Flash AD-muunnin. suurin kaistanleveys muista muuntimista (gigahertsejä) pieni resoluutio (max 8) kalliita

Transkriptio

1 Flash AD-muunnin Flash AD-muunnin koostuu monesta peräkkäisestä komparaattorista, joista jokainen vertaa muunnettavaa signaalia omaan referenssijännitteeseensä. Referenssijännite aikaansaadaan jännitteenjaolla: Jokainen komparaattori on kytketty eri kohtaan jännitetikapuulla, jolla referenssijännite saadaan porrastettua kullekin komparaattorille aina askeleen edellistä korkeammaksi. Komparaattorit vertaavat referenssijännitettään ja muunnettavaa signaalia antaen 1, kun muunnettava jännite on suurempi ja 0, kun muunnettava jännite on pienempi. Tällä tavoin muuntimen ulostulossa on ykkösiä niin korkealle, kuin muunnettavan signaalin voimakkuus ylittää referenssijännitteen. Hyvät ja huonot puolet: Oikeastaan ainoa hyvä puoli flash AD-muuntimessa on suuri kaistanleveys, joka ulottuu aina gigahertseihin asti. Rakenteesta johtuen muunnin vaatii todella monta komparaattoria, mikä rajaa bittimäärän pääsääntöisesti kahdeksaan. Tämän lisäksi muunnin on kallis ja se vaatii paljon tehoa. Näistä syistä johtuen muunninta käytetäänkin lähes ainoastaan korkeiden taajuuksien sovelluksissa, kuten tutkat ja satelliitit. suurin kaistanleveys muista muuntimista (gigahertsejä) pieni resoluutio (max 8) kalliita

2 Kaksoisintegroiva AD-muunnin Kaksoisintegroiva AD-muunnin koostuu integraattorista ja kytkimestä, joka kytkee referenssijännitteen ja muunnettavan signaalin välillä. Muunnin mittaa tuntemattoman jännitteen suuruuden siten, että aluksi kytkin integroi tuntematonta jännitettä tietyn vakioajan yli. Tämän jälkeen kytkin kytkee tunnetun referenssijännitteen integraattoriin, ja mittaa kondensaattorin de-integrointiin kestäneen ajan. Näistä mitatuista ajoista voidaan laskea tuntemattoman signaalin suuruus. Aika mitataan muuntimen kellotaajuuden avulla, ja muuntimen resoluution määrää se, kuinka monta kellojaksoa integroinnin mittaamiseen käytetään. Hyvät ja huonot puolet: Muuntimen nopeus ja resoluutio riippuvat integrointiajan pituudesta siten, että pitkä integrointiaika kasvattaa resoluutiota ja hidastaa muunninta. Tällä muuntimella voidaan siis saada hitaissa muutosilmiöissä korkeita resoluutioita ja bittimäärät ovatkin noin 12 ja 16 bitin tietämissä. Kaksoisintegroivan muuntimen muita hyviä puolia ovat pieni tehonkulutus ja halpa hinta. Ainoa huono puoli on pieni kaistanleveys, joka on noin 100 Hz. Pienen kaistanleveyden ja hyvän resoluution ansiosta muunninta käytetään monissa kannettavissa mittareissa, kuten digitaalisissa yleismittareissa. pieni kaistanleveys (kai jotain 100 Hertsiä) hyvä resoluutio (.16 bittiä) halpoja

3 Successive approximation AD-muunnin Suosituin AD-muunnin keskitason ja korkean resoluution AD-muuntimista. Sen resoluutio vaihtelee 8 ja 18 bitin välillä ja mahdollistaa jopa 5 Msps(Megasamples per second) näytteenoton. Se kuluttaa myös vähän tehoa ja mahtuu pieneen tilaan. Analoginen sisääntulo jännite asetetaan paikalleen. Binääri etsintä algoritmia varten N-bitin rekisteri astetaan keskiskaalalle eli MSB on 1 ja muut 0. Tämä pakottaa DA-muuntimen ulostulon V_ref/2:ksi, missä V_ref on AD-muuntimen antama referenssi jännite. Seuraavaksi verrataan V_in ja V_dac arvoja. Mikäli V_in on suurempi kuin V_dac vertailijan ulostulo on korkea, tai 1, ja MSB arvo N-bitin rekisterissä pysyy 1:nä. Jos V-in on pienempi kuin V_dac vertailijan ulostulo on matala ja MSB:n arvo muutetaan 0:ksi. Tämä sama vertailu suoritetaan muille biteille aina LSB asti. Kun tämä on tehty, on muunnos valmis N-bitin luku rekisterissä. Erityinen piiri SAR AD-muuntimissa on se, että tehohäviöt skaalautuvat näytteenottoajan mukaan. Flash ja liukuhihna AD-muuntimissa tehohäviöt eivät riipu näytteenottotaajuudesta. Tehohäviöiden skaalautuminen on hyvä piirre laitteissa jotka käyttävät vähän tehoa ja tiedonhankinta ei ole jatkuvaa, esim kännykät ja tabletit. Yhteenveto: Vähän tehoa kuluttava, melko korkea resoluutio ja tarkkuus ja pieni koko. Heikkoutena alhaisempi näytteenottotaajuus ja eri osien asettamat vaatimukset, eli DA-muuntimen ja vertailijan tarkkuus oltava yhtä korkea kuin itse järjestelmällä.

