A / D - MUUNTIMET A / D muunnin, A/D converter, ADC, ( Analog to Digital Converter ) H. Honkanen Muuntaa analogisen tiedon ( yleensä jännite ) digitaalimuotoon. Lähtevä data voi olla sarja- tai rinnakkaismuotoista. Lähtevä data voi olla myös suoraan koodattu määrättyyn formaattiin. Käsitteitä: Resoluutio, - Mahdollisten lähdön tilojen määrä, määräytyy BITTImäärän mukaisesti,2 BITTIMÄÄRÄ - Analoginen resoluutio: Tulojännitealue / ( 2 BITTIMÄÄRÄ 1 ) Muunnosaika, - Muunnokseen kuluva aika. - Muunnettava arvo EI YLEENSÄ SAA MUUTTUA MUUNNOKSEN AIKANA! Kokonaisvirhe, - Suurin mahdollinen poikkeama todellisesta arvosta Referenssijännite, - A/D muuntimet ( myös D/A muuntimet ) tarvitsevat yleensä TARKAN ja VAKAAN ulkoisen vertailujännitteen. Syöttöjännite, Käyttöjännite - Syöttöjännitealue Tulojännitealue, - Sisääntulojännitealue, määräytyy yleensä käyttöjännitteiden ja referenssijännitteen mukaan. Tuloaste - Tuloasteessa on yleensä erovahvistin, jolloin tuloja on kaksi, joiden välinen jännite-ero muunnetaan ( Uin = Uin+ - Uin- ) [ Huom! ko. luentomonisteen periaatekuvissa sitä ei ole ] Lineaarinen kvantisointi - Muunnos tasajakoinen, ts. bittiväli on aina sama ( Esim 10mV = 1 Bitti ) 11 10 01 00 Lineaarisen AD muuntimen sisääntulojännite saadaan kaavalla: U Digital output 2 1 IN + = U REF + U Bittimäärä IN tai U IN = U REF Digital output 2 Bittimäärä 1 Epälineaarinen kvantisointi ( usein Logaritminen kvantisointi ) - Muunnosväli muuttuu tulojännitteen mukaisesti. Tällä ratkaisulla pyritään yleensä parantamaan heikoimpien signaalien muutostarkkuutta. 11 10 01 00
MUUNNINTEKNIIKAT: Flash muunnin Suora Flash muunnin Ikkunoitu Flash -muunnin Sukkessiivinen muunnin Laskuriperiaattella toimiva sukkessiivinen muunnin Haarukointiin perustuva sukkessiivinen muunnin Pengermuunnin, Integroiva muunin Kaksoisintegroiva muunnin Jännite-Taajuus muunnin Jännite-Aika -muunnin Sigma-Delta -muunnin Flash muunnin, Rinnakkaisvertailumuunnin Suora rinnakkaisvertailumuunnin, suora Flash -muunnin - Flash muunnin perustuu jännitevertailijoiden ( komparaattori ) käyttöön. Jokaista mitattavaa jännitetasoa varten on oltava oma komparaattori. Tämä rajoittaa muunnintyypin käyttöä suurta resoluutiota vaativissa sovelluksissa. - Edut ja haitat: + Nopea + Ei yleensä vaadi S/H piirin käyttöä ( Riippuu logiikan rakenteesta ) - Kallis rakenne, vaatii oman komparaattorin jokaiselle jännitetasolle - 8 bittinen muunnin vaatii 256 komparaattoria ( toteutettavissa ) - 16 bittinen muunnin vaatisi 65536 komparaattoria ( ei toteutettavissa ) - Perusrakenne :
Ikkunoitu Flash muunnin - Ikkunoitu Flash- muunnin perustuu kahteen Flash- muuntimeen. Muuntimista ensimmäinen valitseee mitta-alueen, jolla toimitaan. Tämän tuloksena signaalista erotetaan mitta-aluetta vastaava osa. Saatu summatermi muunnetaan toisessa Flash muuntimessa - Rakenneratkaisu mahdollistaa myös suurresoluutioiset Flash-muunnokset. - Edut ja haitat: + Nopeahko - Koska summainta ohjataan toisella DA-muuntimella, tule mittausketjuun viivettä, vaikka muuntimet toimivatkin ajallisesti rinnakkain. Tämä mahdollistaisi virhetulokset, ellei käytetä S/H piiriä tai synkronoida lukutapahtumaa - Monimutkainen rakenne saa aikaan epätarkkuutta - Perusrakenne :
