Signaalien datamuunnokset

Transkriptio

1 Signaalien datamuunnokset Muunnoskomponentit Näytteenotto ja pitopiirit Multiplekserit A/D-muuntimet Jännitereferenssit D/A-muuntimet Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 1

2 Näytteenotto ja pito -piirit Näytteenotto ja pito -piirin toimintaperiaate Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 2

3 Näytteenotto ja pito -piirien käytännön toteutuksia S Sisäänmeno C Ulostulo R Ohjaus R S C Sisäänmeno Ulostulo Ohjaus Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 3

4 Näytteenotto ja pito -piirien ominaisuuksia Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 4

5 Näytteenotto ja pito -piirit Sample/hold amplifier Erilliskomponentteja tai integroitu A/D-muuntimeen Kondensaattori joko integroitu tai erilliskomponentti Valintakriteerejä: epälineaarisuus, apertuuriviive ja sen toistuvuus, ylikuuluminen, jännitteen laskeminen, asettumisaika, sample-to-hold offset, sample-to-hold transientti, sisäänmenon resistanssi (kuormitus). Asettumisaika (acquisition time) tyypillisesti välillä 10 µs (fast) 50 ns (ultra fast). Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 5

6 Tyypillinen näytteenotto ja pito -piiri Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 6

7 Analogiset multiplekserit V S R S Analogiset sisäänmenot Osoite dekooderi A 1 A 2 A R in Analoginen ulostulo Jakaa A/D muuntimen useamman signaalin kesken ->kustannussäästö (A/D-muunnin kallein komponentti) Tyypillisesti 4, 8 ja 16 kanavaisia, single-ended tai differential Valintakriteerejä: Sarjavastus (tyypillisesti 50 Ω -2 kω), siirtovirhe, vaihevirhe, asettumisaika (settling time), vaihtotaajuus (throughput rate), ylikuuluminen (crosstalk) Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 7

8 16-kanavainen analoginen multiplexeri Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 8

9 A/D-muuntimet Muuntavat analogisen signaalin digitaaliseksi sanaksi Vertaa sisääntulevaa jännitettä referenssijännitteeseen Sarjamuotoinen tai rinnakkaismuotoinen Tärkeimmät A/D-muunnintyypit integroivat, takaisinkytketyt ja rinnakkaismuuntimet Valintakriteerinä resoluutio ja nopeus Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 9

10 Kaksoisintegroiva A/D-muunnin Muuttaa jännitteen mittauksen kahden ajan suhteen mittaamiseksi [U in =(T 2 /T 1 )*U ref ] Tarkkuus riippuu kellotaajuuden stabiilisuudesta ja referenssijännitteen tarkkuudesta Tarkka, mutta suhteellisen hidas menetelmä Käytössä lähinnä yleismittareissa Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 10

11 Laskuri- ja seuraajatyyppiset takaisinkytketyt A/D muuntimet V in R Komparaattori D/A-muunnin... 8-bittinen seuraava A/D-muunnin. Hitaissa muutoksissa digitaalinen ulostulo seuraa tulevaa signaalia Vin lähes reaaliajassa. Digitaalinen ulostulo + Seuraa/pidä Laskuri - Kello Laskurityyppisessä (counter-type) muuntimessa askelletaan digitaalisanaa, takaisinkytketään se D/Amuuntimella, verrataan alkuperäiseen signaaliin ja lopetetaan askellus kun haluttu arvo on saavutettu Suoraviivainen, hidas, muunnosaika riippuu signaalista Seuraava (tracking-type) muunnin voi askeltaa kumpaan suuntaan hyvänsä Nopeampi, käytetään säätötekniikassa Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 11

