Luento 5 AD-muunnokset

ELEC-C5070 Elektroniikkapaja (5 op)
Luento 2
A/D- ja D/A-muunnokset ja niiden vaikutus signaaleihin
Signaalin A/D-muunnos
• Analogia-digitaalimuunnin (A/D-muunnin) muuttaa
analogisen signaalin digitaaliseen muotoon, joka
voidaan lukea tietokoneella tai prosessorilla
– Vahvistin + suodatus + A/D-muunnin -> prosessori
– Mikrokontrollerit (sis. yleensä A/D-muuntimia)
– PC:n tiedonkeruukortti (DAQ)
• Digitaalisen signaalin etuja
–
–
–
–
Signaali on helppo tallentaa digitaalisena
Datan siirto ja häiriöttömyys
Järjestelmän automatisointi, ohjelmoitavuus
Monipuolisempi signaalin jatkokäsittely mahdollista
ELEC-C5070 Elektroniikkapaja
Luento 5: A/D- ja D/A-muunnokset
2
Signaalin A/D-muunnos
• A/D-muunnoksessa signaalille tapahtuu kolme asiaa
– Signaalin näytteenotto aikatasossa
– Näytteiden kvantisointi jännitetasossa
– Digitaalisanan koodaus
• Näytteenotossa jatkuva signaali muutetaan ajan
suhteen diskreeteiksi tasoiksi (kellotaajuus, sample rate)
• Kvantisoinnissa jatkuva signaali muutetaan amplitudin
suhteen diskreeteiksi tasoiksi (muuntimen bittimäärä N)
• Koodauksessa kullekin tasolle määrätään digitaalinen
koodisana (1000 1010 0110)
ELEC-C5070 Elektroniikkapaja
Luento 5: A/D- ja D/A-muunnokset
3
Signaalin laskostuminen
•
•
Näytteenotto aikatasossa aiheuttaa signaalin laskostumista
Nyqvistin teoreema
– Näytteistystaajuuden on oltava vähintään 2x mitattavan signaalin
korkeimpaan taajuuteen verrattuna, muutoin signaali laskostuu
•
Laskostumista voi vähentää, mutta ei täysin eliminoida
– Alipäästösuodatus ennen A/D-muunninta
– Antialias-suodatin usein peruskytkentää jyrkempi:
Bessel, Butterworth, Chebyshew…
•
Optimointikysymys
– Näytteistystaajuus, bittimäärä,
kohina, koko, tehonkulutus, hinta
ELEC-C5070 Elektroniikkapaja
Luento 5: A/D- ja D/A-muunnokset
4
Signaalin laskostuminen aika-alueessa
Yli Nyquistin taajuudella olevat signaalit laskostuvat alemmille taajuuksille.
ELEC-C5070 Elektroniikkapaja
Luento 5: A/D- ja D/A-muunnokset
5
Kvantisointikohina
110
Q
101
100
011
010
001
• Signaali-kohinasuhde
sinimuotoiselle signaalille, jonka Vin = Vref
000
Kvantisointivirhe
– Rajallinen tasojen määrä
tasajakautunut
– Valkoista kohinaa
2N,
111
Ulostulon tila
• Signaalin kvantisointi
jännitetasossa aiheuttaa
kvantisointikohinaa
• Diskreetti signaali
1,25
2,50
3,75 5,00 6,25 7,50
Sisäänmenojännite [V]
8,75
10,00
+Q/2
Q
0
-Q/2
SNR = 20log(2N)+ 1.76 (dB) = 6.02N + 1.76 (dB)
ELEC-C5070 Elektroniikkapaja
Luento 5: A/D- ja D/A-muunnokset
6
Kvantisoinnin bittien lukumäärä
ELEC-C5070 Elektroniikkapaja
Luento 5: A/D- ja D/A-muunnokset
7
A/D-muuntimet
•
Muuntavat analogisen signaalin digitaaliseksi sanaksi
– Sisääntulon jännitettä verrataan referenssijännitteeseen
• Sarjamuotoinen tai rinnakkaismuotoinen ulostulo
• A/D-muuntimien arkkitehtuureja:
–
–
–
–
Kaksoisintegroiva muunnin
Punnitseva A/D-muunnin (Successive Approximation, SAR)
Rinnakkaismuuntimet (Flash), Pipeline-muuntimet
Sigma-delta muuntimet
• Valintakriteerinä resoluutio, nopeus, koko,
tehonkulutus
ELEC-C5070 Elektroniikkapaja
Luento 5: A/D- ja D/A-muunnokset
8
Kaksoisintegroiva A/D-muunnin
•
•
•
•
•
•
Sisääntulojännite lataa
kapasitanssia, joka puretaan
negatiivisella referenssijännitteellä
Samalla lasketaan kellojaksoja
Jännitemittaus muutetaan kahden
ajan suhteen mittaamiseksi
Uin=(T2/T1)*Uref
Tarkkuus riippuu kellotaajuuden ja
referenssijännitteen
stabiilisuudesta
Tarkka, mutta suhteellisen hidas
muunnosmenetelmä
Käytössä yleismittareissa
ELEC-C5070 Elektroniikkapaja
Luento 5: A/D- ja D/A-muunnokset
9
Punnitseva (SAR) A/D-muunnin
Vin
Vref
D/A-muunnin
. . .
