IL SAMPLE AND HOLD UNIVERSIT ` A DEGLI STUDI DI MILANO Progetto di

` DEGLI STUDI DI MILANO
UNIVERSITA
` DI SCIENZE MATEMATICHE, FISICHE E NATURALI
FACOLTA
Corso di Laurea in Informatica
IL SAMPLE AND HOLD
Progetto di
Fondamenti di Automatica
PROF.:
M. Lazzaroni
Progetto di:
Genovese Angelo
Matr. 699721
Anno Accademico
2006/2007
Indice
1 ADC e DAC
3
1.1
Analog to Digital Converter - ADC . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.2
Digital to Analog Converter - DAC . . . . . . . . . . . . . . .
6
2 Il Sample and Hold
9
2.0.1
Sample and Hold in un ADC . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.0.2
Sample and Hold in un DAC . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1
Funzionamento del Sample and Hold . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2
Errori nel Sample and Hold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3
Esempi di circuiti Sample and Hold . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1
Circuito base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.2
Circuito con Voltage Follower . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.3
Sample and Hold a integratore . . . . . . . . . . . . . . 18
3 Datasheet di circuiti Sample and Hold
21
3.1
Philips TDA1535B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2
Analog Devices AD585 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3
National Semiconductor LF198 . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4
Analog Devices SMP04 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2
INDICE
Capitolo 1
ADC e DAC
Il circuito di Sample and Hold (S&H da ora in poi) trova la propria
applicazione in particolare nei dispositivi ADC e DAC, il cui scopo `e, rispettivamente, convertire segnali da analogici a digitali (ADC) e da digitali ad
analogici (DAC).
Introduciamo brevemente le caratteristiche dei due circuiti.
1.1
Analog to Digital Converter - ADC
Un convertitore analogico-digitale `e un circuito elettronico in grado di
convertire una grandezza analogica in ingresso, come per esempio un segnale
di tensione sinusoidale, in un codice digitale in uscita.
Il procedimento di conversione si compone di quattro momenti principali
(Figura 1.1):
• Campionamento. Il segnale continuo in ingresso deve essere acquisito
ad intervalli di tempo ben definiti. Il tempo che intercorre tra un
campionamento e l’altro `e chiamato periodo di campionamento, ed `e
il tempo necessario al convertitore per effettuare tutte le operazioni di
conversione: in questo tempo l’elaborazione attraversa tutti gli stadi
della catena.
4
1.1 Analog to Digital Converter - ADC
Figura 1.1: Catena di conversione Analogico-Digitale
Un segnale continuo pu`o essere campionato e poi riprodotto esattamente dai valori tempo discreti con un algoritmo di interpolazione se
la frequenza di campionamento `e almeno pari al doppio della banda del
segnale (legge di Shannon):
fc ≥ 2 · fm
Dove fc `e la frequenza di campionamento (definita come l’inverso del
periodo di campionamento) e fm `e la massima frequenza presente nel
segnale da campionare.
L’accuratezza tuttavia `e limitata dall’errore di quantizzazione;
• Quantizzazione. L’insieme dei valori che pu`o assumere il segnale in
ingresso `e infinito; per fare in modo che questo segnale sia codificato
con un numero finito di bit, dobbiamo ridurre il numero di questi valori
ad un insieme discreto.
Per prima cosa viene definito un massimo ed un minimo dei valori
della grandezza in ingresso, poi quest’intervallo viene diviso un numero
finito di volte che corrispondono ai valori che il segnale convertito pu`o
assumere: il quantizzatore compie l’operazione di associare al valore
del segnale campionato il pi`
u prossimo di questi valori.
Nella figura 1.2 il segnale sinusoidale in ingresso viene fatto corrispondere al valore pi`
u prossimo (linee nere orizzontali).
