digitalna elektronika ad konverzija 1 - tnt.etf.rstnt.etf.rs/~oe3de/pdf/4. ad konverzija.pdf ·...
TRANSCRIPT
Digitalna elektronika
AD konverzija 1
Digitalna elektronika
AD konverzija
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Vi 0 1 2 3 4 5 6 7 8
N
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Vi 0 1 2 3 4 5 6 7 8
N
Greška konverzije
1LSB
Greška konverzije ±½
±½LSB
Prikazane karakteristike su unipolarne. Isto tako mogu biti i bipolarne.
Digitalna elektronika
AD konverzija
Diskretizacija -vreme -amplituda
nTs
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Vi 0 1 2 3 4 5 6 7 8
N
brojevi
vreme
amplituda
U većini konvertora se ovako i stvarno dešava
Digitalna elektronika
AD konverzija 2
Digitalna elektronika
AD konverzija
Za analizu može i obrnuto prvo diskretizacija amplitude pa diskretizacija u vremenu
amplituda vreme signal
Spektar?
Diskretizacioni nivoi
Digitalna elektronika
AD konverzija – fleš, direktni AD konvertori
V-
V+
V0
V1
V2
V3
V4
V5
V6
V7
R0
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
Vin
t0
t1
t2
t3
t4
t5
t6
t7
+
-
08 7 RRR
VVR
kVVk 0
08
007 RRR
VVRVV
208
RRR
8
VV
20
VV
kVVk2
01 kkkin telsetthenVVif
Digitalna elektronika
AD konverzija 3
Digitalna elektronika
AD konverzija – fleš, direktni AD konvertori
V-
V+
V0
V1
V2
V3
V4
V5
V6
V7
R/2
R
R
R
R
R
R
R
R/2
Vin
t0
t1
t2
t3
t4
t5
t6
t7D
1
1
1
1
1
1
1
1
D
D
D
D
D
D
D
3 bitni
registar
P
R
I
O
R
I
T
E
T
N
I
E
N
K
O
D
E
R
8/3
2
konverzijestart1
konverzijekraj2
Digitalna elektronika
AD konverzija
Digitalna elektronika
AD konverzija 4
Digitalna elektronika
AD konverzija – kompenzacija ofseta komparatora
Vk
Vin +
-
+
-
1
1
1
12
1
Vin
Vk
Vos
C
+Vc
AVout
OSinC
out
out
out
VA
AVV
VA
AV
VV
VVAV
1
1
)(
1
1
OSkinout
inOSkOSout
CkOSout
VA
VVAV
VVA
AVVAV
VVVAVVAV
1
1
1
)(
2
1
kOSinout VVVAV
Digitalna elektronika
AD konverzija – interpolacija komparatorima Vin +
-Vk
A
+
-
Vin
Vk
+
-
A
Vin
Vk
+
-
A
Vin
Vk+1
+
-
Vk+
Vk-
Vk+1+
Vk+1-
Vk
Vk-
Vk+
Vk+1-
Vk+1+
(Vk+)-(Vk-)
(Vk+1+)-(Vk-1-)
0
1
0
1
Vk+1Vin
(Vk+)-(Vk-1-)
kk VV 1
Koliko sme da bude malo u odnosu na pojačanje A
Digitalna elektronika
AD konverzija 5
Digitalna elektronika
AD konverzija – interpolacija komparatorima
A
-
A
Vin
Vk+1
+
-
Vk+
Vk-
Vk+1+
Vk+1-
Vk
Vk-
Vk+
Vk+1-
Vk+1+
(Vk+)-(Vk-)
(Vk+1+)-(Vk-1-)
0
1
0
1
Vk+1Vin
(Vk+)-(Vk-1-)
+ +
+
+
-1
0
(Vk+Vk+1)/2
(Vk+1+)- (Vk-) ?
Digitalna elektronika
AD konverzija – “subrange” - fleš AD konvertor sa podopsezima
Vj
Vj+1
V0
V1
V2
V3
V4
V5
V6
V7
R
R
R
R
R
R
R
R
Vin
t0
t1
t2
t3
t4
t5
t6
t7
88
1 jjj
kR
VVR
kjkk kjkVV 0
jjj VV 1
AD
AD
Vref
select
Vj+1
Vj
j
kLSB
MSB
Vin
∑Vj
Digitalna elektronika
AD konverzija 6
Digitalna elektronika
AD konverzija – “pipelined” - kaskadni fleš AD konvertor
AD1
AD2
Vref
Vref/2M
LSB
MSB
Vin
M
K
N=M+K
-
+ Vres
DA
KM
ref
KM
ref
K
ref
M
ref
inres
VVV
VjVV
2222
2
2
2
11
AD1
AD2
Vref
Vref
LSB
MSB
Vin
M
K
N=M+K
-
+ Vres
DA
A=2M
Može i više od dve “kaskade”!
