LABORATORIOTYÖ 2 A/D-MUUNNOS

Transkriptio

1 LABORATORIOTYÖ 2 A/D-MUUNNOS Päivitetty: 23/01/2009 TP 2-1

2 2. A/D-muunnos Työn tarkoitus Tässä työssä demotaan A/D-muunnoksen ominaisuuksia ja ongelmia. Tarkoitus on osoittaa käytännössä, miten bittimäärä ja näytteenottotaajuus vaikuttavat signaalin laatuun, mitä laskostuminen on ja miten antialias- ja pehmennyssuodattimet vaikuttavat signaaliin ja muunnokseen. Sisältö: 2.1 Johdanto 2.2 Teoriaa 2.3 Laitteen toiminta 2.4 Tarvittavat laitteet 2.5 Esiselostustehtävät 2.6 Tehtävät 2.1 Johdanto Laite sisältää signaaligeneraattorin, radion, antialias-suodattimen, A/D-muuntimen, D/Amuuntimen, näytteenotto- ja pitopiirin (sample and hold, S/H), pehmennyssuodattimen (smoothing filter) ja päätevahvistimen, jolla voi ajaa kaiutinta. Suodatinten rajataajuudet, näytteenottotaajuus ja muuntimien resoluutio ovat säädettäviä. 2.2 Teoriaa Hieman tähän työhön liittyvää teoriaa ja pari sanaa SC-suodattimista, joista kaikilla ei välttämättä ole tietoa. A/D- ja D/A-muunnos Tähän liittyvä teoria on varmasti pääosin tuttua, mutta kertauksena pari asiaa. A/Dmuunnoksen näytteenottotaajuus f s määrää muunnettavan signaalin kaistanleveyden. Nyquistin teoreeman mukaan signaalin korkein taajuus saa olla korkeintaan f s /2, jotta signaali ei laskostu ( aliasoidu ) A/D-muunnoksessa. Myös kohina laskostuu, eli ennen A/D-muunninta kannattaa aina käyttää alipäästösuodatinta. A/D-muuntimilla on tietty referenssijännite, johon muunnettavaa signaalia verrataan. Jos signaali on yhtä suuri kuin V ref, on kaikkien digitaalilähtöjen tila 1, eli digitaaliannon arvo on suurin mahdollinen. Jos tulosignaali on jatkuvasti matalampi kuin V ref, ei muuntimen dynamiikkaa hyödynnetä täydellisesti. Siksi tulosignaalin amplitudi tulisikin säätää sellaiseksi, että signaalin huippuarvot ovat hyvin lähellä referenssijännitettä. Referenssijännite on useissa A/D-muuntimissa sisäinen, joten sitä ei voi säätää. 2-2

3 Muuntimen bittimäärä vaikuttaa kvantisointivirheeseen. Pienin havaittava signaalin muutos on FSR/2 N, jossa FSR on Full Scale Range, eli maksimi ottojännite. N on muuntimen bittimäärä. Pienten signaalimuutosten hukkuminen aiheuttaa kohinaa. D/A-muunnoksen jälkeen signaali on kvantisoitunutta, eli sen muoto on porrasmainen. Tätä pyritään siistimään pehmennyssuodattimella, jonka rajataajuus pitäisi olla sama kuin antialias-suodattimella, mutta siirtymäkaistan tulisi olla noin kaksi kertaa leveämpi. Tässä laitteessa antialias-suodattimena ja pehmennyssuodattimena käytetään SC-suodattimia, joilla jyrkkä taajuusvaste on helppo toteuttaa ja rajataajuuden säätö on yksinkertaista. Switched capacitor-tekniikka Tässä laitteessa käytetyt alipäästösuodattimet ovat switched capacitor-tyyppisiä, joten pari sanaa niistä. Switched capacitor (SC) tarkoittaa integroituja piirejä, joissa vastuksia emuloidaan kytkemällä kapasitansseja nopeasti kahden eri pisteen välillä. Kuvassa 1 on esitettynä yksinkertaisen SC-piirin toiminta ja sen vastinpiiri. Kellosignaalit φ 1 ja φ 2 eivät ole missään vaiheessa päällekkäisiä, joten kondensaattorin plus-napa on kytkettynä kerrallaan vain yhteen pisteeseen. Ideana on, että kondensaattori ehtii varautua tiettyyn jännitteeseen, jonka jälkeen varaus siirretään eteenpäin. Varauksen suuruus, eli kondensaattorin jännite, riippuu kellojakson T pituudesta. Kuvassa 2 on esimerkkinä SCintegraattori, (a.) on ei-invertoiva ja (b.) on invertoiva. Integraattori on SC-suodattimen perusrakenneosa. Kuva 1. SC-piirin toiminta. 2-3