1. ADC e DAC
5
t
Figura 1.2: Segnale quantizzato
Ovviamente quanto pi`
u sono i valori discreti che il segnale quantizzato
pu`o assumere, tanto maggiore sar`a la qualit`a della conversione. Ipotizzando che il convertitore (e il quantizzatore) abbiano una precisione
di n bit, il numero di valori che il segnale quantizzato pu`o assumenre
`e 2n e lo spazio tra un valore e l’altro sar`a
Vf s
,
2n
dove Vf s `e il valore di
fondo-scala, definito come il doppio della tensione per cui `e a 1 solo
il bit pi`
u significativo. Questo intervallo `e chiamato Least Significant
Bit (LSB) poich´e `e la minima variazione dell’ingresso in grado di fare
commutare il bit meno significativo.
L’accuratezza della conversione sar`a tanto maggiore all’aumentare di
bit; questo provoca per`o, a parit`a di fondo-scala, la diminuzione dell’ampiezza dei livelli (cio`e lo spazio tra i valori discreti). Ne consegue
che un’oscillazione sempre pi`
u piccola del segnale in ingresso `e in grado
di modificare l’uscita del convertitore;
• Codifica. La codifica `e il processo tramite il quale dal segnale opportunamente campionato e quantizzato si ottiene un codice numerico a n
bit che codifica, appunto, il segnale entrante nel convertitore.
6
1.2 Digital to Analog Converter - DAC
1.2
Digital to Analog Converter - DAC
Un convertitore digitale-analogico effettua l’operazione inversa dell’ADC:
crea un determinato valore di tensione in funzione di un valore numerico in
ingresso. (Figura 1.3)
Figura 1.3: Ingressi e uscite di un DAC
Anche nei DAC la tensione, questa volta in uscita, `e suddivisa in un
numero finito di valori, ciascuno corrispondente ad un codice numerico in
uscita. Se definiamo come
quindi
Vf s
2n
Vf s
2n
l’ampiezza di ogni intervallo, l’uscit`a sar`a
· N , dove N `e il numero in ingresso (Figura 1.4).
1. ADC e DAC
Figura 1.4: Relazione ingresso-uscita in un DAC
7
8
1.2 Digital to Analog Converter - DAC
Capitolo 2
Il Sample and Hold
Lo scopo del Sample and Hold `e di ricevere un segnale in ingresso (Sample)
e di mantenerlo per tutto il tempo necessario (Hold). In Figura 2.1 vediamo
una semplice schematizzazione.
Figura 2.1: Schema funzionale del Sample and hold
Il Sample and hold compie l’operazione di campionamento (Sampling) e
mantiene l’ultimo valore letto. Le fasi di funzionamento sono controllate da
un clock (segnale di comando in Figura 2.1).
Sia nell’ADC che nel DAC il Sample and hold svolge un ruolo essenziale:
10
2.0.1
Sample and Hold in un ADC
In un convertitore ADC, dal momento che la conversione non `e istantanea,
il segnale in ingresso deve necessariamente rimanere costante durante tutto
il periodo di conversione.
Internamente all’ADC il valore digitale uscente viene ritrasformato in
analogico da un DAC interno e confrontato con il segnale in ingresso: la
conversione `e esatta quando queste due misure corrispondono (a meno, ovviamente, di un certo margine di errore inversamente proporzionale al numero
di bit del convertitore).
´ necessario, perci`o, che l’ADC sia collegato al S&H e non direttamente al
E
segnale di ingresso: se cos`ı non fosse l’input cambierebbe durante il processo
di conversione, producendo una conversione sbagliata.
In teoria sarebbe possibile usare un convertitore ADC anche senza S&H,
a patto che il segnale entrante non vari di pi`
u di un LSB durante il periodo
di conversione.