4 Liukuhihna AD-muunnin Liukuhihna AD-muunnin on suosituin vaihtoehto AD-muunnin arkkitehtuureissa jossa halutaan näytteenottonopeuden olevan jokin parin ja 100 Msps:n välillä. Liukuhihnan resoluutio vaihtelee 8bitin nopeista näytteenottotaajuuksista aina 16 bitin hitaisiin näytteenottotaajuuksiin. Tämä laaja alue mahdollistaa sen käytön useissa laittteissa kuten CCD kuvaaja, ultraäänilaitteet sairaaloissa, digitaaliset vastaanottimet, DSL, kaapelimodeemit ja nopea Ethernet. Analoginen signaali V_in näytteistetään ja pidetään tasaisena sample-an-holdilla kun flash ADmuunnin taso 1 kohdassa numerisoi signaalin 3 bittiin. Tämä 3 bitin ulostulo signaali syötetään DA-muuntimeen jonka ulostulo vähennetään alkuperäisestä analogisesta signaalista. Näiden erotus vahvistetaan nelinkertaiseksi ja syötetään seuraavaan tasoon 2. Vahvistettu erotus jaatkaa liukuhihnaa pitkin ja antaa jokaisella tasolla 3 bittiä kunnes se saaavuttaa 4 bitin flash AD-muuntimen, joka ratkaisee viimeiset 4 LSB bittiä. Koska jokaisen tason bitit on tarkasteltu eri ajankohdassa, kaikki bitit, jotka vastaavat samaa näytettä on kohdistettava ajan suhteen siirtorekisterillä ennen kuin ne syötetään digitaaliseen virheenkorjaukseen. Kun taso on suorittanut prosessinsa se voi siirtyä suoraan seuraavaan näytteeseen. Tämä liukuhihna toimintaperiaate on syy kyseisen AD-muuntimen suureen suoritustehoon. Yhteenveto: Liukuhihna AD-muuntimen näytteenoton nopeudet vaihtelevat parista Msps:tä aina 100 Msps. Tarjoaa korkeita nopeuksia ja suuren resoluution sekä alhaisen tehonkulutuksen, mutta ei silti vie paljoa tilaa. Se soveltuu useaan eri sovellukseen.

5 Delta-sigma -muunnin ΣΔ-modulaatiolla voi muuttaa korkearesoluutioista digitaalisignaalia tai analogista signaalia matalaresoluutioiseksi digitaalisignaaliksi. Ulostulon signaali on tyypillisesti yksibittinen ja sen pulssitiheys on verrannollinen sisääntulevaan signaaliin (käytännössä PFM). Modulaatio toteutetaan yleensä itegraattorilla ja komparaattorilla sekä takaisinkytkennällä (joka on yleensä yksibittinen DAC). AD-muunnokseen tarvitaan modulaattorin lisäksi piiri, joka summaa modulaattorilta tulevia pulsseja ja nollautuu tietyin aikavälein. Summaimelta saadaan siten ulos sisääntuloon verrannollista digitaalisignaalia halutulla resoluutiolla ja kellotaajuudella. Ulostulo on siis summa deltapulsseja, kuten nimi ΣΔ kertoo. DA-muunnos tapahtuu purkamalla korkearesoluutioinen digitaalinen sisääntulosignaali nopeaksi sarjaksi ykkösiä ja nollia ja suodattamalla näin saatu signaali yksinkertaisesti alipäästösuodattimella. Tätä periaatetta hyödynnetään muun muassa D-luokan vahvistimissa.

6 Hyvät ja huonot puolet: Moduloidun, matalaresoluutioisen signaalin muutosnopeus saadaan tarvittaessa paljon korkearesoluutioista signaalia korkeammaksi. Suodattamalla tämä signaali digitaalisesti saadaan lähes häviöttömästi korkearesoluutioista ulostulosignaalia (resoluutio voi olla teoriassa mitä vaan). Korkean laatunsa ansiosta ΣΔ-muunnin on nykyään hyvin yleisesti käytetty muunnintyyppi ja soveltuu muun muassa AD- ja DA-muuntimiin, moottorin ohjaukseen tai hakkuriteholähteisiin. Lisäksi ΣΔ-muunnin on edullinen valmistaa ja toimii energiatehokkaasti, minkä vuoksi se on yleisesti käytetty esimerkiksi mp3-soittimissa. Huonona puolena ΣΔ-muuntimella on lievä viive ja jokseenkin rajallinen taajuuskaista. Vertailua Flash AD Kaksoisintegroiva AD Successive approximation AD Liukuhihna-AD Delta-sigma Hyvää Huonoa Käyttökohteet Suurin kaistanleveys (jopa gigahertsejä) Pieni tehonkulutus, halpa, korkea resoluutio Tehonkulutus skaalautuu näytteenoton mukaan, pieni koko Nopeus ja resoluutio voidaan skaalata käyttökohteen mukaan Suuri resoluutio, ei vaadi kalibrointia, trimmausta tai suodatusta, edullinen, energiatehokas Suuri koko, tehonkulutus, resoluutio, hinta Pieni kaistanleveys Vaatii trimmausta tai kalibrointia suurilla resoluutioilla Tilaa vievä, viive ja tehonkulutus Hitaus, viive, rajallinen taajuuskaista Korkean taajuuden sovellukset (esim. tutka ja satelliitti) Kannettavat mittalaitteet, esim. yleismittari (hyvän tarkkuuden takia) Esim. Kännykät ja tabletit (tehonkulutuksen skaalautuvuuden takia) Yleispätevä moniin sovelluksiin AD-DA muuntimet, moottorin ohjaus, hakkurit (yleisesti laadukas muunnin)