Datamuuntimet 1 Pekka antala 19.11.2012 Datamuuntimet 6. Analogisen signaalin liittäminen mikroprosessoriin 2 6.1 Näytteenotto analogisesta signaalista 2 6.2. DA-muuntimet 4 7. AD-muuntimet 5 7.1 Analoginen komparaattori ja FLASH-muunnin 5 7.2 Takaisinkytketyt AD-muuntimet 6 7.2.1 Peräkkäisapproksimaatio-AD-muunnin (successive approximation) 7 7.3 Kaksoisintegroiva AD-muunnin 7 7.4 Jännite/taajuus-muunnin 8 7.5 AD-muunnintyyppien vertailu 8
Datamuuntimet 2 Pekka antala 19.11.2012 6. Analogisen signaalin liittäminen mikroprosessoriin Lähes kaikki luonnon ilmiöt ovat luonteeltaan analogisia: lämpötila, paine, pituus, nopeus,... Mikroprosessorit kuitenkin käsittelevät tietoa digitaalisessa muodossa. Näin ollen tulee tarve muuttaa analogiset tulosignaalit digitaaliseen muotoon analogia/digitaali-muuntimella eli ADmuuntimella eli ADC:llä (Analog to Digital Converter). Myös monet tietokoneen antamat lähtosignaalit ovat luonteeltaan analogisia. Tällöin tulee tarve muuttaa digitaalinen tieto analogiseen muotoon digitaali/analogia-muuntimella eli DA-muuntimella eli DAC:lla (Digital to Analog Converter). Analogista tietoa käsittelevän tietokoneen rakenne muodostuu siis seuraavanlaiseksi. analoginen tulosignaali Mikroprosessori ADmuunnin DAmuunnin analoginen lähtösignaali Tietokoneen lähtösignaalit ovat usein sellaisia, että vaikka ne esittävätkin analogista tietoa, niin kytkentä voidaan kuitenkin teknisesti toteuttaa täysin digitaalisena. Esimerkiksi puhdas analoginen viisarinäyttö voidaan korvata digitaalisella pylväsnäytöllä ja lampun kirkkauden säätö voidaan toteuttaa digitaalisella pulssinleveysmoduloidulla eli PWM-signaalilla (Pulse Width Modulation). Käytännön tilanteissa joutuu useammin tekemisiin AD-muuntimien kuin DA-muuntimien kanssa. 4 analoginen jännite digitaalisana himmeä kirkas 6.1 Näytteenotto analogisesta signaalista Kun analoginen signaali muutetaan digitaaliseksi, ajan ja amplitudin suhteen jatkuva signaali pitää tehdä diskreetiksi sekä aika- että amplituditasossa. Näytteenoton ja digitalisoinnin vuoksi alkuperäisen analogisen signaalin informaatiosta osa menetetään.
Datamuuntimet 3 Pekka antala 19.11.2012 amplitudi kvantiväli sointi- aika näytteenottoväli Aikatasossa informaation menetys tarkoittaa sitä, että analogisesta signaalista ei pystytä digitaaliseen muotoon välittämään kaikkia tajuuksia. Suurin taajuus f max, joka digitaalisessa muodossa pystytään käsittelemään riippuu näytteenottovälistä T S seuraavasti: f max 1 2T s Jos digitaaliseen muotoon muunnettavassa analogisessa signaalissa on edellä olevan kaavan mukaan määritettyä taajuutta f max suurempia taajuuksia, voi digitaalisen tiedon käsittely antaa virheellisiä tuloksia. Tämän vuoksi AD-muuntimen eteen on lisättävä alipäästösuodatin sellaisissa tilanteissa, joissa on mahdollista, että analoginen signaali sisältää liian suuria taajuuksia. Muunnoksen tekeminen AD-muuntimella kestää muuntimen tyypistä riippuen alle mikrosekunnista useisiin millisekunteihin. Analogisen signaalin pitää pysyä muuntimen tulossa vakiona tämän muunnosajan verran, muuten muunnostulos on epämääräinen. Jos on mahdollista, että analoginen signaali muuttuu muunnosajan aikana yli kvantisointivälin verran, pitää AD-muuntimen eteen lisätä näytteenotto/ pitopiiri (Sample/Hold Circuit), jolla analoginen signaali "jäädytetään" muunnosajan ajaksi. Täydellinen yksikanavainen AD-muunnin -kytkentä ja tulosignaalin kehittyminen siinä on esitetty seuraavassa kuvassa. S/H ADC n 0011 0100 0100 0101 0100 0011 Aikatasossa epätarkkuutta syntyy edellä mainitun suurten taajuuksien menetyksen lisäksi silloin, jos näytteenottoväli ei ole jatkuvasti täysin vakio. Jos näytteenottoväli vaihtelee, vaikka sen digitaalisen tiedon käsittelyvaiheessa kuvitellaan olevan vakio, syntyy AD-muunnoksessa epätarkkuutta, joka on nimeltään huojunta. Amplituditasossa informaation menetys tarkoittaa sitä, että analogisen signaalin arvoon tulee kvantisoinnista johtuen epätarkkuutta, kvantisointivirhettä. Koska jokainen näyte pitää pyöristää lähimpään digitaalisanaan, joiden väli on kvantisointiväli K, on jokaisen näytteen kvantisointivirhe
