z. prijic´mikroelektronika.elfak.ni.ac.rs/analogna/files/ad_conv.pdf · analogno-digitalna...

Analogno-digitalna konverzija

Analogna mikroelektronika

Z. Prijic

Elektronski fakultet NišKatedra za mikroelektroniku

Predavanja 2006.

Z. Prijic Analogna mikroelektronika

Analogno-digitalna konverzija

Sadržaj

1 Analogno-digitalna konverzijaDiskretizacijaKvantizacijaKodiranje


Analogno-digitalna konverzijaDiskretizacijaKvantizacijaKodiranje

Sadržaj




Proizvoljni analogni signal



Diskretizacija analognog signalaUzorkovanje (sampling)



Diskretizacija analognog signalaStepenasta aproksimacija (sample and hold)



Diskretizacija analognog signalaStepenasta aproksimacija - osnovno kolo

V_in

SINE(0 5 1k)

PULSE(0 5 0 0.1u 0.1u 1u 50u)

V_sample

U1

C1

0.01µR210meg

S1

SW

R3

100k

V_out

V_sample

v_in

--- E:\SveNase\Nastava\Analogna\ad_sample_hold.asc ---



Diskretizacija analognog signala

0.0ms 0.1ms 0.2ms 0.3ms 0.4ms 0.5ms 0.6ms 0.7ms 0.8ms 0.9ms 1.0ms-6V

-5V

-4V

-3V

-2V

-1V

0V

1V

2V

3V

4V

5V

6VV(v_out) V(v_in) V(v_sample)

--- E:\SveNase\Nastava\Analogna\ad_sample_hold.raw ---



Teorema uzorkovanjaUslov za uspešnu diskretizaciju

Ucestanost uzorkovanja fs mora biti najmanje dva puta veca odmaksimalne ucestanosti analognog signala fa(max).

fs ≥ 2fa(max)

fa(max) se naziva Nyquist–ova ucestanost.



Eliminacija viših harmonikaAnti-aliasing

Filtar treba da eliminiše sve ucestanosti koje su vece od fs/2.



Eliminacija viših harmonikaUpotreba filtra drugog reda, propusnika niskih ucestanosti

V_analog

SINE(0 5 1k)

PULSE(0 5 0 0.1u 0.1u 1u 10u)

V_sample

U1

C1

0.01µR210meg

S1SW

V1

SINE(0 0.1 100k)

U2

LT1007

V2

10

V3

-10

R1

100k

R4

100k

C2

56.3p

C3

113p

V4

SINE(0 50m 120k 0 0 90)

V_out

V_sample

v_in

V- V+

V-

V+

V_butt

.include opamp.sub

.tran 1m

.MODEL SW VSWITCH(VON=5V VOFF=0V RON=0.01 ROFF=10MEG)

--- E:\SveNase\Nastava\Analogna\ad_anti_aliasing.asc ---



Eliminacija viših harmonikaVremenski dijagrami

0.0ms 0.1ms 0.2ms 0.3ms 0.4ms 0.5ms 0.6ms 0.7ms 0.8ms 0.9ms 1.0ms-6V

-5V

-4V

-3V

-2V

-1V

0V

1V

2V

3V

4V

5V

6VV(v_out) V(v_in) V(v_butt)

--- E:\SveNase\Nastava\Analogna\ad_anti_aliasing.raw ---



Sadržaj




Princip A/D konverzije

vD =b1

21 +b2

22 + · · ·+ bn

2n

b1 je najznacajniji bit (most significant bit – MSB)b2 je najmanje znacajni bit (least significant bit – LSB)



Princip A/D konverzijePrimer

Neka je analogni signal u rasponu 0 ≤ vA ≤ 5V. Ako je digitalnareprezentacija signala 2-bitna rec, tada ce signal bitireprezentovan sa 4 diskretna nivoa (0,1,2,3), pri cemu svaki bitreprezentuje 5V/4=1,25V.

Kvantizacioni nivo Vrednost (V) Binarni kod0 1,25 001 2,5 012 3,75 103 5 11

Ako je u pitanju 4-bitna rec, tada ce postojati 16 diskretnihnivoa (0,1,. . . ,15) vrednosti 5V/16=0,3125V.



Kvantizacija4 nivoa, 2 bita



KvantizacijaRekonstrukcija signala



Kvantizacija16 nivoa, 4 bita



KvantizacijaRekonstrukcija signala



KvantizacijaSimultani (flash) A/D konvertor

R R R R R R R R

X_1

V_r

ef

V_ref

X_2

X_3

X_4

X_5

X_6

X_7

V_d

isc

V_d

isc

--- E:\SveNase\Nastava\Analogna\AD_basic_drawing.asc ---

Ovo kolo vrši kvantizaciju signala. Operacioni pojacavaci su ukonfiguraciji komparatora. Diskretizovani signal je Vdisc. Njegovinivoi se porede sa naponima na invertujucim ulazimakomparatora. Nulti nivo se podrazumeva.