4 Etuna SC-tekniikassa on se, että vastuksia ei tarvitse prosessoida piisubstraatille. Vastusten tarkka toteuttaminen nykyisillä pulijohdeprosesseilla on melko hankalaa ja niiden resistanssia on vaikea hallita. Vastaavasti myös kondensaattoreiden kapasitanssia ei voida määrätä tarkasti. SC-piireissä ei kuitenkaan yksittäinen kapasitanssi määrää piirin ominaisuuksia, vaan ratkaisevassa asemassa on kapasitanssien suhde toisiinsa. Puolijohdeprosessissa erilaiset virhetekijät vaikuttavat suurelle alueelle piikiekossa, joten on mahdotonta, että yksi kondensaattori olisi 10 % nimellisarvoaan suurempi ja viereinen 10 % pienempi. Jos poikkeamia on, ne vaikuttavat kaikkiin yhden piirin kondensaattoreihin samalla tavalla. Näin kapasitanssisuhteet ja myös piirin toiminta pysyvät suunniteltuina. Kuva 2. SC-integraattori. Koska kyseessä on kellosignaalilla toimiva digitaalipiiri, pitää myös mahdollisuus signaalin laskostumiseen ottaa huomioon. Yleensä kuitenkin SC-suodattimet toimivat niin korkealla kellotaajuudella (tässä laitteessa esim. 1,5 MHz), ettei tästä tule mitään ongelmia. Tämän ominaisuuden vuoksi suodattimella on aina saman muotoinen päästökaista jokaisen kellotaajuuden harmonisen ympärillä. 2.3 Laitteen toiminta Laitteen lohkokaavio on esitetty kuvassa 3. Signaalilähteinä ovat tavallinen FM-radio ja signaaligeneraattori. Radiolla voidaan tuottaa normaalia äänisignaalia (musiikkia tai puhetta). IC:n, jolla radio on toteutettu, antojännite on matala (n. 75 mv rms ), joten radion yhteydessä on vielä operaatiovahvistin. Signaaligeneraattorista saadaan sini-, kolmio- ja kanttiaaltoa kahdella taajuusalueella, 100 Hz 13 khz ja 300 Hz 40 khz. Lisäksi laitteeseen voidaan kytkeä kaksi ulkoista signaalilähdettä. Lähde valitaan kiertokytkimellä. Kytkimen jälkeen signaalia vahvistetaan lisää (jännite kaksinkertaistetaan). Tässä kohdassa on myös ensimmäinen signaalin lähtöliitin (output 1). Seuraavana signaalitiellä on alipäästösuodatin (8. asteen elliptinen) antialias-suodattimena. Suodattimen rajataajuus on valittavissa kiertokytkimellä 6 vaihtoehdosta (15 khz, 7,5 khz, 3,75 khz, Hz, 938 Hz ja 469 Hz). Lisäksi suodatin voidaan ohittaa vaihtokytkimellä. Kytkimen jälkeen on toinen lähtöliitin (output 2). 2-4