Facciamo l’esempio di un segnale sinusoidale di frequenza f e ampiezza
Vp =10V (ipotizziamo anche per semplicit`a che il fondo-scala dell’ADC sia
anch’esso pari a 10V) entrante in un convertitore con risoluzione n=12 bit e
tempo di conversione tc =2µs. Dobbiamo assicurarci che durante il tempo di
conversione tc il segnale non vari per pi`
u di un LSB: la massima variazione
di una sinusoide si ha al passaggio per lo zero. Definendo il segnale come
v(t) = VF S sin(ωt), nell’intorno di 0 + 2kπT `e approssimabile a VF S ωt:
v(t) = VF S sin(ωt) ≈ VF S ωt
durante il tempo di conversione tc questo valore deve essere minore di un
LSB, quindi:
VF S ωt 6
VF S
2n
dato che ω = 2πf , risolviamo rispetto a f :
2. Il Sample and Hold
11
f6
1
= 19, 4Hz
2π2n tc
per frequenze superiori si rende necessario l’uso di un S&H, altrimenti la
conversione risulta errata.
I S&H sono usati anche quando vi `e necessit`a di analizzare pi`
u segnali:
ciascun ingresso viene acquisito e mantenuto utilizzando un S&H comandato
da un clock comune, in modo da poter leggere tutti gli ingressi.
2.0.2
Sample and Hold in un DAC
In un DAC il S&H serve a prevenire gli errori chiamati Glitches: dal
momento che la commutazione dei codici in ingresso non `e istantanea e non
tutte le cifre assumono il valore finale nel medesimo istante, possono verificarsi dei transitori in cui l’uscita ha un valore errato. Il segnale analogico
uscente quindi pu`o oscillare una o anche pi`
u volte prima di assumere il valore
corretto.
Figura 2.2: Esempio di Glitch
In Figura 2.2 facciamo l’esempio di una commutazione del codice in ingresso da 100 a 011 che produce il valore intermedio 111 perch´e il bit pi`
u
12
2.1 Funzionamento del Sample and Hold
significativo `e pi`
u a lento a cambiare. Questo si ripercuote sull’uscita, che
poich´e ha un andamento continuo, subisce una brusca oscillazione.
Per ovviare a questo problema si introduce un circuito di S&H che mantiene l’uscita costante fino a che il codice digitale ha assunto il valore finale.
2.1
Funzionamento del Sample and Hold
Il S&H pu`o funzionare in diversi modi, a seconda di come vengono impostati i periodi di Sample e di Hold. Vediamoli brevemente:
• Segnale campionato:
Se il S&H viene usato solo per campionare il segnale di ingresso a
instanti prefissati e non interessa mantenerlo, il periodo di sample `e
breve dopodich`e l’interruttore viene aperto di nuovo e il segnale non
viene conservato (Figura 2.3);
Figura 2.3: Segnale campionato
• Segnale campionato e mantenuto:
In questa modalit`a il S&H funziona esattamente come dice il proprio
nome, ovvero campiona e mantiene il segnale, conservandolo fino alla
2. Il Sample and Hold
13
successiva campionatura. La fase di sample `e quasi instantanea e per
il resto del periodo di conversione il circuito `e in hold (Figura 2.4);
Figura 2.4: Segnale campionato e mantenuto
• Segnale inseguito e mantenuto:
Questo modo di funzionamento differisce dal precedente in quanto la
fase di sample ha una durata maggiore, durante la quale il circuito di
S&H insegue il segnale di ingresso. (Figura 2.5)
Figura 2.5: Segnale inseguito e mantenuto
14
2.2 Errori nel Sample and Hold
In realt`a il S&H non `e in grado di acquisire istantaneamente il segnale
entrante, quindi `e necessaria una fase di sample abbastanza lunga da
permettere al circuito di assumere il valore corretto.
2.2
Errori nel Sample and Hold
Il circuito di S&H, come tutti i circuito elettronici, non `e ideale ma `e
soggetto a errori di funzionamento. Abbiamo gi`a visto le due fasi principali
di funzionamento, Sample e Hold, ma le abbiamo intese come ideali e non
abbiamo considerato i transitori di passaggio tra le due.
Vediamo i principali errori in un S&H, distinti per fase:
• Fase di sample:
Se il circuiro funziona come inseguitore-mantenitore la fase di sample
`e soggetta agli errori titpici dei Voltage Follower, tra cui:
errore di guadagno: la differenza fra segnale in ingresso e segnale
in uscita aumenta durante il periodo;
errore di offset: l’uscita `e traslata rispetto all’ingresso (errore costante);
errore di Slew Rate: risposta del segnale di uscita non istantanea.
