Liniowe układy scalone Przetwarzanie A/C, C/A część 2
Dlaczego przetwarzanie cyfrowe? Łatwiej gromadzenie, przesyłanie, obróbka i odczyt danych w postaci analogowej jest znacznie mniej dogodny niż w cyfrowej Dokładniej w układach analogowych każdy stopień układu lub każdy element większego systemu wnosi swój udział do błędu pomiaru, w technice cyfrowej o dokładności przetwarzania decyduje jedynie długość słowa Duża odporność sygnału cyfrowego na szumy i zakłócenia Wyższa szybkość wykonywanych operacji
Klasyfikacja metod przetwarzania A/C
Metoda bezpośredniego porównania równoległego Parallel, simultaneous, flash method Najszybszy znany sposób przetwarzania A/C Wymaga 2 n 1 komparatorów Przetwarzanie wykonywane jest poprzez jednoczesne porównywanie napięcia U I ze wszystkimi poziomami kwantowania
Przetwornik A/C z komparatorami Łańcuch komparatorów spolaryzowanych z dzielnika rezystorowego zasilanego ze źródła napięcia odniesienia Rezystory są tak dobrane aby napięcia progów sąsiednich komparatorów różniły się o wartość odpowiadającą analogowemu równoważnikowi najmniej znaczącego bitu (1 LSB)
Przetwornik A/C z komparatorami Przy określonej wartości napięcia U I w komparatorach o napięciach progu mniejszych od U I występują na wyjściach stany logiczne 1 a w pozostałych o progach większych od U I stany logiczne 0. Wszystkie komparatory zmieniają stan jednocześnie proces przetwarzania składa się tylko z jednego kroku Na wyjściu otrzymuje się informację cyfrową w formie niedogodnej do bezpośredniego odczytu (przetwarzania) konieczny jest dekoder na NKB, BCD lub kod Graya Całkowity czas przetwarzania jest bardzo krótki suma czasu odpowiedzi jednego komparatora i bramek dekodera
Przetwornik A/C z komparatorami - przykład 3 bitowy komparator napięcia 7 komparatorów Patrz -> tablica
Przetwornik A/C z komparatorami cechy (1) Układy przetworników równoległych są często wyposażone w układ PP utrzymujący stałą wartość napięcia wejściowego podczas całego procesu przetwarzania W przetwornikach o największej szybkości działania stosuje się tzw. cyfrowe próbkowanie w locie zapamiętywanie i odczyt w dowolnej chwili aktualnych stanów logicznych na wyjściach komparatorów lub dekodera Właściwy dobór kodu przesunięcia czasowe w ustalaniu się stanów logicznych na wyjściu spowodowane rozrzutem czasu propagacji bramek dekodera
Przetwornik A/C z komparatorami cechy (2) Wyjściowe stany logiczne zmieniają się z dużą szybkością w ślad za zmianami napięcia wyjściowego i mogą powstawać nawet znaczne błędy odczytu chwilowych wartości w kodzie NKB lub BCD Wynika to z faktu że sąsiednie liczby po zakodowaniu w kodzie dwójkowym mogą różnić się stanami więcej niż jednego bitu co może spowodować błąd równy nawet ½ zakresu przetwarzania (1 MSB) Dlatego kod GRAYA Kod Graya może spowodować błąd polegający na odczycie sąsiedniej zamiast aktualnej wartości cyfrowej napięcia (1 LSB)
Przetwornik A/C z komparatorami cechy (3) Stosowanie kodu Graya nie zapobiega błędom wynikającym z różnych czasów odpowiedzi komparatorów W celu ich eliminacji stosuje się układy dekodujące z priorytetem dla stanu komparatora odpowiadającego największej wartości U I Większość komparatorów posiadaj wejście strobujące zatrzymanie stanu wyjściowego komparatora
Przetwornik A/C z komparatorami zalety i wady Szybkość przetwarzania 20 100 MHz Skomplikowanie budowy duża liczba komparatorów (8 bitów 255 komparatorów) Skomplikowanie dekodera Wzrost poboru mocy Trudności w projektowaniu połączeń międzyelementowych Trudność w doborze dzielnika napięcia odniesienia spowodowana przepływem sumarycznych wejściowych prądów polaryzujących komparatorów Obecnie stosuje się układy monolityczne
