Flash AD-muunnin Koostuu vastusverkosta ja komparaattoreista. Komparaattorit vertailevat vastuksien jännitteitä referenssiin. Tilanteesta riippuen kompraattori antaa ykkösen tai nollan ja näistä kootaan haluttu digitaalinen signaali. Ominaisuudet +nopea -> voidaan käyttää korkeataajuuksisen signaalin muuntamiseen (GHz) +yksinkertainen -tarvitaan monta komparaattoria; n-bittiseen muunnokseen (2^n -1) kpl -käytännössä maksimiresoluutio 8 bittiä
Kaksoisintegroiva AD C:n varaus alussa nolla. Invertoitua tulosignaalia integroidaan vakioaika T1. Saadaan Vpeak, joka on verrannollinen Vin:iin. Vpeak= Vin*T1/(R*C) Seuraavaksi kytkintä käännetäään ja lähtöä integroidaan 0-tasolle asti vakiovirralla. Saadaan T2, joka on verrrannollinen Vpeak:iin eli Vin:iin. Logiikka muodostaa T2:sta halutun digitaalisen signaalin. Ominaisuudet +tarkka +yksinkertainen +resoluutio esim. 20 bittiä -hidas ja purkausaika ei vakio
Successive approximation A/D muunnin -Haarukoi oikean jännitetason binäärihaulla -Muunnoksen kesto N-kellojaksoa -Käytetään matalampien näytteeonottotaajuksien sovelluksissa, eli ei niin nopea eikä korkeaa resoluutiota, mutta vie huomattavasti vähemmän pinta-alaa. -Lohkokaavio: SAR: Successive approximation lohko ja rekisteri. DAC: D/A-muunninlohko Figure 1. Successive approximation A/D muunnin
Liukuhihna A/D muunnin -Tulosignaali muunnetaan matalalla resoluutiolla -Kvantisointivirhe vahvistetaan ja syötetään seuraavalle asteelle, jonka jälkeen tulokset yhdistetään -Suostituin muunnin korkeilla näytteenottotaajuuksilla, muutamasta miljoonasta näytteestä per sekunti aina yli sataan miljoonaan näytteeseen per sekunti -Vie paljon pinta-alaa, pieni virrankulutus -Resoluutio vaihtelee korkeilla taajuuksilla 8 bitistä matalampien taajuksien 16 bittiin saakka. Figure 2. 12-bittinen pipelinen muunnin
Sigma-delta-muunnin Sigma-deltamuunnin (tai delta-sigma) eroaa muista AD/DA-muunnintyypeistä selkeästi. Sen olennaisena osana on aina sigma-deltamodulaatio, joka on tapa muuntaa korkearesoluutioinen analoginen signaali digitaaliseksi signaaliksi tai päinvastoin. Modulaattorissa erityistä on sen takaisinkytkentä. Lisäksi tarvitaan alipäästösuodatin. Lohkojen tyyppi (digitaalinen tai analoginen) riippuu halutusta muunnoksen suunnasta. Modulaattorissa käytetään takaisinkytkentää, joka avulla tarkkaillaan tulon ja lähdön eroa (delta) ja näin parannetaan muunnoksen toimivuutta. Takaisinkytkennän täytyy toki olla myös muunnin, joka muuntaa lähdön signaalin takaisin samantyyppiseksi tulosignaalin kanssa. Tähän tarvitaan yksinkertaisimmillaan kaksi referenssijännitettä ja kytkin. Komparaattori (varsinainen muunnin) tulkitsee sisääntulonsa ja päättää onko siihen liittyvän bitin arvo 1 vai 0. Tarvitaan siis vain 1-bittinen muunnin. Modulaattorissa käytettävän kellon taajuus, joka siis on näytteistystaajuus, on yleensä suuri, sillä tällöin tulon signaalista saadaan tarkempi arvio lähtöön. Sigma-deltamuuntimessa käytetään siis selvää ylinäytteistystä, jolla kohina saadaan pienemmäksi. Kuva 1 Analoginen sigma-deltamodulaattori Kuva 2 Digitaalinen sigma-deltamodulaattori Piirin integraattorin tehtävä on muotoilla kohinajakauma sellaiseksi, että halutulla kaistalla kohinan määrä olisi vieläkin pienempi. Kohinatiheys on selvästi suurempi korkeilla taajuuksilla, jotka alipäästösuodatin taas suodattaa pois. Näin saadaan selkeästi parempi resoluutio ja SNR.
