Przetworniki A/C. Ryszard J. Barczyński, Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

Transkrypt

1 Przetworniki A/C Ryszard J. Barczyński, Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 Parametry przetworników analogowo cyfrowych Podstawowe parametry przetworników wpływające na ich dokładność i szybkość przetwarzania (statyczne i dynamiczne): Rozdzielczość (determinuje błąd kwantyzacji) Błędy analogowe (nieliniowości, przesunięcia i wzmocnienia) Czas przetwarzania Częstotliwość przetwarzania Współczynniki cieplne Współczynniki tłumienia wpływu zmian zasilania

3 Błąd dyskretyzacji (kwantyzacji) Błąd wynika z samej istoty procesu kwantowania sygnału analogowego przy przetwarzaniu go na postać cyfrową. Bity Liczba poziomów S/N Przedział [db] kwantowania [mv], fs=10v ,9 39, ,2 2, ,1 0,15 16

4 Błędy przetwarzania A/C Błąd przesunięcia zera Błąd skalowania (wzmocnienia)

5 Błędy przetwarzania A/C Błąd nieliniowości różniczkowej Błąd nieliniowości całkowej

6 Błędy przetwarzania A/C Charakterystyka przetworników z mniejszym i większym błędem nieliniwości różniczkowej. W drugim przypadku doszło już do zaburzenia monotoniczności przetwornika, co w wielu zastosowaniach może być nie do przyjęcia.

7 Błąd dynamiczny Jeżeli podczas przetwarzania zmienia się wartość sygnału wejściowego, to podczas przetwarzania przez przetworniki reagujące na wartość chwilową sygnału powstaje błąd dynamiczny, będący funkcją szybkości zmian przebiegu wejściowego i czasu przetwarzania.

8 Błąd dynamiczny Zależność maksymalnego czasu przetwarzania, przy którym błąd dynamiczny nie przekracza 1 LSB od częstotliwości wejściowego sygnału sinusoidalnego.

9 Inne parametry przetworników A/C Parametry wejścia i wyjścia: Zakres i polaryzacja napięć wejściowych Impedancja wejściowa Przeciążalność wejścia (maksymalne dopuszczalne napięcie) Kod i poziomy logiczne sygnału wyjściowego Obciążalność wyjścia Pozostałe parametry: Rodzaj zasilania, pobór mocy Zakres temperatury pracy Inne wymagania klimatyczne

10 Błąd aliasingu Błąd aliasingu nie jest błędem samego przetwornika, ale skutkiem błędnego doboru częstotliwości przetwarzania Minimalna częstotliwość przetwarzania powinna być dwa razy większa od maksymalnej częstotliwości harmonicznych obecnych w sygnale wejściowym.

11 Błąd aliasingu By uniknąć aliasingu konieczne jest stosowanie wejściowych filtrów dolnoprzepustowych. Zadanie może być bardzo ułatwione gdy zastosujemy zwiększoną częstotliwość przetwarzania (oversampling).

12 Klasyfikacja metod przetwarzania analogowo cyfrowego (A/C, A/D) Metody pośrednie Metody bezpośrednie czasowa częstotliwościowa kompensacyjna bezpośredniego porównania prosta prosta z kompensacją wagową z porównaniem równoległym z podwójnym całkowaniem z równoważeniem ładunków z potrójnym całkowaniem z kompensacją równomierną z porównaniem szeregowym delta sigma z poczwórnym całkowaniem

13 Metoda czasowa prosta Na rysunku przedstawiono układ, który poprzez porównanie sygnału mierzonego z liniowo narastającym generuje proporcjonalne do niego odcinki czasu. W przetwornikach opartych na pośrednich metodach przetwarzania wejściowy sygnał analogowy przetwarzany jest na proporcjonalną do niego wielkość pomocniczą. Bardzo często jest to czas trwania impilsów lub ich częstotliwość. Taka pomocnicza wielkość zwykle daje się łatwo mierzyć, a przenoszący ją sygnał cyfrowy można przesyłać bez zniekształceń.

14 Przetworniki tego typu są obecnie dosyć rzadko używane, zwykle nie jako autonomiczne urządzenia, ale jako elementy bardziej skomplikowanych układów. Występują w licznych odmianach. Odcinki czasu są wykorzystywane do zliczania impulsów o stałej częstotliwości w ten sposób otrzymujemy stan licznika proporcjonalny do wejściowego sygnału analogowego.

15 Przetwornik z podwójnym całkowaniem Zasadą działania całkującego przetwornika A/C jest sprowadzanie do zera napięcia wyjściowego integratora przez wielokrotne całkowanie. Podstawowymi są dwie fazy całkowania: całkowanie napięcia wejściowego i całkowanie napięcia odniesienia o znaku przeciwnym do napięcia wejściowego. Czas całkowania jest kalibrowany lub mierzony, co umożliwia określenie napięcia wejściowego.

