Muuntavat analogisen signaalin digitaaliseksi Vertaa sisääntulevaa signaalia referenssijännitteeseen Sarja- tai rinnakkaismuotoinen Tyypilliset valintakriteerit resoluutio ja nopeus Yleisimmät A/D-muunnintyypit: Integroivat, Takaisinkytketyt (SAR) Rinnakkaismuuntimet (Flash) Sigma-deltamuuntimet (1-bit ylinäytteistetty) Pipeline
Muunnintyyppi Resoluutio Nopeus Edut / huonot puolet Flash 8 bit 250 Msps - 1Gsps + erittäin nopea + suuri kaista sis.menossa - suurin tehonkulutus - suuri koko (piirillä) - kallis SAR (punnitseva) 10-16 bit 76ksps - 250 ksps Integroiva > 18 bit < 50 ksps Sigma-delta >16 bit >200 ksps Pipeline 12-16 bit 1 Msps - 80 Msps + hyvä resol. & tarkkuus + pieni tehonkulutus - pieni kaistanleveys - rajoitettu näytt.ottotaajuus + eritt. suuri resoluutio + pieni tehonkulutus + hyvä häiriönsieto - erittäin hidas + suuri resoluutio + suuri kaistanleveys + digitaalinen suodatus - rajoitettu näytt.ottotaajuus + nopea + pieni tehonkulutus + digit. virheenkorjaus - minimikellotaajuus
Ylinäytteistetyt A/D-muuntimet Ylinäytteistys (Oversampling) Ylinäytteistyksen vaikutus anti-aliassuodattimen suunnitteluun Ylinäytteistyksen vaikutus resoluutioon 1-bittiset Σ A/D-muuntimet Petri Kärhä 30/03/2005 Luento 4c: Signaalien datamuunnokset 1
Anti-alias suodatus Teoriassa signaali voidaan rekonstruoida, mikäli näytteistys tehdään Nyquistin taajuudella Ideaalinen toiminta vaatii kuitenkin ideaalisen anti-alias suodattimen Käytännössä signaalia on pakko ylinäytteistää, jotta suodatus on mahdollista -> Oversampling Petri Kärhä 30/03/2005 Luento 4c: Signaalien datamuunnokset 2
Suodatintyypeistä Erilaisilla suodatintyypeillä ja korkeilla asteluvuilla voidaan tehdä hyvinkin jyrkkiä suodattimia Haitat: Kalliita, paljon komponentteja, vaativat mahdollisesti erilliskomponenttien käyttöä, impulssivaste Piirit nykyään huomattavan nopeita -> Ylinäytteistetään kunnolla! Petri Kärhä 30/03/2005 Luento 4c: Signaalien datamuunnokset 3
64-kertaisen ylinäytteistyksen etu Esimerkkinä audio järjestelmän stereo A/D-muunnin (Crystal Semiconductors) Toiminta lähellä Nyquistin taajuutta vaatii 11 asteen Chebyshev suodattimen Sama vaimennus saavutetaan 64- kertaisella ylinäytteistyksellä yksinkertaisilla RC-lenkeillä Petri Kärhä 30/03/2005 Luento 4c: Signaalien datamuunnokset 4
Ylinäytteistyksen vaikutus resoluutioon Efektiivinen bittien lukmäärä verrannollinen SNR:ään Ylinäytteistys levittää kvantisointikohinan laajalle taajuuskaistalle Alipäästösuodatus poistaa kohinaa vaikuttamatta signaalikaistaan -> Resoluutio kasvaa Σ modulaattori muokkaa kohinan spektriä Petri Kärhä 30/03/2005 Luento 4c: Signaalien datamuunnokset 5
1-bittinen A/D-muunnin (Σ ) Signaalia verrataan integraattorin jälkeen takaisin-kytkettyyn D/A muunnettuun signaaliin Jännite pisteessä B (keskiarvo) seuraa sisääntulevaa jännitettä -> Modulaattorista ulostuleva 1- bittinen bittivirta seuraa jännitettä Kasvava signaali generoi enemmän ykkösiä, laskeva signaali nollia Modulaattorissa oleva integraattori siirtää kvantisointikohinaa korkeammille taajuuksille Petri Kärhä 30/03/2005 Luento 4c: Signaalien datamuunnokset 6
1-bittisen A/D-muuntimen osat Σ modulaattori Muodostaa signaaliin verrannollisen yksibittisen A/D-muunnoksen Muokkaa kvantisointikohinaa (siirtää korkeammille taajuuksille) Alipäästösuodattimena toimiva integraattori voidaan korvata myös kaistanpäästösuodattimella -> Häiriötön taajuusalue siirtyy Digitaalinen suodatin Alipäästösuodatus Desimaattori Pudottaa bittien määrää tekijällä M päästämällä lävitseen vain joka M:nnen bitin Informaatiota ei häviä, kunhan Nyquistin kriteeri täyttyy! Data ulos desimaattorista joko sarja- tai rinnakkaismuotoisena Petri Kärhä 30/03/2005 Luento 4c: Signaalien datamuunnokset 7
Useampiasteiset modulaattorit Petri Kärhä 30/03/2005 Luento 4c: Signaalien datamuunnokset 8
Signaali/kohina-suhde SNR paranee kasvattamalla ylinäytteistyssuhdetta (oversampling ratio) tai lisäämällä modulaatorien lukumäärää (asteluku) Muuntimesta ei kannata ottaa ulos bittejä enempää kuin tarvitaan (efektiivinen bittien lukumäärä). Ylimääräiset bitit sisältävät pelkkää kohinaa Petri Kärhä 30/03/2005 Luento 4c: Signaalien datamuunnokset 9
24-bittinen Σ A/D-muunnin Petri Kärhä 30/03/2005 Luento 4c: Signaalien datamuunnokset 10