Datamuuntimet 4 Pekka antala 19.11.2012 välillä ½K. Kvantisoinnista aiheutuva virhe ei ole normaalijakautunut kuten epätarkkuudet yleensä, vaan tasajakautunut välille - ½K...+ ½K. Vaikka AD-muunnin toimisi täysin ideaalisesti, niin kvantisoinnista aiheutuu aina epätarkkuutta, jonka maksimiarvo on siis ½K. AD-muunnoken kvantisoinnista aiheutuva suhteellinen epätarkkuus riippuu siitä, kuinka moni bittinen muunnin on. Kun muunnostulos on n-bittinen, voi sillä olla 2 n erilaista tilaa. Analogisen signaalin vaihtelualue voidaan siis esittää 2 n erilaisella arvolla eli koko vaihtelualue on 2 n K. Kvantisoinnista aiheutuva suhteellinen epätarkkuus suhteessa koko alueeseen (Full Scale) on siis enimmillään ½ / 2 n. Seuraavassa taulukossa on esitetty kvantisoinnista aiheutuvan suhteellisen epätarkkuuden arvot eri bittimäärillä. 6.2 DA-muuntimet bittien määrä tilojen määrä max. epätarkkuus 4 16 3 % 8 256 0,2 % 10 1 k 0,05 % 12 4 k 0,015 % 16 64 k 0,001 % DA-muunnin koostuu kolmesta pääosasta: kytkimistä, vastusverkosta ja tarkasta jnnitelähteestä. Näiden perusosien lisäksi muuntimeen usein välittömästi liittyy tulopuolelle rekisteri sekä lähtöpuolelle vahvistin. Tarkka jännitelähde Digitaalinen tulo n ekisteri Kytkimet Vastusverkko I Analoginen jännite Yleisin muunninperiaate on se, että vastusverkolla muodostetaan tulosanan bittien painoarvoja vastaavat virrat, jotka summataan yhteen. Yksinkertaisin vastusverkkorakenne on vastussuhdevastusverkko, joka on seuraavan kuvan mukainen. Vastussuhde-verkkorakenteessa kaikki vastukset ovat eri kokoisia. Jos muunnin on monibittinen, tulee vastusarvojen vaihtelualue hyvin suureksi ja siten vaikeaksi toteuttaa tarkasti. Toinen vastusverkkorakenne on vastustikapuuverkko (resistor ladder network), jossa tarvitaan vain kahden eri arvon vastuksia. Vastusverkolta saatava primäärinen analoginen signaali on virta. Jos muuntimelta halutaan saada analoginen jännite, tarvitaan muunnoksen tekemiseen operaatiovahvistin, joka on usein valmiiksi integroitu muunninpiirille.
Datamuuntimet 5 Pekka antala 19.11.2012 U ref MSB - U ref MSB 2 2 2 3 U out 2 4 2 LSB n-1 2 I LSB 2 2 Vastussuhde-vastusverkko virtalähtö Vastustikapuuverkko jännitelähtö DA-muuntimen tarkkuuteen vaikuttaa mm. kytkimien ideaalisuus, vastusverkon vastusarvojen tarkkuus ja stabiilisuus sekä referenssijännitteen stabiilisuus. 7. AD-muuntimet 7.1 Analoginen komparaattori ja FLASH-muunnin Kaikista yksinkertaisin 1-bittinen AD-muunnin saadaan rakennettua yhdestä analogisesta komparaattorista. U ref U out Kun tulojännite on suurempi kuin referenssijännite U ref, niin lähtöjännite U out on maksimissaan eli lähes positiivisen käyttöjännitteen suuruinen. Tämä vastaa loogista tilaa "1". Jos tulojännite on pienempi kuin kiinteä referenssijännite, niin lähtö on tilassa "0". Kytkemällä useita komparaattoreita rinnakkain saadaan rakennettua nopein mahdollinen ADmuunnin, FLASH- eli rinnakkaiskomparaattori-ad-muunnin. Yksinkertaisesta periaatteestaan huolimatta FLASH-muunnin muodostaa helposti melko suuren kytkennän. Esimerkiksi 4-bittinen muunnin vaatii 15 komparaattoria ja 8-bittinen muunnin jo 255 komparaattoria.
Datamuuntimet 6 Pekka antala 19.11.2012 Seuraava kuva esittää 3-bittistä FLASH-AD-muunninta. U ref Dekoodauslogiikka (+ latch) Digitaalinen lähtö FLASH-AD-muunnin on toimintaperiaatteeltaan jatkuvatoiminen. Se on aina valmis tekemään muunnosta ilman mitään käynnistyssignaalia. Itse muunnos on pelkkää tiedon läpivirtausta muuntimen läpi ja muunnosaika syntyy komponenttien läpimenoviiveestä. 7.2 Takaisinkytketyt AD-muuntimet Takaisinkytketyt AD-muuntimet toimivat "eräajo"-periaatteella. Muunnos pitää aina käynnistää STAT-signaalilla ja muunnin ilmoittaa muunnoksen valmistumisen EADY-signaalilla. Muunnos tehdään iteroimalla muunnostulosta vähitellen tarkemmaksi ja tarkemmaksi. Takaisinkytketyissä AD-muuntimissa on aina mukana myös DA-muunnin takaisinkytkentäsilmukassa. Takaisinkytkettyjä AD-muunnintyyppejä ovat laskuri-, servo- ja peräkkäisapproksimaatio-admuunnin.