5 Tämän jälkeen signaali biasoidaan operaatiovahvistimella siten, että sen DC-komponentti on V ref /2. Tämä siksi, että A/D-muuntimen otto toimii välillä 0 V V ref. Ennen operaatiovahvistinta on potentiometri, jolla signaalia voidaan vaimentaa, haluttaessa jopa kokonaan. Jännitetaso on mitoitettu niin, että jos vaimennusta ei ole yhtään, A/Dmuuntimen otto yliohjautuu ja signaali leikkautuu. Näin voidaan demota V ref :n ja signaalin suhteen vaikutusta. Tasonsäädön ja biasoinnin tulos näkyy lähdöstä output 3. Kuva 3. A/D & D/A-demolaitteen lohkokaavio. Näiden jälkeen suoritetaan A/D-muunnos. Näytteenottotaajuus on säädettävä. Tässäkin on kiertokytkimellä valittavissa 6 vaihtoehtoa (44,1 khz, 22,05 khz, 11,025 khz, 5,51 khz, Hz ja Hz). Muuntimen dataväylässä on kytkimet jokaiselle bitille, jolloin haluttaessa voidaan muunnoksesta pudottaa bittejä pois ja kuunnella esimerkiksi musiikkia 2-bittisellä muunnoksella. Tämän jälkeen signaali D/A-muunnetaan. D/Amuuntimen maksimiantojännite on 4,095 V, jolloin LSB vastaa 1 mv jännitettä annossa, ja MSB vastaavasti 2,048 V. Tässä kohdassa on output 4. Heti tämän jälkeen jännitetaso pudotetaan vastusjaolla puoleen, koska signaalitien seuraavat osat yliohjautuisivat näin korkeasta jännitteestä. Seuraavaksi on näytteenotto- ja pitopiiri. Se on pitotilassa sillä hetkellä kun D/Amuunnin vaihtaa tilaa siltä varalta, että D/A-muuntimen annossa olisi häiriöitä. Tässä laitteessa oleva S/H-piiri on melko huono. Todellisuudessa D/A-muuntimen lähtö on häiriötön ja S/H vain heikentää signaalia, se onkin hyvä esimerkki siitä miltä huono D/Amuuntimen lähtö näyttää. S/H-piirin voi ohittaa vaihtokytkimellä, jonka jälkeen on viides lähtöliitin. Seuraavaksi on pehmennyssuodatin, jonka tapauksessa rajataajuus valitaan myös kuudesta vaihtoehdosta. Rajataajuudet ovat samat kuin antialias-suodattimessa, mutta 2-5

6 siirtymäkaista on hieman leveämpi; suodatin on 8. asteen Butterworth. Tämäkin suodatin voidaan ohittaa vaihtokytkimellä. Suodattimen perässä on output 6. Viimeinen lohko on päätevahvistin. Käytetyllä vahvistinpiirillä on kiinteä 20 db vahvistus, joten jännitetasoa pitää taas pudottaa ennen vahvistinta. Ensin on vastus ja sen jälkeen vielä potentiometri, jolla sisäänmenevää signaalia voidaan säätää. Tämä vahvistin on melko kohinainen ja se onkin tarkoitettu lähinnä kaiuttimen ohjaamiseen. Vahvistimelle menevän signaalin voi valita kiertokytkimellä, jolloin voidaan kuunnella signaalia muunnoksen eri vaiheissa. Kuvassa 4 on esitetty eri lohkojen käyttämät taajuudet graafisesti helpottamaan oikeiden säätöjen tekemistä. Kuvasta selviää suodatinten rajataajuudet, siirtymäkaistat, A/Dmuuntimen näytteenottotaajuus ja Nyquist-taajuus, radion taajuuskaista sekä signaaligeneraattorin kummatkin taajuuskaistat. Kuva 4. Taajuusalueet. 2-6

7 2.4 Tarvittavat laitteet A/D- & D/A-muunnos demolaite FFT-spektrianalysaattori (esim. Stanford model SR760) Pikaohje Numeronäppäimistön oikealla puolella olevilla napeilla valitaan, mitä ominaisuutta halutaan säätää. Freq-napilla päästään taajuusvalikkoon ja Scale-napilla jännitevalikkoon. Nämä kaksi valikkoa ovat tässä työssä tärkeimmät. Näytön reunalla olevilla napeilla valitaan mitä säädetään ja haluttu arvo syötetään joko numeronäppäimillä, jolloin valinta kuitataan valitsemalla yksikkö näytön reunalla olevilla napeilla tai säätöpyörällä. Taajuusalue kannattaa säätää alkamaan nollasta, sopiva maksimitaajuus riippuu tehtävästä. Jännitealueen alaraja voi olla esimerkiksi 0 tai -0,1 V, yläraja riippuu mittauspisteestä, yleensä sopiva on 2 3 V. Digitaalioskilloskooppi (esim. Agilent 54624A) Säädöt saa sopivaksi monissa tapauksissa Autoscale-toiminnolla. Vaakapyyhkäisyä voi joutua säätämään käsin sopivammaksi. Jos signaalia katsotaan D/A-muunnoksen jälkeen, kannattaa käyttää kertamittausta, jolloin signaalin saa pysäytettyä oskilloskoopin ruudulla. Kertaliipaisu tapahtuu Single-napista. 2-7