• Transitorio da Sample a Hold:
Poich´e il passaggio dalla fase di sample a quella di hold non `e istantaneo,
l’uscita pu`o presentare alcune differenze dalla situazione ideale:
Tempo di apertura (tA ) e Jitter di apertura (∆tA ): il circuito entra nella fase di hold dopo aver ricevuto il segnale, con un ritardo
quantificabile nell’ordine dei nanosecondi;
Errore di piedestallo (²p ): entrando in hold in un momento appena successivo, immagazzina un valore leggermente diverso da
quello assunto dal segnale in ingresso in quel momento;
2. Il Sample and Hold
15
Transitorio di assestamento: il valore immagazzinato non rimane
fisso da subito, ma subisce lievi oscillazioni nella fase iniziale.
Figura 2.6: Transitorio da sample a hold
In alto in Figura 2.6 vediamo il segnale che comanda l’inizio della fase
di Hold. Dal momento che il circuito di S&H necessita di un tempo di
apertura (tA ) il valore mantenuto non `e ideale (linea orizzontale blu)
ma leggermente superiore (linea orizzontale rossa), dando origine a un
errore di piedestallo ²p .
• Fase di Hold:
In un circuito ideale nella fase di hold il valore letto viene mantenuto
inalterato per tutta la durata del periodo. In realt`a anche questa fase
`e soggetta ad errori:
errore di decadimento: la tensione immagazzinata e trasmessa all’uscita del S&H varia nel tempo diminuendo;
errore di feedtrough: il segnale in ingresso modifica l’uscita anche
durante la fase di hold;
polarizzazione dielettrica: il circuito conserva memoria del segnale
immagazzinato nella precedente fase di hold.
16
2.3 Esempi di circuiti Sample and Hold
• Transitorio da Hold a Sample:
Idealmente al passaggio dalla fase di hold a quella di sample l’uscita si
´ necessario
porta istantaneamente (ed esattamente) al nuovo valore. E
invece un certo tempo di acquisizione prima il S&H porti l’uscita al
nuovo valore (uguale al segnale in ingresso a meno di un certo errore).
2.3
2.3.1
Esempi di circuiti Sample and Hold
Circuito base
Figura 2.7: Circuito base
In figura 2.7 vediamo il pi`
u semplice esempio di circuito S&H: l’ingresso VI
viene campionato quando l’interruttore (comandato dal segnale di controllo
VC ) `e chiuso, e mantenuto in uscita VO dal condensatore C.
Questo circuito presenta per`o alcuni problemi, in primo luogo il carico non
`e isolato e quindi tende a scaricarsi in breve tempo (errore di decadimento),
secondariamente la resistenza in ingresso rende lungo il transistorio di carica,
infine l’interruttore non isolato pu`o dare origine a errori di feedthrough.
2. Il Sample and Hold
2.3.2
17
Circuito con Voltage Follower
Figura 2.8: Circuito con Voltage Follower
Il circuito con Voltage Follower (Figura 2.8) si ottiene usando un amplificatore operazionale (che ha elevata resistenza in ingresso) per isolare il
carico dall’uscita. Per migliorare ulteriormente il circuito si pu`o posizionare
un ulteriore amplificatore che isola l’interruttore dall’ingresso, riducendo gli
errori di feedthrough. (Figura 2.9)
Figura 2.9: Circuito con doppio Voltage Follower
18
2.3 Esempi di circuiti Sample and Hold
In pratica per`o i due amplificatori sono soggetti ad errori di offset e di
guadagno che in questo modo vengono sommati. Se progettiamo il circuito
come un unico Voltage Follower, eliminiamo questo problema (Figura 2.10):
Figura 2.10: Circuito come unico Voltage Follower
2.3.3
Sample and Hold a integratore
Figura 2.11: Sample and Hold a integratore
2. Il Sample and Hold
19
Se inseriamo il condensatore che mantiene la carica nell’anello di retroazione del secondo amplificatore otteniamo un circuito integratore: in pratica
anche a interruttore aperto l’amplificatore operazionale collegato all’uscita
manterr`a costante la carica.