Sukkessiivinen muunnin, Jäljittävä A / D muunnin, Peräkkäisten approksimaatioiden muunnin - Sukksessiivinen muunnin perustuu vertailuun ( komparaattori ) mitattavan arvon ja D / A muuntimelta saatavan vertailuarvon välillä. Ł Mitattavaa arvoa verrataan muuntimen sisäisen DAC:n antamaan vertailujännitteeseen. - Ohjauslogiikka kokeilee, millä DAC:n arvolla tulo- ja vertailujännite ovat lähimpänä toisiaan. - Edut ja haitat: + Edullinen rakenne + Toteutettavissa myös suurresoluutioiset ratkaisut - Hitaahko - Jännite ei saa muuttua muunnoksen aikana Linkki: S/H -piiri - Perusrakenne: - Laskuri- ja haarukointiperiaatteet:
Laskuriperiaattella toimiva sukkessiivinen muunnin: - Vertailujännitteen antavan D/A muuntimen ohjaus tapautuu laskurin avulla. Laskuri lähtee laskemaan jommastakummasta ääripäästä ( Yleensä alin arvo ) ja jatkaa laskentaa siihen saakka, kunnes vertailuasteen ( = komparaattori ) tila muuttuu. Tällöinhän Tulojännite ( =Mitattava jännite ) ja Vertailujännite ovat lähimpänä toisiaan. - Laskuriperiaatteen edut ja haitat: + Yksinkertainen rakenne, ei vaadi älyä - Muunnosaika riippuu tulojännitteestä ( Minne asti laskurin tulee laskea ) - Hidas ( Laskuri käy mahdollisesti kaikki bittikombinaatiot läpi ) Haarukointiin perustuva sukkessiivinen muunnin - Vertailujännitteen avulla kokeillaan, onko se pienempi vai suurempi, kuin tulojännite. Vertailu aloitetaan mittausalueen puolivälistä. Saadun tuloksen perusteella ( Pienempi/suurempi ) vertailujännite asetetaan edellisen ehdon määrämän mittausalueen puoliväliin. Näin jatketaan, kunnes haarukoitavaa ei enää ole. - Haarukointiperiaatteen edut ja haitat: + Nopeampi + Muunnosaika lähes vakio - Hankalampi rakenne, haarukointilogiikka vaatii älyä Pengermuunnin, Laskeva A / D muunnin, Integroiva A / D muunnin - Pengermuuntimen toiminta perustuu integraattoriin, jolla on määrätty integrointiaika. Ł Pengermuuntimen integraattorin kondensaattoriin varautuu halutun mittausajan ajan tulojännitteeseen ja aikaan suhteellinen varaus. - Varaus näkyy integraattorin lähtöjännitteenä. - Edut ja haitat: + Mahdollistaa myös suurresoluutioiset ratkaisut + Häiriönsieto ( luonnostaan ), kaksoisintegroivalla rakenteella - Hitaus - Pengermuuntimen etuna on se, että mittaustapahtuman aikana jaksolliset häiriöt voidaan poistaa helposti mittaustuloksesta. Valitaan integrointiaika siten, että se on häiriötaajuuden pituinen tai sen monikerta. Tällöin häiriön kokonaissumma on 0. Tämän ominaisuuden vuoksi esimerkiksi Digitaaliset Yleismittarit käyttävät tätä tekniikkaa. ( DYM:ssähän on 10 MΩ ottoresistanssi, jos sitä vertaa esim. oskilloskoopin 1 MΩ ottoresistanssiin, ja oskilloskooppiinkin tulee voimakas 50 Hz häiriö, kun mittajohdin on ilmassa. Lisäksi oskilloskoopin mittajohdin on suojattu, kun yleismittarin ovat aivan suojaamattomat. )
Kaksoisintegroiva A/D muunnin, Kaksoisintegroiva pengermuunnin Mittausarvon ( varauksen ) käsittely: Ł Mittausarvon käsittely tapahtuu vakiovirtageneraattoria ja laskuria käyttäen. - Varaus puretaan vakiovirralla ja varauksen purkuun menevä aika kertoo suoraan varauksen määrän. - Kaksoisintegroivan rakenteen edut ja haitat: + Vakio ja tarkkaan määriteltävissä oleva muunnosaika + Integroivan rakenteensa ansiosta integroi tulojännitteen muunnosaikana - Muunnoksen minimi aikaväli riippuu tulojännitteestä ( Purkausaika ei vakio ) - Kaksoisintegroivan muuntimen perusrakenne ja kuvaus toiminnasta:
Integroiva Jännite Taajuus muunnin - Toiminta perustuu nollattavaan integraattoriin, komparaattoriin ja laskuriin. Integraattori varautuu, ja kun se saavuttaa komparaattorin vertailujännitteen, annetaan laskurille pulssi ja nollataan integraattori. Pulssien määrä aikayksikköä kohden on suhteessa tulojännitteeseen. - Jännite-taajuus periaatteen edut ja haitat: + Vakio muunnosaika - Kytkimen toiminta ( = purkausaika ) aiheuttaa virhettä - Integroivan jännite-taajuusmuuntimen periaate:
Integroiva Jännite-Aika muunnin - Toiminta perustuu myös nollattavaan integraattoriin, komparaattoriin ja aikalaskuriin. Integraattori varataan,tulojännitteen avulla, vertailujännitteen suuruiseen jännitteeseen ja täten kulunut aika on kääntäen verrannollinen tulojännitteeseen. - Jännite-aika periaatteen edut ja haitat: + Logaritminen toiminta = Tarkka myös pienillä jännitteillä - Muuttuva muunnosaika = Integrointiaika ei määriteltävissä Soveltuu epälineaarisiin muunnoksiin - Jännite-aika muuntimen periaate:
Sigma-Delta ( ) muunnin, Yksibittinen AD -muunnin - Toiminta perustuu summaimeen, integraattoriin, komparaattoriin ( välykselliseen ) ja desimoijaan. Ensimmäisenä ketjussa on summain, johon tulosignaali tuodaan positiivisena ja komparaattorin lähtötermi negatiivisena. Seuraavan vuorossa on integraattori, joka integroi summaimelta tulevaa jännitettä. Jännitettä verrataan nollatasoon, joten komparaattorin lähtö on High tilassa, jos tulojännite on positiivinen ja Low tilassa, jos tulojännite on negatiivinen. Komparaattorista saatava tuloshan tuotiin summaimelle erottavaan tuloon, joten - modulaattori pyrkii pitämään lähtöjännitteensä nollassa. Ł Komparaattorin lähdön High-Low suhde on täten suoraan riippuvainen tulojännitteestä. Ł Jos tulojännite on nolla, on High-Low tilojen suhde 1:1 Ł Saatava bittijono käsitelään laskennallisesti desimoijassa Desimoijana voi toimia myös mikroprosessori, jossa saatava pulssijono käsitellään. - Sigma-Delta muuntimen hyvät ja huonot puolet: + Mahdollistaa vaikka kuinka suuren resoluution + Integroiva rakenne -> Integrointiaika määriteltävissä ( = Laskenta-aika ) + Rakenne helppo toteuttaa mikropiiritasolla ( Vähän analogisia asteita ) - Varsinkin komparaattorin lähtöjännitteiden ( High ja Low ) virheet aiheuttavat virhettä - Periaatteellinen rakenne: - Kellottamaton toiminta vaatii periaatteessa äärettömän lukutaajuuden - Kellotettu versio : ( Käytännössä aina kellotettu ) - Kellotetussa versiossa komparaattori voi olla välyksetön - Lisäksi tuloasteen napaisuus käännetty, jolloin integraattori voi toimia kääntävänä(kuvassa)
- Toimintajännitealue voi olla myös muu, kuin symmetrisesti nollan kahta puolta. Tällöin High ja Low tilojen jännite ei ole keskenään symmetrinen ja komparaattorin vertailutaso ( U ref ) on näiden jännitteiden puolivälissä Sigma-Delta muunnin: Sigma: Integraattori ( tai alipäästösuodin ) Delta: Erotustermi Sigman, integraattorin, paikalla voi olla myös alipäästösuodin. Koska lähtö on lähellä nollaa, toimii modulaattori tyydyttävästi myös pelkällä alipäästösuotimella. Esimerkki -muuntimen toiminnasta: Muuntimen tulojännite = 0 V, joten integraattorin kulmakerroin on sama molempiin suuntiin ja 0 ja 1 bittien suhde on 1:1 Muuntimen tulojännite on 0.5 x U high, joten integraattorin kulmakerroin on nousevalla reunalla kolme kertaa nopeampi, kuin laskevalla reunalla ja bittien suhde on 3:1 - Kuvissa: - u max = Komparaattorin liipaisujännitteen yläraja - u min = Komparaattorin liipaisujännitteen alaraja - Tulojännite: - Kun: U U REF B HIGH B LOW B HIGH IN = ( U DELTA( + ) U DELTA( ) ) + U DELTA( ) BLOW + BHIGH U = DELTA( + ) U DELTA( ) 2 = 1 Bittien määrä = 0 Bittien määrä U DELTA(+) = Summaimen erotermin maksimiarvo U DELTA(-) = Summaimen erotermin minimiarvo ( Yleensä negatiivinen tai nolla )