(5 op) Luento 5 A/D- ja D/A-muunnokset ja niiden vaikutus signaaleihin
Signaalin A/D-muunnos Analogia-digitaalimuunnin (A/D-muunnin) muuttaa analogisen signaalin digitaaliseen muotoon, joka voidaan lukea tietokoneella tai prosessorilla Vahvistin + suodatus + A/D-muunnin -> prosessori Mikrokontrollerit (sis. yleensä A/D-muuntimia) PC:n tiedonkeruukortti (DAQ) Digitaalisen signaalin etuja Signaali on helppo tallentaa digitaalisena Datan siirto ja häiriöttömyys Järjestelmän automatisointi, ohjelmoitavuus Monipuolisempi signaalin jatkokäsittely mahdollista 2
Signaalin A/D-muunnos A/D-muunnoksessa signaalille tapahtuu kolme asiaa Signaalin näytteenotto aikatasossa Näytteiden kvantisointi jännitetasossa Digitaalisanan koodaus Näytteenotossa jatkuva signaali muutetaan ajan suhteen diskreeteiksi tasoiksi (kellotaajuus, sample rate) Kvantisoinnissa jatkuva signaali muutetaan amplitudin suhteen diskreeteiksi tasoiksi (muuntimen bittimäärä N) Koodauksessa kullekin tasolle määrätään digitaalinen koodisana (1000 1010 0110) 3
Signaalin laskostuminen Näytteenotto aikatasossa aiheuttaa signaalin laskostumista Nyqvistin teoreema Näytteistystaajuuden on oltava vähintään 2x mitattavan signaalin korkeimpaan taajuuteen verrattuna, muutoin signaali laskostuu Laskostumista voi vähentää, mutta ei täysin eliminoida Alipäästösuodatus ennen A/D-muunninta Antialias-suodatin usein peruskytkentää jyrkempi: Bessel, Butterworth, Chebyshew Optimointikysymys Näytteistystaajuus, bittimäärä, kohina, koko, tehonkulutus, hinta 4
Signaalin laskostuminen aika-alueessa Yli Nyquistin taajuudella olevat signaalit laskostuvat alemmille taajuuksille. 5
Kvantisointikohina Signaalin kvantisointi jännitetasossa aiheuttaa kvantisointikohinaa Diskreetti signaali Rajallinen tasojen määrä 2 N, tasajakautunut Valkoista kohinaa Signaali-kohinasuhde sinimuotoiselle signaalille, jonka V in = V ref Ulostulon tila Kvantisointivirhe 111 110 Q 101 100 011 010 001 000 1,25 2,50 3,75 5,00 6,25 7,50 8,75 10,00 Sisäänmenojännite [V] +Q/2 0 Q -Q/2 SNR = 20log(2 N )+ 1.76 (db) = 6.02N + 1.76 (db) 6
Kvantisoinnin bittien lukumäärä 7
A/D-muuntimet Muuntavat analogisen signaalin digitaaliseksi sanaksi Sisääntulon jännitettä verrataan referenssijännitteeseen Sarjamuotoinen tai rinnakkaismuotoinen ulostulo A/D-muuntimien arkkitehtuureja: Kaksoisintegroiva muunnin Punnitseva A/D-muunnin (Successive Approximation, SAR) Rinnakkaismuuntimet (Flash), Pipeline-muuntimet Sigma-delta muuntimet Valintakriteerinä resoluutio, nopeus, koko, tehonkulutus 8
Kaksoisintegroiva A/D-muunnin Sisääntulojännite lataa kapasitanssia, joka puretaan negatiivisella referenssijännitteellä Samalla lasketaan kellojaksoja Jännitemittaus muutetaan kahden ajan suhteen mittaamiseksi U in =(T 2 /T 1 )*U ref Tarkkuus riippuu kellotaajuuden ja referenssijännitteen stabiilisuudesta Tarkka, mutta suhteellisen hidas muunnosmenetelmä Käytössä yleismittareissa 9
Punnitseva (SAR) A/D-muunnin V in D/A-muunnin V ref SAR-muunnin Komparaattori Punnituslogiikka... Digitaalinen ulostulo Kello Successive Approximation Register Nopea A/D-muunnos (1-50 us) Ulostulo V ref Vastaavasti taajuus < 1 MSPS 0,75 V ref V in 1011 0111 Iteratiivisesti bitti kerrallaan, alkaen merkitsevimmästä (MSB) 0,5 V ref Muunnokseen tarvittava aika suoraan bittien lukumäärästä 0,25 Vref 8-18 bittiä 1 2 3 4 5 6 7 8 Kellojakso 8-bittinen punnitseva A/D muunnin ja ulostulon kehittyminen muunnoksen aikana 10
Tyypillinen SAR A/D-muunnin
Rinnakkais (Flash) A/D-muunnin 3R/2 V ref V in 2 n -1 komparaattoria Rinnakkaismuunnin Nopein A/D-muunnin (ns-luokkaa) R Parallel, flash, simultaneous Kaikki bitit muunnetaan kerralla R R Dekooderi Digitaalinen ulostulo Jännitteiden vertailu 2 N -1 komparaattoria ja referenssijännitettä (4-10 bit) Vaatii paljon osia -> vie paljon tilaa...... Koodaus digitaalisanaksi korkeimman aktivoidun komparaattorin perusteella R/2 12
2-vaiheinen Half-Flash A/D-muunnin Half-flash -muunnin Pipeline -muunnin Vähemmän komponentteja 8-bit flash-muunnin vaatii 255 kpl komparaattoreita, 4-bit flash vain 15 kpl 8-bit half-flash muunnin 2 kpl 4-bit flash + D/A Vähemmän komponentteja Hidastaa nopeutta tekijällä 3-5 Pienempi, mutta silti nopea! 13
2-vaiheinen Half-Flash A/D-muunnin
Sigma-delta (SD) muunnin http://www.analog.com/static/imported-files/tutorials/mt-022.pdf
Sigma-delta (SD) muunnin Sigma-delta muunnin Perusratkaisussa 1-bittinen takaisinkytkentä Ultralineaarinen, voi seurata lähes mitä tahansa jännitetasoa Toimintaperiaate Sisääntulosignaali moduloidaan 1-bit datavirraksi ja takaisinkytketään alkuperäisen signaalin kanssa verrattavaksi. Käyttää ylinäytteistystekniikkaa (oversampling) Kvantisointikohina siirtyy korkeammille taajuuksille Signaali digitaalisuodatetaan ja desimoidaan. Bittien lukumäärä jopa 24, näytenopeudet jopa 200 khz Käyttökohteita Audio-signaalit, teollisuuden tarkkuusmittaukset 16
D/A-muuntimet Muuttavat digitaalisen sanan analogiseksi signaaliksi Tarvitsee referenssijännitteen (integroitu tai ulkoinen) Useimmiten rinnakkaismuotoisia, mutta joskus sarjamuotoisia Monelta osin helpompia tehdä kuin A/D-muuntimet, esim. nopeus 17
Näytteenotto ja pito (S&H)-piirit Näytteenotto ja pito (S&H)-piiri Pitää jännitetason paikallaan muunnoksen aikana Analoginen multiplekseri (MUX) Jakaa A/D muuntimen useamman signaalin kesken Jännitereferenssi (REF) Vakaa jännite, jota vasten muunnettavaa jännitettä verrataan 18