Przetwornik A/C z bezpośrednim przetwarzaniem szeregowym Stany cyfrowe poszczególnych bitów są uzyskiwane kolejno począwszy od najstarszego bitu w n kaskadowo połączonych stopniach porównujących Każdy stopień składa się z komparatora, układu odejmującego i przełącznika analogowego, ostatni stopień tylko komparator W 1 stopniu napięcie U I porównywane jest z z napięciem odniesienia U R /2 od wyniku porównania zależy włączenie P1
Przetwornik A/C z bezpośrednim przetwarzaniem szeregowym Jeśli napięcie U I > U R /2 to nawyjściu K1 jest 1 (MSB) Na wejściu następnego stopnia będzie napięcie U I U R /2. Jest ono porównywane z napięciem odniesienia o kolejnej wartości wagowej U R /4. Wynik porównania określa stan kolejnego bitu. Jeśli w komparatorze K1 okazałoby się że U I < U R /2 to do rejestru wyjściowego wpizane byłoby 0, P1 nie byłby włączonyi na wjściu K2 byłoby pełne napięcie U I do porównania z napięciem U R /4
Przetwarzanie kompensacyjne Polega na sukcesywnym równoważeniu (kompensowaniu) napięcia przetwarzanego U I za pomocą odpowiednio generowanego napięcia kompensującego U K w taki sposób aby wartość różnicy tych napięć doprowadzić do zera W praktyce do pewnej wartości minimalnej uwarunkowanej rozdzielczością przetwornika Istnienie pętli w sprzężenia zwrotnego przetwornika c/a wytwarzającego napięcie kompensujące Typy przetwarzania kompensacyjnego: Wagowe (przyrosty odpowiadają wagom bitów kodu) Równomierne (przyrosty jednakowe o wadze 1 LSB)
Przetwornik bezpośredni z kompensacją wagową (z rejestrem) n kroków - w każdym kroku impuls zegarowy powoduje przesunięcie w rejestrze przesuwnym 1 o jedno miejsce Stan ten jest wpisywany następnie do odpowiedniego przerzutnika rejestru wyjściowego powodując przyrost napięcia kompensującego o wartość ΔU K = U R /2 k W każdym kroku przetwarzania aktualna wartość U K jest porównywana z U I
Przetwornik bezpośredni z kompensacją wagową (z rejestrem) Jeżeli U K >U I to przerzutnik bk pozostaje w stanie 1 i odpowiadająca mu składowa napięcia U R /2 k jest nadal właczona jako składnik U K przy następnych porównaniach Gdy U K <U I to następuje skasowanie przerzutnika i wyłaczenie odpowiadającej mu składowej napięcia U K Stan logiczny przesuwany jest o 1 miejsce kolejny krok przetwarzania U I jest porównywane z kolejną wartością U K zwiększoną o ΔU K =U R /2 k+1
Algorytm przetwarzania Wartość napięcia kompensującego po n krokach: Gdzie b k =1 jeśli Zaś b k =0 jeśli n U K = k=1 k i=1 k i=1 b k U R 2 k b i U R 2 i U I b i U R U 2 i I W ten sposób po n krokach przetwarzania zawartość rejestru jest z dokładnością U R /2 n równoważnikiem analogowej wartości napięcia U I
Przykład 8 bitowy przetwornik U I = 0,36 U R Patrz --> tablica
Przetwornik bezpośredni z kompensacją wagową - cechy Konieczne jest stosowanie na wejściu układu PP aby móc utrzymać stałą wartość napięcia podczas całego okresu przetwarzania Krótki czas przetwarzania (n kroków) czyli nt C (T C czas trwania jednego kroku) i jest niezależny od wartości napięcia przetwarzanego Wada duża nieliniowość różniczkowa spowodowana właściwościami przetwornika c/a, niemonotonicznośc ch-ki przetwornika a/c może być przyczyną tzw. dziur kodowych Najpowszechniej stosowana metoda, łatwość realizacji w układach monolitycznych Rozdzielczości powyżej 8 bitów Szybkość: T C =100 ns na jeden bit słowa wyjściowego