Datamuuntimet 7 Pekka antala 19.11.2012 7.2.1 Peräkkäisapproksimaatio-AD-muunnin (successive approximation) Kaikista yleisimmin käytetty AD-muunnintyyppi lienee peräkkäisapproksimaatio-ad-muunnin. Sen lohkotason kuva on alla olevan kuvan mukainen. STAT EADY kello Ohjauslogiikka M uunnosrekisteri Digitaalinen lähtö DA-muunnin Muuntimen toimintaperiaate on seuraavanlainen. Kun muuntimelle annetaan STAT-komento, se aloittaa oikean muunnostuloksen etsimisen nollilta. Sen jälkeen muunnin asettaa eniten merkitsevän bitin "1":ksi ja vertaa, että tuliko arvauksesta liian suuri vai pieni suhteessa tulojännitteeseen. ensimmäisen approksimaatikierroksen jälkeen muunnostuloksen MSB-bitti on saatu oikeaksi. Seuraavalla kierroksella etsitään MSB-päästä lukien toisen bitin arvo, sitten kolmannen, jne. Muunnin toimii punnitusperiaatteella, jolloin jokaisella bitillä on oma painoarvonsa. MSB-bitin painoarvo on puolet tulojännitteen maksimiarvosta, seuraavan bitin painoarvo on neljäsosa maksimiarvosta jne. Muuntimen toimintaa on tahdistamassa kellosignaali, jonka taajuudesta riippuu muunnoksen kestoaika. 7.3 Kaksoisintegroiva AD-muunnin Takaisinkytketyt AD-muuntimet ovat kytkennältään melko monimutkaisia, sisältäväthän ne myös DA-muuntimen. akenteeltaan yksinkertaisempi, ja myös halvempi, on kaksoisintegroiva ADmuunnin. Yksinkertaisuuden vastapainona on muuntimen pitkä muunnosaika. ohjauslogiikka (> 0) U ref (< 0) kello & laskuri digitaalinen lähtö Kaksoisintegroivan muuntimen toimintajakso koostuu kahdesta erillisestä jännitteen integroinnista. Ensin integroidaan positiivista muunnettavaa jännitettä vakioaika t1. Tänä aikana integraattorin lähtöjännite kasvaa negatiiviseen suuntaa. Toisessa vaiheessa integroidaan negatiivista referenssijännitettä niin pitkä aika t2, että integraattorin lähtöjännite plaa takaisin nollaan. Koko integrointiin kuluva aika mitataan laskurilla, jonka lähdöstä saadaan digitaalinen muunnostulos.
Datamuuntimet 8 Pekka antala 19.11.2012 Kaksoisintegroivan muuntimen etuja on yksinkertainen rakenne ja vähäinen tarkkuuskomponenttien tarve. Muunnin korjaa osittain itse automaattisesti mahdollisia epätarkkuuksia. 7.4 Jännite/taajuus-muunnin Edellä esitettyjen muunnintyyppien lisäksi AD-muunnos voidaan toteuttaa epäsuorasti esimerkiksi V/f-muuntimen avulla. V/f-muuntimella analoginen jännite muunnetaan taajuudeksi, josta lasketaan jaksonpituuksia tietty aika. Käyttämällä valmista inegroitua V/f-muunninpiiriä saadaan kytkennästä yksinkertainen. Muunnos saadaan myös hyvin tarkaksi, jos laskenta-aika on tarpeeksi pitkä. jännite V/f taajuus & laskuri sallinta esim. lämpötilaanturi vahvistin V/f-muunnin V/f-muuntimen avulla AD-muunnos on helppo toteuttaa mikroprosessoriympäristössä. Laskurina voidaan käyttää ohjelmoitavaa laskuripiiriä ja pulssien laskenta-aikaa voidaan myös helposti säätää mikroprosessorilla. 7.5 AD-muunnintyyppien vertailu Yleispiirteenä kaikille AD-muuntimille FLASH-muunninta lukuunottamatta on, että muunnos pitää käynnistää erillisellä ohjaussignaalilla. Kun muunnos on valmis, muunnin ilmoittaa siitä omalla ohjaussignaalillaan, joka tavallisesti kytketään mikroprosessorin keskeytystuloon. Eri AD-muunnintyyppien muunnosajat ovat pääpiirteissään seuraavat: - Flash-muunnin muunnosaika lyhyt, < 1 s - Peräkkäisapproksimaatio-muunnin muunnosaika keskinkertainen, 1 s - 1 ms - Kaksoisintegroiva muunnin muunnosaika pitkä, > 1 ms