8 2.5 Esiselostustehtävät 1. Analoginen signaali, jonka signaali-kohinasuhde on 70 db, muunnetaan digitaaliseksi. Mikä kannattaa valita muuntimen resoluutioksi (siis montako bittiä)? 2. Haluat suorittaa A/D-muunnoksen signaalille, jonka kiinnostava kaista on välillä 0 20 khz. Signaali sisältää myös kohinaa ja erilaisia häiriöitä yli 20 khz taajuuksilla. Käytössäsi on 5. asteen Butterworth-alipäästösuodatin, jonka -3 db rajataajuus on 20 khz ja vaimennus on 30 db/oktaavi. Mikä pitää näytteenottotaajuuden vähintään olla, jotta laskostumisen aiheuttama häiriö signaalikaistalla on korkeintaan LSB:n suuruinen? Muuntimen resoluutio on 8 bittiä. 3. Kuinka suuri on 16-bittisen D/A-muuntimen dynaaminen alue (eli suurimman ja pienimmän antosignaalin suhde) desibeleinä? 4. Haluat tarkkailla valodetektorilta saatavaa signaalia. Kiinnostava taajuuskaista on 0 5 khz, mutta signaali sisältää myös laajakaistaista kohinaa ja korkeataajuisia häiriöitä. Detektorin antojännite on 0 20 mv. Mittaustulos pitää muuttaa digitaaliseksi ja käytössäsi on A/D-muunnin, jonka referenssijännite on 2,5 V. Piirrä sopiva kytkentä (lohkokaavio) detektorilta A/D-muuntimelle. 2-8

9 2.6 Tehtävät Työhön tutustuminen Tutustu A/D-demolaitteistoon. Etsi seuraavat lohkot ja kokeile miten niitä käytetään: Signaaligeneraattori, radio, antialias-suodatin, signaalin tasonsäätö, A/D- ja D/Amuuntimet, pehmennyssuodatin, audiovahvistin kaiuttimineen. Kiinnitä erityisesti huomiota siihen, mihin parametreihin voit vaikuttaa. Voit laittaa tutustumisen ajaksi radion ja kaiuttimen päälle, jotta kuulet miten säädöt vaikuttavat. Tutki aaltomuotoja myös oskilloskoopilla eri lähdöistä. Oskilloskoopin liipaisu kannattaa ottaa sisäänmenosta (output 1), koska kuva pysyy näin vakaampana. Myös liipaisun HF-reject kannattaa ottaa käyttöön (Mode/coupling -> HF-reject). Resoluution vaikutus muunnokseen Tutkitaan resoluutiota käyttäen laitteen sisäistä signaaligeneraattoria. Mittaukset tehdään oskilloskoopilla laitteen sisäänmenosta (ulostulot 1-3) ja muuntimen jälkeen (ulostulot 4 ja 6). Säädä ensin signaalin taso sopivaksi: Valitse näytteenottotaajuudeksi 44,1 khz, ota pehmennyssuodatin käyttöön (rajataajuus 15 khz) ja syötä laitteeseen sinisignaalia (matalampi taajuusalue, taajuussäätö noin puolivälissä). Tarkkaile signaalia oskilloskoopilla 6-ulostulosta ja säädä amplitudi level adjusment-nupista siten, että se on suurin mahdollinen signaalin kuitenkaan leikkautumatta. 1. Pidä näytteenottotaajuus maksimissa (44,1 khz) ja ohita kummatkin alipäästösuodattimet (kytkin bypass-asentoon). Syötä laitteeseen sinisignaalia eri taajuuksilla (esim. 500 Hz, 2 khz ja 10 khz). Tarkkaile oskilloskoopilla D/Amuuntimelta tulevaa signaalia (ulostulo 6). Miten bittimäärä vaikuttaa signaaliin? Montako bittiä voit pudottaa pois ennen kuin havaitset selkeän muutoksen ja miten siniaallon taajuus vaikuttaa tähän? Tee sama koe myös kolmio- ja neliöaallolla. Tässä kannattaa käyttää oskilloskoopin kertaliipaisua, jolloin näet valokuvan signaalista. 2. Kytke oskilloskooppi nyt pehmennyssuodattimen perässä olevaan lähtöön (ulostulo 6). Ota pehmennyssuodatin käyttöön. Jos pehmennyssuodatin on oikein säädetty, onko bittimäärän vähentämisellä minkäänlaista vaikutusta sinisignaaliin (käytä esim. samoja taajuuksia kuin edellisessä kohdassa)? Voiko pienen resoluution aiheuttamia ongelmia korjata pehmennyssuodattimella? Kokeile myös rajataajuuden vaikutusta. Vertaa signaalia ennen muunnosta (ulostulo 1) pehmennyssuodattimelta saatavaan signaaliin. Tee sama koe radiosta saatavalle äänisignaalille. 3. Ohita pehmennyssuodatin ja kuuntele radiota. Radion sijaan voit käyttää myös esim. omaa MP3-soitinta. Työpisteessä on kaapeli, jolla soittimen voi kytkeä demolaitteen sisääntuloliittimiin. Miltä bittimäärän vähentäminen kuulostaa? Monellako bitillä musiikista/puheesta saa selvää? Miltä kvantisointikohina kuulostaa tavalliseen valkoiseen kohinaan verrattuna (valkoista kohinaa voit kuunnella virittämällä radion sellaiselle taajuudelle jossa ei ole lähetystä)? 2-9

