A/D-muuntimia. Flash ADC



Samankaltaiset tiedostot
Successive approximation AD-muunnin

A / D - MUUNTIMET. 2 Bittimäärä 1. tai. A / D muunnin, A/D converter, ADC, ( Analog to Digital Converter )

Signaalien datamuunnokset. Näytteenotto ja pito -piirit

Flash AD-muunnin. Ominaisuudet. +nopea -> voidaan käyttää korkeataajuuksisen signaalin muuntamiseen (GHz) +yksinkertainen

ELEC-C5070 Elektroniikkapaja (5 op)

Signaalien datamuunnokset

Flash AD-muunnin. suurin kaistanleveys muista muuntimista (gigahertsejä) pieni resoluutio (max 8) kalliita

Muuntavat analogisen signaalin digitaaliseksi Vertaa sisääntulevaa signaalia referenssijännitteeseen Sarja- tai rinnakkaismuotoinen Tyypilliset

6. Analogisen signaalin liittäminen mikroprosessoriin Näytteenotto analogisesta signaalista DA-muuntimet 4

Virheen kasautumislaki

11. kierros. 1. Lähipäivä

LABORATORIOTYÖ 2 A/D-MUUNNOS

LABORATORIOTYÖ 2 A/D-MUUNNOS

Perusmittalaitteet 2. Yleismittari Taajuuslaskuri

OPERAATIOVAHVISTIN. Oulun seudun ammattikorkeakoulu Tekniikan yksikkö. Elektroniikan laboratoriotyö. Työryhmä Selostuksen kirjoitti

S Elektroniset mittaukset ja elektroniikan häiriökysymykset. Vanhoja tenttitehtäviä

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Operaatiovahvistimen vahvistus voidaan säätää halutun suuruiseksi käyttämällä takaisinkytkentävastusta.

Multivibraattorit. Bistabiili multivibraattori:

Vahvistimet. A-luokka. AB-luokka

Varauspumppu-PLL. Taulukko 1: ulostulot sisääntulojen funktiona

FYSP105 / K3 RC-SUODATTIMET

TYÖ 2: OPERAATIOVAHVISTIMEN PERUSKYTKENTÖJÄ

Perusmittalaitteet 3. Yleismittari. Mittaustekniikan perusteet / luento 5. Digitaalinen yleismittari. Digitaalinen yleismittari.

Anturit ja Arduino. ELEC-A4010 Sähköpaja Tomi Pulli Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitos Mittaustekniikka

KOHINA LÄMPÖKOHINA VIRTAKOHINA. N = Noise ( Kohina )

Tekniikka ja liikenne (5) Tietoliikennetekniikan laboratorio

S Elektroniikan häiriökysymykset. Laboratoriotyö, kevät 2010

Anturit ja Arduino. ELEC-A4010 Sähköpaja Tomi Pulli Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitos Mittaustekniikka

Vahvistimet ja lineaaripiirit. Operaatiovahvistin

ELEC-C5070 Elektroniikkapaja. Laboratoriotyö 3 A/D- ja D/A-muuntimet

OPERAATIOVAHVISTIMET 2. Operaatiovahvistimen ominaisuuksia

MITTALAITTEIDEN OMINAISUUKSIA ja RAJOITUKSIA

Mikrokontrollerit. Mikrokontrolleri

Analogiapiirit III. Keskiviikko , klo , TS127. Jatkuva-aikaiset IC-suodattimet ja PLL-rakenteet

Spektri- ja signaalianalysaattorit

Nopea tiedonkeruulaitteisto radiokanavamittauksiin

Tiedonkeruu ja analysointi

Signaalien datamuunnokset

Signaalien datamuunnokset. Digitaalitekniikan edut

LÄMPÖTILAN MITTAUSMODUULI

Supply jännite: Ei kuormaa Tuuletin Vastus Molemmat DC AC Taajuus/taajuudet

Radioamatöörikurssi 2015

Matlab-tietokoneharjoitus

Ohjelmistoradio. Mikä se on:

KOHINASALPAKORTTI BX58 JA RX58

Radioamatöörikurssi 2013

PAVIRO Kuulutus- ja äänievakuointijärjestelmä ammattilaistason äänenlaadulla Joustavuutta alusta alkaen PAVIRO 1

1 Diskreettiaikainen näytteistys. 1.1 Laskostuminen. Laskostuminen

Laite dynaamisen voima-anturin liittämiseksi tietokoneeseen

Kondensaattorin läpi kulkeva virta saadaan derivoimalla yhtälöä (2), jolloin saadaan

EMC Mittajohtimien maadoitus

Agenda. Johdanto Säätäjiä. Mittaaminen. P-, I-,D-, PI-, PD-, ja PID-säätäjä Säätäjän valinta ja virittäminen