Metoda kompensacji równomiernej (z licznikiem) Równoważenie napięcia wejściowego za pomocą przyrostów o wadze LSB Napięcie kompensujące jest generowane w przetworniku c/a przez przetwarzanie na wartość analogową zawartości licznika Zliczanie impulsów zegarowych rozpoczyna się po skasowaniu licznika sygnałem zewnętrznym i trwa aż U K przekroczy wartość U I Wówczas następuje zmiana stanu komparatora i zamknięcie bramki B koniec przetwarzania
Metoda kompensacji równomiernej Przebieg napięcia kompensującego ma kształt schodkowy o wartości schodka odpowiadające wartości napięciowej LSB ΔU K =U R /2 n i czasie trwania równym koresowi generatora zegarowego t c Stan po zamknięciu bramki jest cyfrowym równoważnikiem chwilowej wartości napięcia U I w momencie zakończenia przetwarzania
Metoda kompensacji równomiernej - cechy Wada długi czas przetwarzania o wartości max. równej 2 n t c w przypadku UI równego pełnemu zakresowi przetwarzania np. w 10-bit przetworniku z generatorem 50MHz max. czas przetwarzania 20μs Rzadko stosowana ze względu na szybkość Licznik zwykły można zastąpić rewersyjnym przetwornik nadążny
Przetwornik nadążny z kompensacją równomierną W zależności od aktualnego stanu logicznego na wyjściu komparatora nastepuje zwiększenie lub zmniejszenie zawartości licznika rewersyjnego z częstotliwością impulsów zegara Jeśli U K >U I to po kolejnym impulsie zegara w liczniku odejmuje się 1 Gdy U K <U I dodaje się 1 do zawartości licznika Zmiana U K oraz wartośc cyfrowa mogą nadążać za zmianami napięcia
Przetwornik nadążny z kompensacją równomierną Śledzenie U I jest możliwe gdy zmiany U I są wystarczająco powolne w stosunku do częstotliwości generatora zegarowego i czasu odpowiedzi przetwornika c/a Przy zbyt szybkiej zmianie napięcia U I układ nienadąża za zmianami i kontynuuje śledzenie napięcia U I dopiero po wygenerowaniu pewnej liczby kolejnych przyrostów ΔU K aż do zrówenania napięć U K i U I
Przetwornik nadążny z kompensacją równomierną - cechy Trudna ocena szybkości działania krótki czas przetwarzania przy nadążaniu za przebiegiem wejściowym, w skrajnym przypadku (przy szybkich zmianach U I ) czas przetwarzania 2 n t c Stosowane w systemach sterowania, łączności, tam gdzie cyfrowy wynik przetwarzania powinien zmieniać się współbieżnie z powolnymi zmianami napięcia U I Czas przetwarzania dla przetworników 8- bitowych - 500ns
Przetwarzanie pośrednie Wejściowy sygnał analogowy jest przetwarzany na proporcjonalną do niego wielkość pomocniczą: Czas trwania pewnego przebiegu napięciowego (do uzyskania liniowego przebiegu czasowego stosuje się ładowanie i rozładowanie kondensatora) Częstotliwość impulsów
Metoda czasowa prosta (1) Generowanie przebiegu napięciowego zmieniajacego się liniowo w funkcji czasu i porównywanie go z U I W ten sposób uzyskuje się impuls bramki czasowej o czasie trwania T proporcjonalnym do U I Przebieg liniowo narastający jest wytwarzany przez integrator Kondensator C jest ładowany stałym prądem I O = U R /R Nachylenie przebiegu piłokształtnego: tg = U m = I O T m C U m i T m -amplituda i czas trwania
Metoda czasowa prosta (2) Ładowanie kondensatora prądem stałym IO rozpoczyna się od chwili otwarcia P impulsem z gen. bramkującego (początek impulsu bramki czasowej U4), który powoduje rozpoczęcie zliczania impulsów Impuls bramki czasowej T trwa aż do momentu zrównania przebiegu narastającego U2 z z UI, gdy na wyjściu komparatora pojawi się stan niski Czas trwania bramki czasowej: T = U I tg =U C I I O
