A/D-muuntimia. Flash ADC

Transkriptio

1 A/D-muuntimia A/D-muuntimen valintakriteerit: - bittien lukumäärä instrumentointi 6 16 audio/video/kommunikointi/ym erikoissovellukset Tarvittava nopeus hidas > 100 μs (<10 khz) nopea μs (10 khz 100 khz) erittäin nopea >100 khz (<10 μs) Ei kannata ylimitoittaa koska hinta nousee. Esim. Bittien lukumäärän voi valita vahvistimien laadun mukaan. Kanavien lukumäärä, sarja/rinnakkais, Integroituna: näytteenotto ja pito piiri, referenssijännite Flash ADC Vertailujännite jaetaan vastusketjulla jännitetasoihin, jotka kytketään komparaattorien tuloihin. Toisessa navassa on mitattava signaali. Jos komparaattorin tulo on pienempi kuin vertailujännite, on sen lähdössä 1. Muulloin lähtöjännite on 0. Tätä kutsutaan lämpömittarikoodiksi, joka logiikkapiirillä vielä korjataan ja muunnetaan binääriluvuksi ulostuloon. Plussat ja miinukset: Nopea, valmis 1:n kellojakson jälkeen

2 Yksinkertainen toteutus, logiikkaa vain lopun binäärimuunnoksessa Ei (yleensä) vaadi S/H-piiriä (riippuu logiikasta) Sopii laajakaistaisille sovelluksille Matala resoluutio Suuri pinta-ala, paljon elektroniikkaa -> suuri tehonkulutus Kallis rakenne, vaatii oman komparaattorin jokaiselle jännitetasolle o 8-bittinen muunnin tarvitsee 256 komparaattoria o 16-bittinen jo komparaattoria resoluutio rajoittuu 8 bittiin Käyttötarkoituksia: - Satelliittiviestintä - näytteenotto-oskilloskoopit - Data acquisition, radar processing, high-density disk drives. Successive approximation ADC (suomennoksiltaan mm. Sukkessiivinen, Jäljittävä A/D, Peräkkäisten approksimaatioiden, Punnitseva muunnin) Kuva 1: Successive approximation ADC Peräkkäisten approksimaatioiden muunnin perustuu vertailuun mitattavan arvon ja D/A muuntimelta saatavan vertailuarvon välillä. Muuntimesta riippuen ohjauslogiikka laskee tai haarukoi millä DAC:n arvolla tulo- ja vertailujännite ovat lähimpänä toisiaan. Peräkkäisten approksimaatioiden muuntimet jakautuvat vielä laskuri- ja haarukointiperiaatteilla toimiviin muuntimiin:

3 Kuva 2: Laskuri ja hakkurointiperiaatteet Laskuriperiaatteella toimivan muuntimen ohjaus tapahtuu laskurin avulla. Laskuri alkaa laskea alimmasta/ylimmästä arvosta lähtien ja jatkaa laskentaa siihen saakka, kunnes vertailuasteen tila muuttuu. Rakenne on yksinkertainen, mutta toiminta hidasta. Hakkurointiperiaatteella toimivissa muuntimissa taas verrataan referenssijännitettä tulojännitteeseen. Vertailu aloitetaan mittausalueen puolivälistä. Saadun tuloksen perusteella vertailujännite asetetaan edellisen ehdon määrittämän mittausalueen puoliväliin. Näin jatketaan, kunnes haarukoitavaa ei enää ole. Rakenne on monimutkaisempi kuin laskuriperiaattella, mutta toiminta vastaavasti nopeampaa. Edut/huonot puolet: + Yksinkertainen rakenne + Valmis n:n kellojakson jälkeen + Erinomainen tarkkuus: 16(+) bittiä + Näytteenottotahti 1(+) MHz + Mahdollista toteuttaa myös suuriresoluutioisia ratkaisuja +/- 18 bit. muunnos jopa 5 μs - Jännite ei saa muuttua muunnoksen aikana - Tarvitsee SH-piirin Suosittu tekniikka kaupallisissa muuntimissa. Kaksoisintegroiva ADC Kaksoisintegroiva muunnin on pengermuunnin. Muita pengermuuntimia ovat ainakin integroiva jännite-aika sekä integroiva jännite-taajuus -muunnin, näillä kuitenkin on omia etuja ja haittoja. + Mahdollistaa myös suurresoluutioiset ratkaisut + Tarkka ja lineaarinen + Integrointi vaimentaa häiriötä. + Vakio ja tarkkaan määriteltävissä oleva varausaika - Hidas; aika riippuu tulojännitteestä, koska purkausaika ei ole vakio Pengermuuntimen etuna on se, että mittaustapahtuman aikana jaksolliset häiriöt voidaan

4 poistaa helposti mittaustuloksesta. Integrointiaika valitaan siten, että se vastaa häiriötaajuutta tai sen monikertaa. Tällöin häiriö saadaan kokonaan eliminoitua. Juuri tämän takia kaksoisintegroivaa muunninta käytetään digitaalisissa yleismittareissa. Aluksi kondensaattorin jännite asetetaan nollaksi, minkä jälkeen invertoitua integroidaan kiinteä aika (kello ja laskuri määräävät), täten kondensaattorin huippujännite on verrannollinen tulosignaaliin. ( ) Kun tulosignaalia on integroitua ajan verran, kytketään integraattorin tuloon negatiivinen referenssi. Komparaattorin havaitessa nollajännitteen, integrointiin käytetystä ajasta saadaan laskettua ohjauslogiikan ja laskurin avulla tulosignaali.

