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
© Copyright 2024