16 Przetwornik z podwójnym całkowaniem W typowym przetworniku z podwójnym całkowaniem najpierw przez zadany czas całkujemy sygnał wejściowy, a następnie całkując napięcie odniesienia sprowadzamy całkę do zera mierząc konieczny do tego czas. T 2 =T 1 U Iśr UR Liczba impulsów zliczoną w czasie drugiego całkowania jest proporcjonalna do średniego napięcia wejściowego sygnału analogowego

17 Przetwornik z podwójnym całkowaniem Przetwornik całkuje szumy i zakłócenia sygnału wejściowego. Jest zatem mało wrażliwy na szumy wielkiej częstotliwości, a szczególnie na zakłócenia o częstotliwości będącej wielokrotnością odwrotności okresu całkowania. Rysunek przedstawia tłumienie zakłóceń sygnału wejściowego w zależności od okresu tych zakłóceń.

18 Przetwornik z wielokrotnym całkowaniem W praktyce zwiększa się liczbę faz całkowania, zwykle do czterech, ale czasami nawet do sześciu. Dodatkowe fazy służą do usunięcia resztkowego ładunku kondensatora i kompensacji niedokładności elementów przetwornika. Cechy charakterystyczne przetworników z wielokrotnym całkowaniem to: Bardzo duża dokładność i rozdzielczość (największa precyzja) Bardzo duża odporność na zakłócenia Prostota realizacji, również jako urządzenie autonomiczne Bardzo mała prędkość działania

19 Przetwornik z wielokrotnym całkowaniem Przykład: MAX135 Szyna równoległa (8 bitów) 15 bitów + znak

20 Przetwornik z bezpośrednim porównaniem Układ z bezpośrednim porównaniem równoległym charakteryzuje się tym, że sygnał wejściowy jest jednocześnie porównywany z całym szeregiem napięć odniesienia ustalonych za pomocą dzielnika. Prędkość działania takiego układu jest bezkonkurencyjna, ale jest on bardzo drogi i skomplikowany potrzeba tyle komparatorów, ile jest stanów wyjściowych przetwornika

21 Przetwornik z bezpośrednim porównaniem Przykład: MAX108 8 bitów 1.5 Gsps (!!!)

22 Przetworniki z kompensacją wagową Przetworniki z kompensacją wagową działają metodą kolejnych porównań sygnału wejściowego z coraz gęściej (zwykle z dwukrotnym skokiem) podzielony napięciem odniesienia.

23 Przetworniki z kompensacją wagową Kluczowym elementem przetwornika z kompensacją wagową jest specjalny rejestr przesuwający (SAR). Układy sterujące wpisują do niego częściowy wynik aproksymacji. Liczba kroków aproksymacji jest równa liczbie bitów przetwornika.

24 Przetworniki z kompensacją wagową Rysunek przedstawia poziom napięcia porównywanego z wejściowym w kolejnych krokach przetwarzania. Przetwarzanie metodą kompensacji wagowej jest łatwe do realizacji programowej.

25 Przetworniki z kompensacją wagową Przykład: MAX ks/ps 14 bitów bipolarne wejście zintegrowane odniesienie

26 Przetworniki z równoważeniem ładunków Nieco podobną zasadę działania mają przetworniki z równoważeniem ładunków. Układ sterujący łączy kolejne kondensatory o coraz to mniejszych pojemnościach raz do napięcia wejściowego lub do napięcia odniesienia. Tego typu przetworniki zdobywają coraz większą popularność ze względu na łatwość umieszczania kondensatorów w układach scalonych MOS.

27 Przetworniki z kompensacją wagową i równoważeniem ładunków zdobyły dużą popularność, szczególnie w przemysłowych i laboratoryjnych układach pomiarowych. Ich cechy charakterystyczne to: Względna prostota Łatwość realizacji w układach scalonych Niezła dokładność Niezła prędkość działania

28 Przetworniki delta Przetworniki delta charakteryzują się prostotą układową, wynikającą z faktu, że zamiast kolejnych próbek przetwarzana jest tylko różnica, dając jednobitową informację o charakterze przyrostowym. Układ ekstrapolujący określa spodziewaną wartość próbki na podstawie próbek poprzednich.

29 Przetworniki delta Przetworniki delta charakteryzują się błędami przy szybkich zmianach sygnału wejściowego i szumami przy stałym sygnale Ponieważ są proste i dobrze nadają się do przekazywania mowy przetworniki delta znalazły zastosowanie w telekomunikacji.

30 Przetworniki delta sigma Zapotrzebowanie na tanie układy przetworników do sprzętu powszechnego użytku i rozwój techniki cyfrowej, umożliwiający budowę złożonych filtrów spowodowały w ostatnich latach rozwój przetworników działających w oparciu o zasadę modulacji delta sigma. Modulator delta sigma jest przetwornikiem jednobitowym o dużej prędkości próbkowania. Filtr cyfrowy wycina szumy i wylicza wielkość sygnału.

31 Przetworniki delta sigma Duża częstotliwość próbkowania modulatora delta sigma pozwala uniknąć kłopotów związanych z aliasingiem. W praktyce przetworniki tego typu da się stosować do częstotliwości akustycznych i nieco większych.

32 Obszar zastosowań W praktyce najczęściej stosowane są przetworniki: Całkujące Z wielokrotnym całkowaniem szczególnie w precyzyjnej aparaturze pomiarowej Delta sigma szczególnie w sprzęcie powszechnego użytku, ale popularność bardzo rośnie Z kolejnymi aproksymacjami szczególnie w sprzęcie pomiarowym i przemysłowym Z bezpośrednim porównaniem przy dużych prędkościach, również w sprzęcie video