Digitalna elektronika
AD konverzija – “folding” - fleš AD konvertor sa presavijanjem
AD1
AD2
Vref
Vref
LSB
MSB
Vin
M
K
N=M+K
folding
koloVres A
KM
ref
KM
ref
K
ref
M
ref
inres
VV
A
V
VjVV
2222
2
2
11
1
2
3
4
5
6
7
Vres
Vinput1 2 3 4 5 6 7
Digitalna elektronika
AD konverzija 7
Digitalna elektronika
AD konverzija – “folding” - fleš AD konvertor sa presavijanjem
Vo+
Vo-
Vi
M1 M2 M3 M4
RL RL
M5 M6
VR/2 5VR/6VR/6
Vi
Vo
ISRL
0
ISISIS
-ISRL
VR1
VR2
VR3
Parni segmenti Neparni segmenti
Digitalna elektronika
AD konverzija –brojački - AD konvertor sa jednostrukim nagibom
Single slope – konvertor sa jednostrukim nagibom
Vin
+
-
+
-
Generator
rampestart
stop
BROJAČ
reset clkreset, start
SC
EOC
CLK
Dn-1 D0
...
Signalom SC se startuje generator rampe i resetuje brojač. Generator rampe kreće sa naponom malo ispod nule. Pri naponu 0 startuje se brojač. Brojač broji dok napon rampe ne dostigne ulazni napon. Tada se brojač zaustavlja i njegova stanje je digitalni ekvivalent ulaznog napona. Signal EOC je signal kojim se pokazuje da je konverzija završena.
Gde je Vref?
Digitalna elektronika
AD konverzija 8
Digitalna elektronika
AD konverzija –brojački - AD konvertor sa jednostrukim nagibom
in
CLK
in
CLK
inCLK
inininGR
GR
vN
VKT
v
KT
vNtNT
taktovaNizbrojaobrojačtt
K
vtvKtvtv
tt
s
VKKttvt
1
1
111
1
0
)(
)(0 Rezolucija određena sa učestanošću takta i nagibom rampe. Maksimalan kapacitet brojača = maksimalan ulazni napon
KT
v
Kivinfiksirno
v
vN
CLKn
in
in
in
n
in
2
)12(
max
max
max
maxmax
Trajanje konverzije proporcionalno ulaznom naponu.
CLK
n
CLK
TTconv
NTTconv
)12(max
Aposlutna greška konverzije je kao i uvek jednaka Δ
Relativna greška konverzije kao i uvek zavisi od veličine ulaznog napona i izuzetno je velika za male ulazne napone, a najmanja za najviše ulazne napone N
Digitalna elektronika
AD konverzija – prati pamti kolo
I ulazni napon se menja u vremenu. U prethodnim jednačinama bi bilo tačnije da smo pisali:
)(
)()(
1
11
tvN
tvtv
in
inGR
Ovo vreme t1 nam nije unapred poznato, zavisno je od ulaznog napona. Torema odabiranja traži striktan trenutak odabiranja i period odabiranja.
PRATI/PAMTI kolo (SAMPLE/HOLD, TRACK/HOLD)
Do trenutka 0, prekidač zatvoren. PRATI (SAMPLE, TRACK) U trenutku 0 se otvara i prebacuje kolo u PAMTI (HOLD) stanje.
Digitalna elektronika
AD konverzija 9
Digitalna elektronika
AD konverzija – prati pamti kolo
Digitalna elektronika
AD konverzija – prati pamti kolo
Digitalna elektronika
AD konverzija 10
Digitalna elektronika
AD konverzija – prati pamti kolo
Digitalna elektronika
AD konverzija –brojački - AD konvertor sa dvostrukim nagibom
Dual slope – konvertor sa dvostrukim nagibom
-Vref
+
-VrampeR
C
KttCR
Vtv
dttiC
tu
ref
rampe
CC
)(
)(1
)( Tačnost K zavisi od tačnosti R i C!
VC
+
-
startstop
BROJAČ
reset
clk
CLK
Dn-1 D0
...