Metoda czasowa prosta (3) Po zakończeniu bramki czasowej T ustaje zliczanie impulsów zegarowych w liczniku a zawartość licznika N jest równa: N =T f c gdzie f c częstotliwość generatora zegarowego Zawartość licznika jest proporcjonalna do napięcia przetwarzanego: N = C I O f c U I
Metoda czasowa prosta - cechy Niezbyt duża dokładność 0,1% Źródła błędu: generator przebiegu piłokształtnego (nieliniowość), komparator (napięcie niezrównoważenia i opóźnienie czasowe) i generator impulsów zegarowych (niestabilność częstotliwości) Generator zegarowy powinien być zsynchronizowany z generatorem bramkującym, w przeciwnym wypadku powstaje błąd przetwarzania równy 1 LSB
Metoda podwójnego całkowania W chwili t 0 pojawienia się impulsu Stsrt (t 0 =0) przełacznik P1 dołacza napięcie UI do wejścia integratora Jednocześnie przez przerzutnik bramki czasowej jest otwierana bramka B i licznik zaczyna liczyć impulsy zegarowe Na wyjściu generatora pojawia się liniowo narastające napięcie U 2, które po czasie T osiągnie poziom: u 2 T 1 = 1 RC t 0 =0 T 1 U I dt= 1 RC U IavT 1 U Iav średnia wartość U I w czasie T 1
Metoda podwójnego całkowania (2) Okres T 1 jest wyznaczony przez licznik, który po upływie tego czsu sygnalizuje przepełnienie Kończy się pierwsze całkowanie i jednocześnie odłaczane jest jest przez P1 napięcie U I i dołaczane przez P2 napięcie U R do wejścia integratora oraz po przejściu przez zero zawartości licznika zliczanie dalszych impulsów generatora Pod wpływem -U R następuje liniowe opadanie napiecia na wyjściu integratora osiągające po czasie T 2 wartość zero komparator zamyka bramkę B i odłacza napięcie -U R od wejścia integratora
Metoda podwójnego całkowania (3) Przebieg napięcia na wyjściu w II fazie całkowania: u 2 t =u 2 T 1 1 RC t U R dt T 1 Podstawiając wzór na u 2 (T 1 ): u 2 t = 1 RC U T 1 Iav 1 RC U t T R 1 po czasie t=(t 1 +T 2 ) napięcie na wyjściu integratora jest równe 0: u 2 T 1 T 2 = 1 RC U Iav T 1 U R T 2 =0 A więc: T 2 =T 1 U Iav U R Okres T 1 pierwszego całkowania jesn wyznaczony przez pojemnośc licznika N max i częstotliwośc fc generatora natomiast w okresie II całkowania licznik zlicza N impulsów o tej samej częstotliwości: T 2 = N / f c i T 1 = N max / f c N f c = N max f c U Iav U R N =N max U Iav U R
Przebiegi napięcia na wyjściu integratora przy rożnych wartościach napięcia wejściowego
Metoda podwójnego przetwarzania - cechy Uniezależnia wynik przetwarzania od stabilności i liniowości generatora przebiegu liniowego Umożliwia tłumienia periodycznych zakłóceń nakładających się na sygnał przetwarzany poprzez ich uśrednianie Na wynik przetwarzania nie mają wpływu wartości R, C i f c a tylko wartość U R i stała wielkość N max duża dokładność metody Mała szybkość kilka tysięcy przetworzeń na sekundę Błędy: przesunięcia zera, liniowości i wzmocnienia Dokładność odpowiadająca rozdzielczości 12-14 bitów lepsza dokładność za pomocą metody poczwórnego całkowania
Metoda częstotliwościowa (1) Ładowanie kondensatora C prądem o wartości proporcjonalnej do napięcia U I Napięcie narastające na C jest porównywane z U R. Zrównanie napięć powoduje zmianie stanu komparatora i wygenerowanie impulsu w uniwibratorze zamykającego przełącznik P wywołując rozładowanie kondensatora C Średnia częstotliwość impulsów zależy od napięcia UI zliczając je w okresie integracji Ti uzyskuje się w liczniku wartość cyfrową proporcjonalną do napięcia przetwarzanego UI
