Successive approximation AD-muunnin

Transkriptio

1 AD-muunnin Koostuu neljästä osasta: näytteenotto- ja pitopiiristä, (sample and hold S/H) komparaattorista, digitaali-analogiamuuntimesta (DAC) ja siirtorekisteristä. (successive approximation register SAR) Muunnos tapahtuu binäärihaulla. Aloittaen eniten merkitsevästä bitistä, DAC antaa digitaalista signaalia vastaavan jännitteen, jota verrataan muunnettavaan jännitteeseen V in. Jos V in on suurempi kuin DAC:sta tuleva signaali, pidetään käsiteltävä bitti ykkösenä, muuten se nollataan. Tämän jälkeen siirrytään seuraavaan bittiin ja toistetaan kunnes kaikki bitit on käyty läpi. Tällöin rekisterissä on analogista signaalia vastaava digitaalinen signaali. ADC saadaan lisättyä piiriin, jossa on jo DAC, lisäämällä siihen komparaattori. Analogisen piirin epätarkkuus voi olla ongelma, jos bittien arvot eivät ole täsmälleen kahden potensseja (1.1, 2.12 ) binäärihaun antaessa virheellisiä tuloksia. Muunnokseen vaaditaan resoluution verran kellojaksoja. Hyvä matalilla näytteenottotaajuuksilla. - Helposti lisättävissä DA-muuntimen sisältämään piiriin - Kallis - Yhden kellojakson viive - Hidas (N kellojaksoa / näyte) - Herkkä analogisille häiriöille

2 Liukuhihna AD-muunnin (pipeline ADC) Liukuhihna-ADC:ssa signaalille tehdään ensin karkea muunnos. Muunnettu signaali sekä lähetetään rekisteriin että muunnetaan takaisin ja verrataan alkuperäiseen signaaliin. Tämä erosignaali (joka siis vastaa kvantisointivirhettä) vahvistetaan ja syötetään eteenpäin seuraavalle asteelle. Tätä toistetaan kaikkien asteiden läpi. Jokainen aste tarkentaa tulosta tiettyjen bittien osalta kunnes kaikille biteille on saatu tarkka tulos. Liukuhihna-ADC:ssa esiintyy viivettä, koska lopullinen näyte saadaan vasta kun muunnettava signaali on käynyt kaikkien asteiden läpi. Liukuhihna-ADC on kuitenkin nopea, sillä jokainen aste pystyy käsittelemään seuraavaa näytettä kun edellinen näyte on ohittanut kyseisen asteen. Nykyaikaisiin liukuhihna-adc:ihin kuuluu myös digitaalinen virheenkorjaus, jolla voidaan vähentää yksittäisten muuntimien resoluution tarvetta. - Nopea kellojakson viive - Suurikokoinen

3 -muunnin Delta-sigma (joskus myös sigma-delta) muunnin koostuu delta-sigma-modulaattorista ja digitaalisesta suodattimesta. Modulaattori muuntaa ylinäytteistetyn signaalin ja signaali siirtyy edelleen suodattimelle. Signaali muunnetaan myös takaisin analogiseksi ja takaisinkytketään negatiivisesti muuntimen tuloon. Takaisinkytkennän ja integraattorin avulla saadaan poistettua kvantisointivirhettä. Modulaattorin lähdössä oleva signaali on hyvin kohinaista. Modulaattorin integraattori kuitenkin toimii ylipäästösuodattimena kohinalle ja muokkaa kohinaa (noise shaping) korkeataajuiseksi. Tällöin se on helppo suodattaa pois digitaalisella alipäästösuodattimella. Moneen kertaan integrointi vähentää matalataajuista kvantisointikohinaa, sillä integraattorit muokkaavat kohinaa kovemmin korkeille taajuuksille. Monet delta-sigma-muuntimet ovatkin useampaa astetta, esimerkiksi toista tai kuudetta. - Edullinen - Pieni tehonkulutus - Täsmällinen - Pieni kvantisointivirhe - Hyvä analogisten virheiden sietokyky - Hidas - Suodatin epätriviaali suunnitella, vie paljon tilaa - Ylinäytteistyksen takia toimii vain matalilla taajuuksilla

4 Flash ADC Flash ADC on analogia -digitaalimuunnin mikä käyttää lineaarista jännitetikapuuverkkoa missä on komparaattori jokaisessa haarautumis portaassa. Tämä komparaattori vertailee sisääntulojännitettä perättäiseen referenssijännitteeseen. Yleensä referenssi verkko on valmistettu vastuksista, mutta uusimmissa toteutuksissa on käytetty vastuksen sijaan myös kytkettyä kondensaattoria. Komparaattorin ulostulosta signaali menee digitaaliseen enkooderiin joka muuntaa sisääntulon binääriluvuksi. Flash A/D muuntimessa on nopein muunnostekniikka. Tulos on valmis yhdessä kellojaksossa. N- bittinen muunnin tarvitsee 2 N -1 komparaattoria ja 2 N samankokoista vastusta. Komparaattoreiden koko ja hinta tekee Flash-muuntimesta epäkäytännöllisen jos käytetään enemmän kuin 8 bittiä eli 255 komparaattoria. Flash -muuntimia on toteutettu muun muassa BJT:hin ja CMOS teknologoihin. - Flash nopein - Flash on yksinkertainen - Käytännössä ainoa vaihtoehto suurilla näytteenottotaajuuksilla - Tarvitsee ison määrän komparaattoreita (varsinkin jos tarkkuus kasvaa) - Sopii pienille resoluutioille - ei tarvitse S/H -piiriä

5 Kaksoisintegroiva AD -muunnin Kaksoisintegroiva AD -muunnin on analogia -digitaalimuunnin missä on integraattori johon toiseen päähän tulee tuntematon tulojännite tai referenssijännite ja toinen pää on kytketty maahan. Integraattorin ulostuloon on kytketty komparaattori sekä transinstori. Vaihesiirtopiiriin on kytketty komparaattorin ulostulo sekä integraattorin toinen terminaali. Vaihesiirtopiiristä saadaan takaisinkytkentä. Muunnin integroi tulojännitteen ajan T 1 ja sen jälkeen purkaa referenssijänniteellä. Integraattoria puretaan vakiovirralla, kunnes päästään nollapisteeseen. Jännitteiden suhde on integrointiaikoijen suhde invertoituna. - Vakio ja tarkkaan määriteltävissä oleva muunnosaika - Integroivan rakenteensa ansiosta integroi tulojännitteen muunnosaikana - Muunnoksen minimi aikaväli riippuu tulojännitteestä, eli purkausaika ei ole vakio - Muuntimella on hyvä lineaarisuus ja häiriönsieto - Kaksoisintegroiva A/D -muunnin on hidas verrattuna muihin A/D -muunnintyyppeihin

6 YHTEENVETO Nopea Flash Liukuhihna Hidas Kaksoisintegroiva Koko/resoluutio Ei muutosta Kaksoisintegroiva Lineaarinen kasvu Liukuhihna Eksponentiaalinen kasvu Flash (suuri resoluutio) Pieni tehonkulutus Suuri tehonkulutus Flash (suuri resoluutio) Yksinkertainen Flash Hyvä häiriönsietokyky Kaksoisintegroiva Edullinen Kallis Flash (suuri resoluutio)