10 4. Kytke spektrianalysaattori ulostuloon 6. Mittaa kvantisointikohinan taso eri bittimäärillä. Käytä signaalina siniaaltoa valitsemallasi taajuudella. Ilmoita tulokset signaali/kohina-suhteena desibeleinä. Huomaa, että laitteessa on myös pohjakohinaa, joten esimerkiksi bitin resoluutiolla ei kohinan määrässä ole välttämättä mitään eroa. Mahdolliset särökomponentit voit jättää myös huomioimatta. Mikä on muunnoksen efektiivinen bittimäärä? Laskostuminen 5. Säädä nyt näytteenottotaajuus matalaksi: 5,51 khz. Ohita alipäästösuodattimet. Kuuntele radiota. Radion taajuuskaista on 20 Hz 10 khz, joten signaali laskostuu. Miten se vaikuttaa ääneen? Signaalia kannattaa seurata myös oskilloskoopilla ja spektrianalysaattorilla ulostulosta 6. Pystytkö pelastamaan tilanteen ilman antialiassuodatusta? 6. Pidä näytteenottotaajuus samana, ota antialias-suodatin käyttöön (pehmennyssuodatin pois) ja säädä rajataajuus sopivaksi. Saatko signaalista häiriöt pois? Ota myös pehmennyssuodatin käyttöön, ja säädä sen rajataajuus samaksi kuin antialiassuodattimella on. Paraneeko tilanne? Miksi? Tee samat testit myös 11,025 khz näytteenottotaajuudella. 7. Syötä laitteeseen seuraavaksi sinisignaalia, käytä korkeampaa taajuusaluetta. f s voi olla esim. 5,51 khz. Ohita antialias-suodatus, mutta pidä pehmennyssuodatus käytössä (15 khz). Mittaa spektrianalysaattorilla signaalia ulostulosta 6. Tarkkaile signaalia myös aikatasossa käyttäen oskilloskooppia. Piirrä kuvaaja muunnetun signaalin taajuudesta syötetyn signaalin taajuuden funktiona. (Pyyhkäise koko korkeampi taajuusalue läpi). 8. Kuten tiedät, neliöaalto sisältää perustaajuuden harmonisia. Seuraa neliöaallon laskostumista spektrianalysaattorilla (voit käyttää edellisen tehtävän kytkentää ja asetuksia, mutta pehmennyssuodatus tulee ohittaa (miksi?)). Mitä havaitset? Miksi? Signaali-kohina-suhde (SNR, signal-to-noise ratio) 9. Mittaa SNR A/D-muuntimelle menevän signaalin V p-p -jännitteen funktiona. Mittaa syöttösignaalin V p-p ulostulosta 3 oskilloskoopilla ja muunnoksen jälkeinen SNR spektrianalysaattorilla ulostulosta 6. Käytä noin 1 khz sinisignaalia, 44,1 khz näytteenottotaajuutta ja pehmennyssuodatinta 15 khz rajataajuudella. Säädä syöttöjännitteen tasoa Level adjustment-nupista, aloita nollasta ja nosta jännitettä kunnes se leikkautuu (leikkautumisen näkee parhaiten oskilloskoopilla). 2-10