Konvertori podataka Petar Veseli Osnovi konvertora podataka Osnovi

Konvertori podataka Petar Veselić

Osnovi konvertora podataka

Osnovi konvertora podataka Shannon-ova teorema odabiranja: Ako kontinualni signal ne sadrži harmonike van područja učestanosti (-w 0, w 0), on se može kompletno okarakterisati svojim vrednostima u ekvidistantnim tačkama ako je učestanost odabiranja ws=2 p/T veća od 2 w 0. Kontinualni signal se tada može izračunati primenom interpolacione formule

Osnovi konvertora podataka

Osnovi konvertora podataka

Arhitekture D/A konvertora Digitalni ulazni kod Komparacija digitalnih ulaznih kodova

Arhitekture D/A konvertora Otporni niz Niz otpornika (a) Jednostavni D/A konvertor sa otpornim nizom, (b) korišćenje binarnog prekidačkog polja radi smanjenja izlazne kapacitivnosti

Arhitekture D/A konvertora Otporni niz Greške neuparenosti kod D/A konvertora sa otpornim nizom - greška neusaglašenosti

Arhitekture D/A konvertora Otporni niz Integralna nelinearnost D/A konvertora sa otpornim nizom - Za toleranciju otpornika od 2%

Arhitekture D/A konvertora Otporni niz Diferencijalna nelinearnost D/A konvertora sa otpornim nizom - Za toleranciju otpornika od 2%

Arhitekture D/A konvertora Lestvičaste R-2 R mreže R-2 R D/A konvertor Dk – k-ti bit ulazne reči čija vrednost može biti 1 ili 0

Arhitekture D/A konvertora Konvertor zasnovan na krađi struje Opšti D/A konvertor sa strujnom kontrolom

Arhitekture D/A konvertora Konvertor zasnovan na krađi struje Greške neuparenosti D/A konvertora sa krađom struje greška struje usled neuparenosti Maksimalna integralna nelinearnost: Maksimalna diferencijalna nelinearnost:

Arhitekture D/A konvertora Konvertor zasnovan na krađi struje Strujno kontrolisani D/A konvertor sa težinskim strujnim izvorima

Arhitekture D/A konvertora Konvertor zasnovan na krađi struje Greške neuparenosti D/A konvertora sa krađom struje Maksimalna integralna nelinearnost: Maksimalna diferencijalna nelinearnost:

Arhitekture D/A konvertora Konvertor sa skaliranim tovarom (a) D/A konvertor sa skaliranjem napona, (b) ekvivalentno kolo sa MSB=1 i svim ostalim bitovima jednaki nuli

Arhitekture D/A konvertora Konvertor sa skaliranim tovarom Lejaut binarno težinskih kondezatora koristeći: (a) pojedinačne kondezatore, (b) jedinične kondenzatore da bi se minimizirao efekat zasecanja i (c) zajednički centrirane za minimizovanje gradijenta oksida

Arhitekture D/A konvertora Konvertor sa skaliranim tovarom D/A konvertor sa razdeljenim nizom

Arhitekture D/A konvertora Ciklični konvertor

Arhitekture D/A konvertora Protočni konvertor Pajplajn D/A konvertor

Primene A/D konvertora Ø Akvizicija podataka Ø Precizno merenje u industriji Ø Audio i video procesiranje Ø Rad pri visokim brzinama (frekvencija uzorkovanja veća od 5 MS/s) Ø Aplikacija u upravljanju gde je A/D konvertor sastavni deo povratne petlje

Primene A/D konvertora

Arhitekture A/D konvertora Fleš konvertor

Arhitekture A/D konvertora Fleš konvertor Izlaz fleš A/D konvertora

Arhitekture A/D konvertora Fleš konvertor Tačnost fleš A/D konvertora Vi - napon na i-tom izvodu Vsw, i - napon komutiranja i-tog komparatora Vos, i - naponski ofset i-tog kompratora