Radioamatöörikurssi 2014

1. Yleistä. 2. Ominaisuudet. 3. Liitännät

S Mittaustekniikan perusteet Y - Tentti

EMC Säteilevä häiriö

HARJOITUSTYÖ: Mikropunnitus kvartsikideanturilla

Tiedonkeruu ja analysointi

SISÄLLYS - DIGITAALITEKNIIKKA

Radioamatöörikurssi 2017

Automaation elektroniikka T103403, 3 op AUT2sn. Pekka Rantala syksy Opinto-opas 2012

DC-moottorin pyörimisnopeuden mittaaminen back-emf-menetelmällä

TASONSIIRTOJEN ja VAHVISTUKSEN SUUNNITTELU OPERAATIOVAHVISTINKYTKENNÖISSÄ

LABORATORIOTYÖ 1 MITTAUSVAHVISTIMET

Ongelma(t): Mistä loogisista lausekkeista ja niitä käytännössä toteuttavista loogisista piireistä olisi hyötyä tietojenkäsittelyssä ja tietokoneen

Elektroniikka, kierros 3

Säätötekniikkaa. Säätöongelma: Hae (mahdollisesti ulostulon avulla) ohjaus, joka saa systeemin toimimaan halutulla tavalla

Ongelma(t): Mistä loogisista lausekkeista ja niitä käytännössä toteuttavista loogisista piireistä olisi hyötyä tietojenkäsittelyssä ja tietokoneen

KONDENSAATTORIT, Ominaisuudet ja merkinnät

LABORATORIOTYÖ 3 VAIHELUKITTU VAHVISTIN

Käytännön radiotekniikkaa: Epälineaarinen komponentti ja signaalien siirtely taajuusalueessa (+ laboratoriotyön 2 esittely)

1. a) Piiri sisältää vain resistiivisiä komponentteja, joten jännitteenjaon tulos on riippumaton taajuudesta.

Tuntematon järjestelmä. Adaptiivinen suodatin

SeekTech SR-20 Paikannin Kevyt mutta silti lujarakenteinen vastaanotin, joka antaa kaikki nopean ja tarkan paikannuksen tarvitsemat tiedot.

1 Yleismittarin käyttäminen

ELEKTRONISET JÄRJESTELMÄT, LABORAATIO 1: Oskilloskoopin käyttö vaihtojännitteiden mittaamisessa ja Theveninin lähteen määritys yleismittarilla

C = P Q S = P Q + P Q = P Q. Laskutoimitukset binaariluvuilla P -- Q = P + (-Q) (-Q) P Q C in. C out

IIR-suodattimissa ongelmat korostuvat, koska takaisinkytkennästä seuraa virheiden kertautuminen ja joissakin tapauksissa myös vahvistuminen.

Digitaalinen signaalinkäsittely Kuvankäsittely

Tehtävä 8. Jännitelähteenä käytetään yksipuolista 12 voltin tasajännitelähdettä.

Säätötekniikkaa. Säätöongelma: Hae (mahdollisesti ulostulon avulla) ohjaus, joka saa systeemin toimimaan halutulla tavalla

Vahvistimet. Käytetään kvantisointi alue mahdollisimman tehokkaasti Ei anneta signaalin leikkautua. Mittaustekniikka

AUTO3030 Digitaalitekniikan jatkokurssi, harjoitus 2, ratkaisuja

Analogiapiirit III. Keskiviikko , klo , TS128. Operaatiovahvistinrakenteet

Ch4 NMR Spectrometer

1 Kohina. 2 Kohinalähteet. 2.1 Raekohina. 2.2 Terminen kohina

LOPPURAPORTTI Lämpötilahälytin Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

VAATIMUKSIA YKSINKERTAISILLE VIKAILMAISIMILLE HSV:N KJ-VERKOSSA

D-LUOKAN AUDIOVAHVISTIMEN MODULOINTIMENETELMIEN VERTAILU JA VALINTA

S Signaalit ja järjestelmät

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

AV-muotojen migraatiotyöpaja - ääni. KDK-pitkäaikaissäilytys seminaari / Juha Lehtonen

VIM RM1 VAL / SKC VIBRATION MONITOR RMS-MITTAUSJÄRJESTELMÄLLE KÄSIKIRJA. VIM-RM1 FI.docx / BL 1(5)

a) I f I d Eri kohinavirtakomponentit vahvistimen otossa (esim.

ELEKTRONISET TOIMINNOT

Oikeanlaisten virtapihtien valinta Aloita vastaamalla seuraaviin kysymyksiin löytääksesi oikeantyyppiset virtapihdit haluamaasi käyttökohteeseen.

Pynnönen Opiskelija: Tarkastaja: Arvio:

S Elektroniikan häiriökysymykset. Laboratoriotyö 1

Transkriptio:

A/D-muuntimia A/D-muuntimen valintakriteerit: - bittien lukumäärä instrumentointi 6 16 audio/video/kommunikointi/ym. 16 18 erikoissovellukset 20 22 - Tarvittava nopeus hidas > 100 μs (<10 khz) nopea 10 100 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 http://en.wikipedia.org/wiki/analog_to_digital_converter 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

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 65536 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:

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

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.

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.

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

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

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

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