12 Punnitseva A/D-muunnin V in Komparaattori Ulostulo V ref 0,75 V ref 0,5 V ref 0,25 V ref V in D/A-muunnin Punnituslogiikka Kellojakso 8-bittinen punnitseva A/D muunnin ja ulostulon kehittyminen muunnoksen aikana... V ref Digitaalinen ulostulo Kello Yksi tärkeimmistä muunnintyypeistä Nopea, tarvitaan bittien lukumäärän verran kellojaksoja riippumatta sisääntulosignaalin tasosta 18-bittinen muunnos jopa 5 micro-sekunnissa Successive Approximation Register SAR Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 12

13 Rinnakkais A/D-muunnin 3R/2 R R R V ref V in 2 n -1 komparaattoria Dekooderi Digitaalinen ulostulo Rinnakkais (parallel, flash, simultaneous) muuntimessa kaikki bitit muunnetaan samanaikaisesti Vertailu 2 N -1 jännitetasoon Koodaus digitaalisanaksi R/ Erittäin nopea (muutama ns) mutta vaatii valtavasti komponentteja Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 13

14 Useampivaiheiset Flash A/D-muuntimet Tarvittavien komponenttien määrää voi pudottaa radikaalisti tekemällä muunnoksen useassa vaiheessa Esim. 8-bittinen flash A/Dmuunnin vaatii 255 komparaattoria, kun taas 4- bittinen vain 15 Pudottaa nopeutta likimain tekijällä 3 5 Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 14

15 A/D-muuntimen valintakriteerit Tärkeimmät valintakriteerit ovat 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. Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 15

16 Tyypillinen A/D-muunnin (SAR) Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 16

17 2-vaiheinen flash A/D-muunnin Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 17

18 Jännitereferenssit R 1-2,2 mv/ C +2,2 mv/ C I z V z + V - z (1+R 1 /R 2 ) R 3 R 2 Tärkeä osa A/D- ja D/A-muuntimissa Voi olla sisäänrakennettu tai voidaan tehdä erilliskomponenteista Tavallisin lämpötilakompensoitu Zener-diodi Jännitereferenssidiodit: 1,2 10 V, ppm/ C Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 18

19 10 V jännitereferenssi Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 19

20 D/A-muuntimet Muuttavat digitaalisen sanan analogiseksi signaaliksi Tarvitsee referenssijännitteen, joka voi olla integroitu tai ulkoinen Useimmiten rinnakkaismuotoisia, mutta joskus sarjamuotoisia Monelta osin helpompia tehdä kuin A/D-muuntimet (esim. nopeus) Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 20

21 Vastussuhde D/A-muunnin Edut: yksinkertainen, nopea Rajoitukset: vastusten epätarkkuus, vastusten lämpötilariippuvuus komponenttisen absoluuttiarvot vaikuttavat lopputulokseen Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 21

22 R-2R tikapuuverkkomuunnin R R R R 2R 2R 2R 2R 2R V ref 2R R F V Vain vastusten suhde vaikuttaa lopputulokseen ->helpompi toteuttaa Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 22

23 Glitchien eliminointi D/Amuuntimesta Tilan vaihdos saattaa joskus näkyä D/A-muuntimen ulostulossa Voidaan estää näytteenotto- ja pitopiirillä Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 23

24 D/A-muuntimen valintakriteerejä Paljolti samat valitakriteerit kuin A/D muuntimissa, tärkeimmät bittien lukumäärä ja nopeus. Muita kriteerejä (myös A/D-muuntimille) Tehonkulutus Käyttöjännite Tarvittavat lisäkomponentit Lineaarisuus Särö ja kohinaominaisuudet Lämpötila alue (COMMERCIAL C, INDUSTRIAL C, MILITARY C) Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 24

25 Tyypillinen D/A-muunnin Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 25

26 Muunninvirheitä Offset-virhe Vahvistusvirhe Epälineaarisuus Puutuva koodi Epämonotonisuus Differentiaalinen epälineaarisuus Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 26

27 Yhteenveto Petri Kärhä 17/02/2005 Luento 4b: Signaalien datamuunnokset 27