5 2 slope / R/ R Huomataan, että 2 ei riipu vastuksesta eikä kondensaattorista, vaan etukäteen määritellystä ajasta sekä jo tiedetystä jännitereferenssistä. Toimintaperiaatteesta johtuen muuntimen tarkkuus ei vaadi stabiiliutta kellon taajuudelta eikä integraattorin aikavakiolta, kunhan ne vain pysyvät vakioina muunnoksen ajan. Muuntimella saadaan myös hyvä häiriöiden vaimennus (esim. verkkotaajuisille häiriöille, 50Hz:n monikerrat) valitsemalla integrointiaika häiriön jakson tai sen monikerran pituiseksi. ΔΣ muunnin (delta-sigma) Delta-sigma muunnin eroaa hyvin paljon edellä mainituista AD-muuntimista. Delta-sigma muuntimessa käytetään ylinäytteistystä (oversampling) parantamaan signaalikohinasuhdetta bittimäärän kasvattamisen sijaan. Ylinäytteistyksessä kohinan kokonaisteho ei laske, mutta se leviää laajemmalle taajuuskaistalle jolloin kohinalattia laskee. Alipäästösuodatetaan saatu signaali jolloin saadaan poistettua kohinaa.

6 Kuva 3: Ylinäytteistys ja suodatus Signaalikohinasuhteen ollessa tavalliselle N-bittiselle muuntimelle 6,02N+1,76dB paranee 1- bittisen (SNR=7,78dB) ΔΣ-muuntimen 6dB ylinäytteistyksen nelinkertaistuessa. Tästä johtuen pelkästään ylinäytteistyksellä ei voida saavuttaa suuria signaalikohinasuhteita. Parempaan tulokseen päästään käyttämällä noise shaping -menetelmää. Tällöin kohinaa siirretään ylemmille taajuuksille takaisinkytkennän avulla. Alla esitetty piiri toimii alipäästösuodattimena signaalille ja ylipäästösuodattimena kohinalle. Kuva 4: ΔΣ-muunnin

7 Kuva 5: Muokattu kohinprofiili Tällöin saadaan paljon suurempi signaalikohinasuhteen parannus kasvatettaessa ylinäytteistystä. Koska takaisinkytkennän astetta voi helposti kasvattaa saadaan tällöin entistä parempi kohinanmuokkaus ja SNR:n parannus. Koska 1-bittinen muunnin tuottaa takaisinkytkentään suhteellisen paljon kohinaa käytetään käytännössä useampi bittistä kiikkua ja DAC:ia. Kuva 6: 2-asteen kohinanmuokkaus Kuva 7: SNR:n parannus eri takaisinkytkentäasteilla

8 Liukuhihnamuunnin (pipeline-arkkitehtuuri) + nopea + korkea resoluutio + pieni pinta-ala parempi kuin Flash ja Successive approximation Liukuhihnamuuntimessa on jaettu muunnos useampaan peräkkäiseen muuntimeen (usein Flash). Tällöin saadaan laskettua tarvittavien komponenttien (ensisijaisesti komparaattorien) määrää ja pienennettyä muuntimen fyysistä kokoa. Liukuhihnamuuntimet ovat nopeita, mutta niiden tehonkulutus on suurehko ja saavutettu SNR ei ole välttämättä kauhean hyvä. Lisäksi arkkitehtuuri aiheuttaa viivettä signaaliin joka tekee liukuhihnamuuntimien käytön säätöjärjestelmissä hankalammaksi. Kuitenkin kompakti koko on tehnyt nämä muuntimet erittäin suosituiksi ja valtaosa AD-muuntimista perustuu jonkin sortin pipeline-arkkitehtuuriin. Kuva 8:12-bittinen ja 4-vaiheinen liukuhihnamuunnin Liukuhihnamuuntimessa 1. asteessa signaali näytteistetään, AD-muunnetaan 3-bittiseksi ja muunnetaan takaisin analogiseksi signaaliksi joka vähennetään alkuperäisestä näytteestä. Tämä erotus vahvistetaan ja välitetään seuravaalle asteelle. Jokainen aste toimi periaatteessa samoin ja tuottaa 2-bittiä lopullisesta tuotteesta. Järjestelmän nopeus perustuu siihen että jokainen aste voi alkaa käsitellä välittömästi seuraavaa näytettä heti kun se on käsitellyt edellisen näytteen. Liukuhihnamuuntimet eivät ole yhtä nopeita kuin flash-muuntimet, mutta ovat selkeästi nopeampia kuin SAR- tai delta-sigma muuntimet. Liukuhihnamuuntimien signaalikohinasuhde on huonompi kuin SAR- tai delta-sigma muuntimien, mutta liukuhihnamuuntimien näytetaajuus voi olla laajempi kuin näillä. Lisäksi SAR-muuntimien komponenttien pitää olla huomattavasti parempia kuin vastaavien liukuhihnamuuntimien. Vertailu

9 Flash Kaksoisintegroiva SAR Liukuhihna Sigma-Delta Audiosignaali Mobiilisovellukset HDTV Oskilloskooppi Instrumentointi Säätö