Arhitekture A/D konvertora Dvokoračni fleš konvertor

Arhitekture A/D konvertora Dvokoračni fleš konvertor Proces konverzije: 1. Nakon što je ulaz uzorkovan, najznačajniji bitovi (MSB) su konvertovani prvim fleš A/D konvertorom 2. Konvertovani rezultat se pretvara u analogan napon pomocu D/A konvertora i oduzima se od pobudnog ulaznog signala 3. Rezultat oduzimanja, poznat kao ostatak, množi se sa 2 N/2 i dovodi na ulaz drugog A/D konvertora. Množenje ne samo da obezbeđuje da oba A/D konvertora budu identična, nego i povećava veličinu nivoa ulaznog signala u drugi A/D konvertor 4. Drugi A/D konvertor generiše bitove manje težine uz pomoć fleš konverzije

Arhitekture A/D konvertora Dvokoračni fleš konvertor Gruba i fina konverzija bazirana na dvokoračnom A/D konvertoru

Arhitekture A/D konvertora Protočni konvertor Pajplajn A/D konvertor => n-to koračni konvertor sa konvertovanjem jednog bita po stepenu - Velika propustnost, ali postoji inicijalno kašnjenje od N taktnih intervala dok se ne generiše prva digitalna izlazna reč.

Arhitekture A/D konvertora Konvertor sa integracijom Arhitektura sa jednostrukim nagibom - Vreme konverzije tc zavisi od vrednosti ulaznog signala:

Arhitekture A/D konvertora Konvertor sa integracijom - Frekvencija uzorkovanja: Vremenski diagrami single-slope A/D konvertora za (a) ulaze i izlaze komparatora (b) rezultujuće odbrojane impulse

Arhitekture A/D konvertora Konvertor sa integracijom Izlaz A/D konvertora sa jednostrukim nagibom

Arhitekture A/D konvertora Konvertor sa integracijom Arhitektura sa dvostrukim nagibom

Arhitekture A/D konvertora Konvertor sa integracijom Period integracije i izlaz brojača za dva odvojena uzorka 3 -bitnog dual-slope A/D konvertora

Arhitekture A/D konvertora Konvertor sa sukcesivnom aproksimacijom - Najpopularnija arhitektura koja se danas koristi. Tačnost A/D konvertora zavisi od tačnosti D/A konvertora.

Arhitekture A/D konvertora Konvertor sa sukcesivnom aproksimacijom Binarna pretraga na primeru 3 -bitne sukcesivne aproksimacije A/D konvertora za D=101

Arhitekture A/D konvertora Konvertor sa sukcesivnom aproksimacijom Izlaz A/D konvertora sa sukcesivnom aproksimacijom

Arhitekture A/D konvertora Konvertor sa prekomernim uzorkovanjem Razlike izmedju Nyquistovih konvertora i konvertora sa prekomernim uzorkovanjem Tipični blok diagram za (a) konvertore sa Nyquistovom učestanošću (b) konvertore sa prekomernim uzorkovanjem

Arhitekture A/D konvertora Konvertor sa prekomernim uzorkovanjem Izgled frekvencijskog spektra za (a) konvertore sa Nyquistovom učestanošću (b) pojava alijasa (c) konvertora sa prekomernim uzorkovanjem

Arhitekture A/D konvertora Konvertor sa prekomernim uzorkovanjem

Karakteristike kola uzorkovanja i zadrške (a) Izlaz idealnog SH kola (Sample and Hold) (b) Izlaz idealnog TH kola (Track and Hold)

Karakteristike kola uzorkovanja i zadrške Nesavršenosti u procesu uzorkovanja i držanja Tipične greške SH kola

Karakteristike kola uzorkovanja i zadrške Greška aperture

Specifikacije D/A konvertora Prenosna karakteristika Blok diagram D/A konvertora Idealna prenosna karakteristika 3 -bitnog D/A konvertora VFS – Napon pune skale

Specifikacije D/A konvertora Diferencijalna nelinearnost DNLn = (stvarna vrednost priraštaja tranzicije n) – (idealna vrednost priraštaja) Primer diferencijalne nelinearnosti za 3 -bitni D/A konvertor

Specifikacije D/A konvertora Integralna nelinearnost INL = (izlazna vrednost ulaznog koda n) – (izlazna vrednost referentne linije u toj tački) Merenje INL sa prenosne karakteristike D/A konvertora