Komparaattori
Punnituslogiikka
•
Digitaalinen
ulostulo
Kello
Ulostulo
Vref
0,75 Vref
Vin
1011 0111
0,5 Vref
0,25 Vref
1
2
3
4
5
6
7
8
SAR-muunnin
– “Successive Approximation
Register”
– Nopea A/D-muunnos (1-50 us)
– Vastaavasti taajuus < 1 MSPS
– Iteratiivisesti bitti kerrallaan, alkaen
merkitsevimmästä (MSB)
– Muunnokseen tarvittava aika
suoraan bittien lukumäärästä
– 8 - 18 bittiä
Kellojakso
8-bittinen punnitseva A/D muunnin ja
ulostulon kehittyminen muunnoksen aikana
ELEC-C5070 Elektroniikkapaja
Luento 5: A/D- ja D/A-muunnokset
10
Tyypillinen SAR A/D-muunnin
Rinnakkais (Flash) A/D-muunnin
Vref
Vin
3R/2
2n-1
komparaattoria
•
Rinnakkaismuunnin
– Nopein A/D-muunnin (ns-luokkaa)
– Parallel, flash, simultaneous
– Kaikki bitit muunnetaan kerralla
R
...
...
R
Digitaalinen
ulostulo
Dekooderi
R
•
Jännitteiden vertailu
– 2N-1 komparaattoria ja referenssijännitettä
(4-10 bit)
– Vaatii paljon osia -> vie paljon tilaa
– Koodaus digitaalisanaksi korkeimman
aktivoidun komparaattorin perusteella
R/2
ELEC-C5070 Elektroniikkapaja
Luento 5: A/D- ja D/A-muunnokset
12
2-vaiheinen Half-Flash A/D-muunnin
•
•
•
•
•
“Half-flash” -muunnin
“Pipeline”-muunnin
Vähemmän komponentteja
8-bit flash-muunnin vaatii 255 kpl
komparaattoreita,
4-bit flash vain 15 kpl
8-bit half-flash muunnin
–
–
–
–
2 kpl 4-bit flash + D/A
Vähemmän komponentteja
Hidastaa nopeutta tekijällä 3-5
Pienempi, mutta silti nopea!
ELEC-C5070 Elektroniikkapaja
Luento 5: A/D- ja D/A-muunnokset
13
2-vaiheinen Half-Flash A/D-muunnin
Sigma-delta (SD) muunnin
• http://www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-022.pdf
Sigma-delta (SD) muunnin
•
Sigma-delta muunnin
– Perusratkaisussa 1-bittinen takaisinkytkentä
– Ultralineaarinen, voi seurata lähes mitä tahansa jännitetasoa
•
Toimintaperiaate
– Sisääntulosignaali moduloidaan 1-bit datavirraksi ja takaisinkytketään
alkuperäisen signaalin kanssa verrattavaksi.
•
Käyttää ylinäytteistystekniikkaa (oversampling)
– Kvantisointikohina siirtyy korkeammille taajuuksille
– Signaali digitaalisuodatetaan ja desimoidaan.
– Bittien lukumäärä jopa 24, näytenopeudet jopa 200 kHz
•
Käyttökohteita
– Audio-signaalit, teollisuuden tarkkuusmittaukset
ELEC-C5070 Elektroniikkapaja
Luento 5: A/D- ja D/A-muunnokset
16
D/A-muuntimet
•
•
•
•
Muuttavat digitaalisen sanan analogiseksi signaaliksi
Tarvitsee referenssijännitteen (integroitu tai ulkoinen)
Useimmiten rinnakkaismuotoisia, mutta joskus sarjamuotoisia
Monelta osin helpompia tehdä kuin A/D-muuntimet,
esim. nopeus
ELEC-C5070 Elektroniikkapaja
Luento 5: A/D- ja D/A-muunnokset
17
Näytteenotto ja pito (S&H)-piirit
• Näytteenotto ja pito (S&H)-piiri
– Pitää jännitetason paikallaan
muunnoksen aikana
• Analoginen multiplekseri (MUX)
– Jakaa A/D muuntimen useamman
signaalin kesken
• Jännitereferenssi (REF)
– Vakaa jännite, jota vasten
muunnettavaa jännitettä verrataan
ELEC-C5070 Elektroniikkapaja
Luento 5: A/D- ja D/A-muunnokset
18