 2 4 + x } 3 8 Om vi ggenom samtliga kombinationer av nollor och ettor i det digitala ordet fi fljande resultat (se n gur??): digitalt ord utsping 0 0 0 0.0 0 0 0 1 0.250 2/8 0 1 0 0.500 4/8 0 1 1 0.750 6/8 1 0 0 1.000 8/8 1 0 1 1.250 10/8 1 1 0 1.500 12/8 1 1 1 1.750 14/8../gures/DAtransfer.psDAtransferfringsfunktion fr en 3-bitars D/A-omvandlare. 2

Med hj av tabellen och verfringsfunktionen kan vi besta vena pll Scale Voltage, upplsning och strsta mjliga utsping: V F S = K V ref = 2.0V V LSB = V F S 2 n = 0.250V V max = V F S 2n 1 2 n = 1.750V 2.2 Exempel, ad upplsning. Observera att den analoga utsignalen i fregde exempel antar vissa besta diskreta ven. Spingarna mellan dessa niv kan inte representeras med denna D/A-omvandlare. Vill man minska skillnaderna mellan nivna me man ka upplsningen, dvs ka antalet bitar i det digitala ordet och i D/A-omvandlaren. Antag att vi vill kunna stega med 1mV eller mindre. Hur ma bitar skulle detta kr i en D/A-omvandlare med V F S = 2V? V LSB = 2 2 n < 1mV 2n > 2000 Naste 2-potens som trre 000 2 11 = 2048. Alltshvs det en 11-bitars D/Aomvandlare om vi vill ha en upplsning som gre mv nv F S = 2.0V. 3

3 Analog/digital(A/D)-omvandling. En A/D-omvandlare (eng. analog-digital converter, ADC) utfr motsatsen till vad en D/A-omvandlare utfr. Den omvandlar en analog insignal till ett digitalt ord, se gur??. Detta digitala ord kan sedan anvas till att utfra beringar, styra processer etc.../gures/adcsymbol.psadsymbolsymbol fr en A/D-omvandlare. erfringsfunktionen ges av D = V in V LSB (7) dv LSB en upplsning, vi har i omvandlaren och D et decimala vet av det digitala ordet. I och med att vi bara kan representera diskreta ven digitalt, fi hutomatiskt en kvantisering av insignalens nivessutom fi en kvantisering i tid, eftersom varje omvandling tar en viss tid att fullflja och vi dgenom inte kan detektera insignalens ve vid varje tidpunkt. De denitioner som tidigare givits fr upplsning och V F S ger n h V LSB = V F S 2 n, (8) V F S = K V ref (9) 3.1 Exempel, 3-bitars ADC. En 3-bitars ADC med V F S = 2V fljande verfringsfunktion: D = V in = V in V V F S = V in LSB 0.25V 2 n Fr bering av upplsningen se exempel 2.1. Grafen fr funktionen visas i gur??.../gures/adtransfer.psadtransfererfringsfunktion fr en ideal 3-bitars ADC. Npingen ras sltsignalen om, nan nalvv mellan de kvantiserade nivna. Dgenom kommer varje digitalt ord i praktiken att motsvara spingsniv som kan vara 1 2 V LSB det nominella vet. Detta kallas fr kvantiseringsfelet. 3.2 Sample-and-hold (S&H) Som tidigare angivits, tar det en viss tid fr omvandlaren att presentera det digitala ordet utifret analoga vet. Under denna tid, omvandlingstiden, br insignalen inte ras. Alltshver man en koppling som lr av (samplar) det analoga 4

vet vid en viss tidpunkt, och sedan her detta ve tills omvandlingen lar. Hur en sn S&H-koppling kan utfras nns beskrivet i litteraturen. 5

4 A/D-omvandlare I det hvsnittet behandlas dels trappstegsomvandlaren, dels den jande omvandlaren. 4.1 Trappstegsomvandlaren../gures/trappstegsomv.psADtrappBlockschema fr trappstegsomvandlaren. Trappstegsomvandlaren inneher en D/A-omvandlare, en digital rare, en oscillator, en komparator och eventuellt ytterligare logiska kretsar. Nnaren rar upp bildas en trappstegsformad signal pa-omvandlarens utg. Denna sping jrs med insignalen. N/A-omvandlarens utsping, V D/A, blir strre nspingen, byter komparatorn ve. Pknarens utgar nns nu ett digitalt ve, som motsvarar den analoga signalen. Med hj av klarsignalen kan detta ve lagras i t.ex. nt register. Klarsignalen anvs ocksll att nollsta raren och dfter kan en ny omvandlingscykel prjas. En stor nackdel med den fljande omvandlaren tt omvandlingstiden blir olika beroende pr stor insignalen se gur??.../gures/adtrappkurva.pstrapptidsdiagram fr en trappstegsomvandlare (t conv = conversion time, omvandlingstid). 6

4.2 Den fljande omvandlaren Den jande omvandlaren ill stora delar lik trappstegsomvandlaren. Skillnaden ligger i den digitala raren, som hr en upp/ner-rare. Utsignalen fromparatorn styr huruvida raren ska ra upp eller ner. Nnsignalens niv g hittats och om den inte varierar alltfr kraftigt, kan insignalen jas med smriationer i omvandlingstiden. Denna tid blir n oberoende av om insignalen ligger p lller hg nive tidsdiagram i gur??!../gures/foljandeomv.psadfoljblockschema fr den fljande omvandlaren.../gures/adfoljkurva.psfoljtidsdiagram fr en fljande omvandlare. 7

4.3 Successiv approximation Fr att slippa nackdelen med varierande omvandlingstider, kan man anva ett SAR (successive approximation register) istet fr en rare, se gur??. Det er komplext n rare, men i geng mvandlingstiden konstant oberoende av insignalens amplitud.../gures/succappr.psadsuccblockschema fr omvandlare med SAR (successive approximation register). SAR tt logiskt n som genererar ett antal digitala ord som insignal till DA-omvandlaren enligt fljande (se gur??): 1. Samtliga bitar nollsts. Startsignal ges till SAR. 2. Den mest signikanta biten (MSB) ss hg. Utsignalen fra-omvandlaren blir d F S /2. 3. V utda jrs med insignalen. Om insignalen trst, behs ett hgt ve pb, annars nollsts denna. 4. Den n mest signikanta biten ss hg. V utda blir antingen V F S 3 4 eller V F S 4 beroende p den mest signikanta biten var hg eller l 5. V utda jrs med insignalen. Om insignalen trst, behs ett hgt ve pten, annars nollsts denna. 6. Na bit ss hg etc. 7. Nen minst signikanta biten (LSB) f sitt ve mvandlingen klar. Utsignalen nns nu pgistrets utg (DA-omvandlarens ing). En klarsignal genereras.../gures/succdiagram.pssuccdiatidsdiagram fr omvandling med SAR. Omvandlingstiden blir alltsoportionell mot antalet bitar i det digitala ord som ska omvandlas. Fr varje bit i det digitala ordet kan en eller tvockpulser behvas, beroende pr registret onstruerat. 8