Signaalien datamuunnokset Muunnoskomponentit Näytteenotto ja pitopiirit Multiplekserit A/D-muuntimet Jännitereferenssit D/A-muuntimet Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 1 Näytteenotto ja pito -piirit Näytteenotto ja pito -piirin toimintaperiaate Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 2
Näytteenotto ja pito -piirien käytännön toteutuksia S Sisäänmeno C Ulostulo Sisäänmeno R Ohjaus R S C Ulostulo Ohjaus Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 3 Näytteenotto ja pito -piirien ominaisuuksia Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 4
Näytteenotto ja pito -piirit Sample/hold amplifier Erilliskomponentteja tai integroitu A/D-muuntimeen Kondensaattori joko integroitu tai erilliskomponentti Valintakriteerejä: epälineaarisuus, apertuuriviive ja sen toistuvuus, ylikuuluminen, jännitteen laskeminen, asettumisaika, sample-to-hold offset, sample-to-hold transientti, sisäänmenon resistanssi (kuormitus). Asettumisaika (acquisition time) tyypillisesti välillä 10 µs (fast) 50 ns (ultra fast). Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 5 Tyypillinen näytteenotto ja pito -piiri Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 6
Analogiset multiplekserit V S R S Analogiset sisäänmenot 1 2 3 4 5 6 7 8 Osoite dekooderi A 1 A 2 A 3 - + R in Analoginen ulostulo Jakaa A/D muuntimen useamman signaalin kesken ->kustannussäästö (A/D-muunnin kallein komponentti) Tyypillisesti 4, 8 ja 16 kanavaisia, single-ended tai differential Valintakriteerejä: Sarjavastus (tyypillisesti 50 Ω -2 kω), siirtovirhe, vaihevirhe, asettumisaika (settling time), vaihtotaajuus (throughput rate), ylikuuluminen (crosstalk) Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 7 16-kanavainen analoginen multiplexeri Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 8
A/D-muuntimet Muuntavat analogisen signaalin digitaaliseksi sanaksi Vertaa sisääntulevaa jännitettä referenssijännitteeseen Sarjamuotoinen tai rinnakkaismuotoinen Tärkeimmät A/D-muunnintyypit integroivat, takaisinkytketyt ja rinnakkaismuuntimet Valintakriteerinä resoluutio ja nopeus Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 9 Kaksoisintegroiva A/D-muunnin Muuttaa jännitteen mittauksen kahden ajan suhteen mittaamiseksi [U in =(T 2 /T 1 )*U ref ] Tarkkuus riippuu kellotaajuuden stabiilisuudesta ja referenssijännitteen tarkkuudesta Tarkka, mutta suhteellisen hidas menetelmä Käytössä lähinnä yleismittareissa Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 10
Laskuri- ja seuraajatyyppiset takaisinkytketyt A/D muuntimet Vin R Komparaattori D/A-muunnin... + Seuraa/pidä Laskuri - Kello 8-bittinen seuraava A/D-muunnin. Hitaissa muutoksissa digitaalinen ulostulo seuraa tulevaa signaalia Vin lähes reaaliajassa. Digitaalinen ulostulo Laskurityyppisessä (counter-type) muuntimessa askelletaan digitaalisanaa, takaisinkytketään se D/Amuuntimella, verrataan alkuperäiseen signaaliin ja lopetetaan askellus kun haluttu arvo on saavutettu Suoraviivainen, hidas, muunnosaika riippuu signaalista Seuraava (tracking-type) muunnin voi askeltaa kumpaan suuntaan hyvänsä Nopeampi, käytetään säätötekniikassa Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 11 Punnitseva A/D-muunnin Vin Komparaattori Ulostulo Vref 0,75 Vref 0,5 Vref 0,25 Vref Vin D/A-muunnin Punnituslogiikka 1011 0111 1 2 3 4 5 6 7 8 Kellojakso 8-bittinen punnitseva A/D muunnin ja ulostulon kehittyminen muunnoksen aikana... Vref Digitaalinen ulostulo Kello Yksi tärkeimmistä muunnintyypeistä Nopea, tarvitaan bittien lukumäärän verran kellojaksoja riippumatta sisääntulosignaalin tasosta 18-bittinen muunnos jopa 5 micro-sekunnissa Successive Approximation Register SAR Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 12
Rinnakkais A/D-muunnin 3R/2 R R R V ref V in 2 n -1 komparaattoria Dekooderi Digitaalinen ulostulo Rinnakkais (parallel, flash, simultaneous) muuntimessa kaikki bitit muunnetaan samanaikaisesti Vertailu2 N -1 jännitetasoon Koodaus digitaalisanaksi R/2...... Erittäin nopea (muutama ns) mutta vaatii valtavasti komponentteja Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 13 Useampivaiheiset Flash A/D-muuntimet Tarvittavien komponenttien määrää voi pudottaa radikaalisti tekemällä muunnoksen useassa vaiheessa Esim. 8-bittinen flash A/Dmuunnin vaatii 255 komparaattoria, kun taas 4- bittinen vain 15 Pudottaa nopeutta likimain tekijällä 3 5 Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 14
A/D-muuntimen valintakriteerit Tärkeimmät valintakriteerit ovat 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. Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 15 Tyypillinen A/D-muunnin (SAR) Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 16
2-vaiheinen flash A/D-muunnin Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 17 Jännitereferenssit R 1-2,2 mv/ C +2,2 mv/ C I z V z + V - z (1+R 1 /R 2 ) R 3 R 2 Tärkeä osa A/D- ja D/A-muuntimissa Voi olla sisäänrakennettu tai voidaan tehdä erilliskomponenteista Tavallisin lämpötilakompensoitu Zener-diodi Jännitereferenssidiodit: 1,2 10 V, 1 100 ppm/ C Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 18
10 V jännitereferenssi Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 19 D/A-muuntimet Muuttavat digitaalisen sanan analogiseksi signaaliksi Tarvitsee referenssijännitteen, joka voi olla integroitu tai ulkoinen Useimmiten rinnakkaismuotoisia, mutta joskus sarjamuotoisia Monelta osin helpompia tehdä kuin A/D-muuntimet (esim. nopeus) Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 20
Vastussuhde D/A-muunnin Edut: yksinkertainen, nopea Rajoitukset: vastusten epätarkkuus, vastusten lämpötilariippuvuus komponenttisen absoluuttiarvot vaikuttavat lopputulokseen Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 21 R-2R tikapuuverkkomuunnin R R R R 2R 2R 2R 2R 2R V ref 2R R F V Vain vastusten suhde vaikuttaa lopputulokseen ->helpompi toteuttaa Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 22
Glitchien eliminointi D/Amuuntimesta Tilan vaihdos saattaa joskus näkyä D/A-muuntimen ulostulossa Voidaan estää näytteenotto- ja pitopiirillä Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 23 D/A-muuntimen valintakriteerejä Paljolti samat valitakriteerit kuin A/D muuntimissa, tärkeimmät bittien lukumäärä ja nopeus. Muita kriteerejä (myös A/D-muuntimille) Tehonkulutus Käyttöjännite Tarvittavat lisäkomponentit Lineaarisuus Särö ja kohinaominaisuudet Lämpötila alue (COMMERCIAL 0 +70 C, INDUSTRIAL -25 +85 C, MILITARY -55 125 C) Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 24
Tyypillinen D/A-muunnin Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 25 Muunninvirheitä Offset-virhe Vahvistusvirhe Epälineaarisuus Puutuva koodi Epämonotonisuus Differentiaalinen epälineaarisuus Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 26
Yhteenveto Petri Kärhä 26/02/2008 Signaalien datamuunnokset 27