20
2.3 Esempi di circuiti Sample and Hold
Capitolo 3
Datasheet di circuiti Sample
and Hold
3.1
Philips TDA1535B
Figura 3.1: Philips TDA1535B
In figura 3.1 vediamo uno schematico semplificato del Sample and Hold
22
3.2 Analog Devices AD585
TDA1535B prodotto dalla Philips Semiconductor. Le specifiche introduttive
descrivono un circuito ad alta velocit`a e adatto a sistemi di acquisizione fino
a 16 bit.
Il S&H in questione `e composto da cinque blocchi funzionali:
1. Supply Block: La sezione di alimentazione opera con tensioni comprese tra -5V e +5V ed `e collegato separatamente all’inseguitore di
tensione e al hold amplifier per evitare errori di feedthrough.
2. Voltage Follower: L’inseguitore di tensione `e necessario per la fase
di sample ed `e costituito di due stadi (visibili dai quattro ingressi in
figura): uno per la fase di sample, l’altro per quella di hold.
3. Hold Switch: L’interrutore che comanda la fase di hold `e un transistore nMOS dalla resistenza interna di 50Ω.
´ composto da un amplificatore operazionale che si
4. Hold Amplifier: E
occupa di mantenere costante il segnale durante la fase di hold.
5. Sample and Hold control: Il blocco di controllo `e necessario per
fornire le temporizzazioni che comandano le fasi di sample e di hold.
In figura 3.2 vediamo un grafico riassuntivo delle non-idealit`a del circuito.
3.2
Analog Devices AD585
In figura 3.3 vediamo il Sample and Hold AD585 prodotto dalla Analog
Devices: si vede chiaramente l’inseguitore di tensione, l’interrutore con la
logica di controllo e il circuito integratore necessario alla fase di hold.
Leggendo le specifiche le caratteristiche pi`
u importanti sono la precisione a
10-12 bit (sono anche menzionati alcuni convertitori A/D da usare), il tempo
di acquisizione di 10µs e alcuni parametri di non idealit`a come il jitter pari
0.5µs e il tasso di decadimento (droop rate) di 1.0mV/ms.
La figura 3.4 riassume brevemente la caratteristica di acquisizione del
circuito.
3. Datasheet di circuiti Sample and Hold
Figura 3.2: errori del Philips TDA1535B
Figura 3.3: Analog Devices AD585
23
24
3.3 National Semiconductor LF198
Figura 3.4: errori del AD585
3.3
National Semiconductor LF198
In figura 3.5 vediamo il circuito di Sample and Hold LF198 della National
Semiconductor. Il circuito `e strutturato come un unico Voltage Follower,
come abbiamo visto in precedenza. La particolarit`a di questo S&H `e l’impiego
di transistori FET per aumentare la velocit`a di acquisizione e l’accuratezza.
3.4
Analog Devices SMP04
Infine presentiamo un S&H particolare: un circuito composto di quattro
sample and hold indipendenti. (Figura 3.6)
I singoli S&H sono del tipo base, con un inverter in uscita e l’accuratezza `e garantita a 12 bit. Questo circuito multiplo `e ideale per acquisizioni
multicanale e per effettuare il deglitching da dispositivi DAC.
In figura 3.7 vediamo il SMP04 usato come deglitcher. Si vedono il convertitore DAC al centro, il generatore di gradinata e la logica di controllo del
deglitcher che pilota il il S&H a destra. I risultati sono in figura 3.8, sopra
senza e sotto usando il deglitcher.
3. Datasheet di circuiti Sample and Hold
Figura 3.5: National Semiconductor LF198
25
26
3.4 Analog Devices SMP04
Figura 3.6: Analog Devices SMP04
3. Datasheet di circuiti Sample and Hold
Figura 3.7: SMP04 usato come deglitcher
Figura 3.8: Uscita senza e con deglitcher
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