Metoda częstotliwościowa (2) Układ działa w sposób podobny jak poprzedni Konwerter prąd-napięcie został zastąpiony integratorem ze wzmacniaczem operacyjnym Oba układy mają dokładność nie przekraczającą 1%
Modulacja DELTA Zamiast wartości kolejnych próbek przetwarzana jest różnica dając 1-bitową łatwą do przesłania informacje o sygnale przyrostowym Układ ekstrapolujący określa wartość spodziewaną próbki na podstawie próbek poprzednich Wartość ekstrapolowaną porównuje się z rzeczywistą w komparatorze i od wyniku porównania zależy wysłanie impulsu z generatora na linię danych Impuls jest wysyłany, gdy rzeczywista wartość sygnału jest większa od ekstrapolowanej
Modulacja DELTA (2) Błędy powstają gdy sygnał ma wartość stałą powstaje szum o wartości międzyszczytowej równej amplitudzie schodka lub szybkozmienną przebieg ekstrapolujący ulega opóźnieniu w stosunku do sygnału Zmniejszanie wartości schodka powoduje wzrost zniekształceń przeciążenia Zwiększanie schodka wzrost szumu przy sygnale równym zero Do transmisji sygnału mowy (do 100kbitów/s) Wynik przetwarzania nie jest wyrażony w kodzie dwójkowym
Parametry przetworników A/C (1) Błąd kwantyzacji - ± q / 2 Nominalny zakres przetwarzania wartość napięcia przetwarzanego odpowiadająca maksymalnej wartości słowa wyjściowego powiększonej o 1 Rzeczywisty zakres przetwarzania wartość napięcia przetwarzanego odpowiadająca maksymalnej wartości słowa wyjściowego
Parametry przetworników A/C (2) Rozdzielczość (zdolność rozdzielcza) najmniejsza wielkość sygnału wejściowego rozróżnialna przez przetwornik Dokładność bezwzględna różnica między teoretyczną a rzeczywistą wartością napięcia wejściowego powodującą powstanie na wyjściu określonej wartości cyfrowej Dokładność względna wartość dokładności bezwzględnej odniesiona do pełnego nominalnego zakresu przetwarzania (w %)
Parametry przetworników A/C (3) Nieliniowość całkowa maksymalne odchylenie względne ch-ki rzeczywistej przetwarzania od ch-ki idealnej Nieliniowość różniczkowa określana przez różnice między sąsiednimi wartościami napięcia wejściowego powodującymi zmianę słowa wyjściowego o wartość 1 LSB Błąd wzmocnienia lub skalowania wynika ze zmiany nachylenia ch-ki rzeczywistej przetwarzania w stosunku do ch-ki idealnej
Parametry przetworników A/C (4) Błąd przesunięcia zera (niezrównoważenia) wartość przesunięcia rzeczywistej ch-ki w stosunku do idealnej przechodzącej przez punkt zerowy Współczynniki cieplne zmian przesunięcia zera, nachylenia ch-ki przetwarzania i liniowości Współczynnik tłumienia wpływu zasilania
Parametry przetworników A/C (5) Czas przetwarzania czas konieczny do jednego całkowitego przetworzenia na wielkość cyfrową z określoną rozdzielczością sygnału analogowego o wartości równej pełnemu zakresowi przetwarzania Częstotliwość przetwarzania maksymalna częstotliwość z jaką mogą następować kolejne przetworzenia sygnału wejściowego z zachowaniem określonej rozdzielczości i dokładności w pełnym zakresie przetwarzania
Parametry przetworników A/C (6) Szybkości bitowa określana przez liczbę bitów rezultatu przetwarzania uzyskanych w jednostce czasu (b/s) Błąd dynamiczny zmiana wartości sygnału wejściowego następująca w czasie przetwarzania
Parametry przetworników A/C (7) Zakres i polaryzacja napięcia wejściowego Impedancja (rezystancja) wejściowa Przeciążalność wejścia (max. napięcie wej.) Forma słowa wyjściowego (rodzaj kodu, poziomy logiczne) Obciążalność wyjścia (liczba bramek) Rodzaj zasilania i pobór mocy Zakres temperatury i wilgotności pracy