Kuva 3 Integraattorin vaikutus kohinajakaumaan Kuvassa 4 Latchin kohdalla oleva signaali on modulaattorin ulostulo. Tätä ja muitakin signaaleja tutkimalla huomataan, että informaatio on koodattu pulssitiheyteen. Kuva 4 Modulaattorien osien signaaleja Kellon taajuutta ei kuitenkaan voi ja kannata kasvattaa älyttömiin lukemiin kohinan vähentämiseksi. Sigma-deltamuuntimella kohinaa voidaan vähentää myös modulaattorin astetta kasvattamalla. Tämä käytännössä tarkoittaa, että esimerkiksi toinen aste saadaan lisäämällä analogiseen modulaattoriin toinen integraattori, jota ennen on vastaava takaisinkytkentä.
Kuva 5 Toisen asteen analoginen sigma-deltamodulaattori Korkeamman asteen modulaattoreilla integraattoreita ei voida välttämättä enää lisätä systeemin tullessa epästabiiliksi. Sen sijaan käytetään alipäästösuodattimia. Esimerkiksi audiosovelluksissa tarvitaan jopa viidennen asteen modulaattori, jotta vaadittu tarkkuus saavutetaan. Sigma-deltamuunnin on erittäin käytetty audiosovelluksissa. Äänenkäsittely äänikorttien ja CD-levyjen kanssa hoidetaankin useimmiten juuri sillä. Muita käyttökohteita ovat mm. viestintälaitteet, teollisuusvaa at ja tarkkuusmittauslaitteet. Sigma-delta tarjoaa korkean resoluution ja halvat tuotantokustannukset. Tulosignaalin kvantisoinnissa tapahtuva virhe saadaan takaisinkytkennän ansiosta lähelle nollaa. Sigma-deltamuuntimen käyttö on selvästi lisääntynyt viime aikoina vaikka yhä ymmärrys sen toiminnasta ei ole kovin yleistä.
Yhteenveto Hyvää Huonoa Flash Suuri kaistanleveys Matala resoluutio Suuri tehonkulutus Kaksoisintegroiva Tarkka Hidas Häiriönsietokyky Resoluutio Successive approximation Pieni koko Yksinkertainen rakenne Hidas Matala resoluutio Liukuhihna Nopea Laaja resoluutioalue käytettävissä Suuri koko Viive Δ Σ Häiriönsietokyky Korkea resoluutio Edullinen Hidas Suppea kaista Flash AD-muunnin soveltuu korkean näytteenottotaajuuden ansiosta parhaiten korkeataajuisille sovelluksille, kuten tutkille ja optisille tietoliikennejärjestelmille. Kaksoisintegroiva AD-muunnin soveltuu tarkkuutensa ansiosta hyvin esimerkiksi digitaaliseen jännitemittariin. Successive approximation AD-muunnin soveltuu matalan tehonkulutuksen ansiosta kannettaviin sovelluksiin, kuten mittalaitteisiin ja matkapuhelimiin. Liukuhihna AD-muunnin soveltuu useisiin kohteisiin. Erityisesti sitä käytetään digitaalisissa tietoliikennejärjestelmissä. Δ Σ-muunnin on suosittu audiosovelluksissa. Sitä suositaan myös muissa sovelluksissa lähinnä se edullisten valmistuskustannusten takia.