KvantizacijaZa 3–bitnu rec ima 8 diskretizacionih nivoa

Kada je Vref = 8V:

Nivo X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7

0 Vdisc ≤ 1 0 0 0 0 0 0 01 1 ≤ Vdisc ≤ 2 1 0 0 0 0 0 02 2 ≤ Vdisc ≤ 3 1 1 0 0 0 0 03 3 ≤ Vdisc ≤ 4 1 1 1 0 0 0 04 4 ≤ Vdisc ≤ 5 1 1 1 1 0 0 05 5 ≤ Vdisc ≤ 6 1 1 1 1 1 0 06 6 ≤ Vdisc ≤ 7 1 1 1 1 1 1 07 7 ≤ Vdisc ≤ 8 1 1 1 1 1 1 1



Kvantizacija3-bitna rec, tablica istinitosti

Y2 Y1 Y0

0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1



Sadržaj




KodiranjeSimultani (flash) A/D konvertor

Kodiranje ce biti ispravno uz sledecu tablicu istinitosti:

Nivo X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 Y2 Y1 Y0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01 1 0 0 0 0 0 0 0 0 12 0 1 0 0 0 0 0 0 1 03 0 0 1 0 0 0 0 0 1 14 0 0 0 1 0 0 0 1 0 05 0 0 0 0 1 0 0 1 0 16 0 0 0 0 0 1 0 1 1 07 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1




Logicka funkcija koja obezbeduje željenu tablicu istinitosti seostvaruje pomocu ILI kola:

A1

A2

A3

V1

5

V2

0

V3

0

V4

0

V5

0

V6

0

V7

0

Y_2

Y_1

Y_0

X_0

X_1

X_2

X_3

X_4

X_5

X_6

X_7

I_1

I_2

I_3

I_4

I_5

I_6

I_7

.tran 40m

Y_0 = X_1 + X_3 + X_5 + X_7Y_1 = X_2 + X_3 + X_6 + X_7Y_2 = X_4 + X_5 + X_6 + X_7

--- E:\SveNase\Nastava\Analogna\OR_octal_to_binary.asc ---




Potrebno je odrediti redosled prioriteta. To znaci da, kada jeaktivan ulaz Xn, svi ulazi ispod njega moraju biti neaktivni. Npr.,kada se aktivira ulaz X3, ulazi X2 i X1 moraju biti neaktivni. Nataj nacin se sa sigurnošcu zna koji se kvantizirani nivo kodira.Ovu funkciju, zajedno sa funkcijom tablice istinitosti,obezbeduje kolo koje se naziva enkoder prioriteta (priorityencoder ).




R R R R R R R R

1 2 3 4 5 6 7 8910111213141516

X_1

V_ref

X_2

X_3

X_4

X_5

X_6

X_7

V_d

isc

X_0

PULSE_ENABLE

Y_0

Y_1

Y_2

PARITY ENCODER

--- E:\SveNase\Nastava\Analogna\Parity_basic_drawing.asc --- PULSE ENABLE ukljucuje enkoder tokom hold perioda, kako bise obavilo kodiranje, a iskljucuje ga tokom sample perioda.



KodiranjeEnkoder prioriteta sa Active HIGH logikom

A1

A2

A3

A4

A5A6

A7

A8A9

A10

A11A12

A13A14

A15A16

A17A18

A19A20A21

A22

A23

A24

A25

A26

A27

A_0

A_1

A_2

I_1

I_2

I_3

I_7

I_6

I_5

I_4

I_0

PU

LSE

_EN

AB

LE



KodiranjeEnkoder prioriteta sa Active LOW logikom (74LS148 kolo)

��

�� SDLS053B − OCTOBER 1976 − REVISED MAY 2004

5POST OFFICE BOX 655303 • DALLAS, TEXAS 75265

’148, ’LS148 logic diagram (positive logic)

(10)

(11)

(12)

(13)

(1)

(2)

(3)

(4)

1

2

3

4

5

6

7

EI

A1

A2

A0

(5)

0

(14)

EO

G5

(6)

(9)

(7)

(15)

Pin numbers shown are for D, J, N, NS, and W packages.



Simultani A/D konvertor

Kaskadnom vezom dva enkodera moguce je kodirati 16kvantizacionih nivoa u 4–bitnu rec.Nedostatak metoda konverzije za potrebe kodiranja 2n

kvantizacionih nivoa je u zahtevu za 2n − 1 operacionihpojacavaca i 2n otpornika.



Ostali metodi A/D konverzije

Metod dvostruke strmineSigma/Delta metodMetod sukcesivne aproksimacije. . .


z. prijic´mikroelektronika.elfak.ni.ac.rs/analogna/files/ad_conv.pdf · analogno-digitalna...

Documents