Specifikacije D/A konvertora Integralna nelinearnost Primer integralne nelinearnosti 3 -bitnog D/A konvertora

Specifikacije D/A konvertora Ofset Prikaz ofset greške 3 -bitnog D/A konvertora

Specifikacije D/A konvertora Greška pojačanja = Idealni nagib – aktuelni nagib Prikaz greške pojačanja 3 -bitnog D/A konvertora

Specifikacije A/D konvertora Prenosna karakteristika Blok diagram A/D konvertora Broj kvantizacionih nivoa = 2 N

Specifikacije A/D konvertora Prenosna karakteristika (a) Prenosna karakteristika idealnog 3 -bitnog A/D konvertora (b) Odgovarajuća kvantizaciona greška

Specifikacije A/D konvertora Diferencijalna nelinearnost DNL = (Stvarna veličina stepenika) – (idealna veličina stepenika) (a) Prenosna karakteristika neidealnog 3 -bitnog A/D konvertora (b) Greška kvantizacije koja ilustruje DNL

Specifikacije A/D konvertora Nedostajući kodovi DNL = -1 LSB => izostavljeni kod Prenosna karakteristika neidealnog 3 -bitnog A/D konvertora sa nedostajućim kodom

Specifikacije A/D konvertora Integralna nelinearnost INL = razlika između vrednosti kodnog prelaza konvertora i prave linije, pri svim ostalim greškama jednakim nuli (a) Prenosna karakteristika neidelanog 3 -bitnog A/D konvertora (b) Odgovarajuća greška kvantizacije koja ilustruje INL

Specifikacije A/D konvertora Ofset i greška pojačanja Ofset Greška pojačanja

Zaključak D/A konvertori Otporni niz - visoka tačnost (za veliku ulaznu impendansu i odgovaraću toleranciju otpornika), - izlaz je uvek monoton, - INL je ograničavajući faktor visoke rezolucije (2 N puta veći od DNL). Lestvičaste R-2 R mreže - realizacija zahteva manji broj otpornika. Konvertor zasnovan na krađi struje - velika brzina, - velika strujna sposobnost (ne zahteva bafere).

Zaključak D/A konvertori Konvertor sa skaliranim tovarom - postojanje parazitne kapacitivnosti ograničava visoku rezoluciju. Ciklični konvertor - tačnost zavisi od tačnosti pojačanja pojačavača, - N-to bitna konverzija zahteva N taktnih intervala. Protočni konvertor - veoma brza arhitektura, - inicijalno kašnjenje od N taktnih intervala, - visoka rezolucija zahteva veliku tačnost pojačanja pojačavača, - N puta veći broj kola od ciklične arhitekture.

Zaključak A/D konvertori Fleš konvertor - najveća brzina konverzije od svih konvertora (jedan taktni impuls => 10 -40 Ms/s pri 8 -bitnoj rezoluciji), - realizacija zahteva 2 N-1 komparatora, - ofset direktno utiče na INL i DNL. Dvokoračni fleš konvertor - realizacija zahteva manje komparatora 2(2 N/2 -1), - proces konverzije se obavlja za dva taktna intervala.

Zaključak A/D konvertori Protočni konvertor - N-to koračni konvertor, - inicijalno kašnjenje od N taktnih intervala, - velika propustnost, - nakon početne latentnosti jedna konverzija traje jedan takt. Konvertor sa inegracijom - visoka rezolucija, - relativno spora konverzija (zavisi od vrednosti ulaznog signala), - veoma jeftina realizacija.

Zaključak A/D konvertori Konvertor sa sukcesivnom aproksimacijom - najpopularnija arhitektura koja se danas koristi, - velika brzina i visoka rezolucija, - tačnost A/D konvertora zavisi od tačnosti primenjenog D/A konvertora. Oversampling konvertor - mogućnost postizanja mnogo veće rezolucije nego konvertori sa Nikvistovom učestanošću, - propusnost je značajnija u odnosu na konvertore sa Nikvistovom učestanošću.