-Vref+
-R
CVin
S1
S2
S3
SC
S1
S2S3
Kontrolna logika
EOCDn-1
D0
QK
Digitalna elektronika
AD konverzija 11
Digitalna elektronika
AD konverzija –brojački - AD konvertor sa dvostrukim nagibom
Signalom SC startuje se konverzija
1. Prekidači S2 i S3 se otvaraju a prekidač S1 zatvara i prazni kondenzator C
2. Brojač se resetuje i zaustavlja
3. Otvara se prekidač S1, zatvara prekidač S2, i startuje brojač
tCR
Vdtti
CtV in
CC )(1
)(
4. Kada brojač dobroji do maksimalne vrednosti, prekidač S2 se otvara
i zatvara se prekidač S3
tCR
VT
CR
VtV
Tt
TCR
VTV
TT
ref
CLK
ninC
CLK
ninC
CLK
n
)12()(
)12()(
)12(
1
1
1
Digitalna elektronika
AD konverzija –brojački - AD konvertor sa dvostrukim nagibom
5. U trenutku T2 napon VC postaje jednak nuli i pojavljuje se jedinica na izlazu komparatora Qk.
6. Brojač se zaustavlja, isključuju se prekidači S2, S3.
7. Generiše se signal EOC kao signal kraja konverzije.
Brojač je izbrojao do N
12
12
)12(0)(
)12()(
2
n
ref
U
U
in
ref
n
in
CLK
ref
CLK
ninC
ref
CLK
ninC
VV
VVN
NTCR
VT
CR
VTV
tCR
VT
CR
VtV
Tačnost ΔU NE zavisi od tačnosti R i C!
Digitalna elektronika
AD konverzija 12
Digitalna elektronika
AD konverzija – Serijski AD konvertor
Upotreba DA konevertora! Da generišemo napon za poređenje!
Digitalna elektronika
AD konverzija – Prateći AD konvertor
Digitalna elektronika
AD konverzija 13
Digitalna elektronika
AD konverzija –AD konvertor sa sukcesivnim aproksimacijama
Upotreba DA konvertora na “inteligentniji” način.
+
-
clkCLK
Dn-1 D0
...
Vin
SCKontrolna logika
EOC
QK
Dn-1 D0
DACVref
Vo
SC
<
>
SC
Dn-1Dn-2...D0=00...0
Dn-1=1
Vo>VinDn-1=0Da Ne
Dn-2=1
Vo>VinDn-2=0Da Ne
Vo>VinD0=0Da Ne
EOC
.
.
.
Ovo radi kontrolna logika na osnovu SC, CLK, QK
n bitni konvertor n probanja n taktnih intervala Svaki put, bez obzira na veličinu ulaznog napona
Digitalna elektronika
AD konverzija –AD konvertor sa sukcesivnim aproksimacijama
4-bitni konvertor
123456789
101112131415
0
SC 1 2 3 4 EOC1001
Vin
Vo
Digitalna elektronika
AD konverzija 14
Digitalna elektronika
AD konverzija –AD konvertor sa sukcesivnim aproksimacijama
Kapacitivni DA – charge redistribution
Cn 12 Cn 22 C2 C
"0" "1"
track
+Vref
b0b1bn-2bn-1
-+
C
Vin
track
hold
trackhold
bi=Di+track
Qk
Vo
U toku track faze svi kondenzatori se pune na napon Vin. Startovanjem konverzije, prebacivanjem u hold fazu i stavljanjem D=0 => Vo=-Vin Postavljanjem, probanjem, bita Di na logičkoj jedinici doprinos u naponu Vo je
...02
2)(
2
2
1
itdVVBprobanjeMSV
VV
refn
n
inO
refn
i
O
Ne treba posebno prati/pamti kolo
Digitalna elektronika
AD konverzija –sigma delta AD konvertor
Z-1
0.5Vref
1
komparator
0
1-bitni
konvertor
Din=0 Vout=0
Din=1 Vout=Vref
+
+
+
-
fs
Vinx(n) x1(n) x2(n) x3(n) D(n)
x4(n)
ref
ref
ref
ref
VnDnxnxnx
VnDnxnxnxnxnx
VnDnxnxnxnx
VnDnx
nxnx
)1()1()2()1(
)()()1()()()(
)()()()()(
)()(
)1()(
22
2132
41
4
23
Sigma delta ADC prvog reda
Rekurzija i pretpostavka x(n)=x(n-1)=…=x(0)=Vin
refin VnDNVxnx )()0()( 22
Digitalna elektronika
AD konverzija 15
Digitalna elektronika
AD konverzija –sigma delta AD konvertor
)(1
)(1
)(1
)(1
0)0(
)()0()(
2
2
22
nDN
VVnDN
V
N
VnDN
nxN
V
x
VnDNVxnx
refrefin
refin
refin
D(n) signal koji se sastoji od jedinica i nula. Srednja vrednost signala D(n).