تبدیل سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال
-
Upload
amela-shelton -
Category
Documents
-
view
303 -
download
26
description
Transcript of تبدیل سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال
تبدیل سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال
چرا تبدیل آنالوگ به دیجیتال؟●
مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال●
A/D انواع تکنیکهای تبدیل ●
محصوالت مختلف از مبدلهای آنالوگ به ●دیجیتال
نیازمندیها برای تبدیل آنالوگ به دیجیتال●
چرا تبدیل آنالوگ به دیجیتال؟● پردازش سیگنال دیجیتال ●
رایج تر است:
قابلیت پیاده سازی و ●اصالح آسانتر
هزینه کم● داده های واقعی عموما ●
آنالوگ هستند
نیازمندیها برای تبدیل داده های خام به داده ●های دیجیتال
فیلتر، تقویت کننده●
مدار نمونه بردار و نگهدار و مولتی پلکسر●
مبدل آنالوگ به دیجیتال●
مفهوم تبدیل آنالوگ به دیجیتال● بطور مفهومی شامل ●
مراحل ذیل است
کوانتیزه کردن: شکستن سیگنال آنالوگ به یک ●سری از حالتهای محدود
کد کردن: اختصاص یک کلمه یا عدد دیجیتال ●به هر حالت
مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال●
پایه:I/O رابطه ●- مبدل آنالوگ به دیجیتال یک
سیستم نسبت گیری است:
x = Analog input / Reference
Fraction: 0 ~ 1
بیتیn مبدلهای ● تعداد سطح خروجی ●
2nگسسته:
: LSB اندازه ●/ 2nQ LSB FS خطای ●
کوانتیزاسیون: 1/ 2LSB کاهش n با افزایش ●
می یابد
مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال● خطاهای تبدیل:●
خطای آفست
خطای بهره
با تنظیمات اولیه قابل حذف می باشد
خطای خطی سازی انتگرالی
خطای خطی سازی دیفرانسیلی
خطای غیرخطیحذف آن سخت است
تابع یک شیب با آن واقعی انتقالی تابع شیب تطابق چگونگیایدهآل انتقال
خروجی مشخصه شروع نقطه عمودی جابجایی ) مبدل) پاسخ
برای شده گیری اندازه و آل ایده خروجی پاسخ بین اختالفمبدل پیدرپی کد دو هر
) ( / یک از مبدل پاسخ خروجی ورودی انحرافمشخصه حداکثرمستقیم خط
مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال●
کمترین میزان :resolutionرزولوشن مبدل- تغییر در ورودی آنالوگ که باعث یک
سطح تغییر کد خروجی می گردد
:accuracyدقت مبدل-
تفاضل بین ولتاژ ورودی واقعی و ●ولتاژ معادل کد خروجی مبدل
مقدار حداکثر مجموع تمامی ●خطاهای مبدل مشتمل بر خطای
کوانتیزاسیون
:conversion timeزمان تبدیل-
زمان مورد نیاز پیش از اینکه ●مبدل بتواند
داده های خروجی صحیح تولید کند
throughputنرخ خروجی مبدل-
output:
تعداد دفعاتی که سیگنال ●ورودی با حفظ
حداکثر دقت آن می تواند نمونه برداری گردد
عکس زمان کل مورد نیاز ●برای انجام یک تبدیل موفق
عکس زمان تبدیل اگر هیچ ●نوع مدار نمونه بردار و نگهداری
استفاده نشده باشد
مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال●رزولوشن و نرخ نمونه برداری می توانند برای افزایش
دقت تبدیل افزایش یابند:
نکات پیاده سازی●
کاربرد زمان تبدیل:
تغییر ورودی در طی پروسه تبدیل ●باعث تولید
یک عدم قطعیت نامطلوب می گردد
دقت تبدیل کامل در صورتی حاصل ●می گردد
که این عدم قطعیت کمتر از رزولوشن مبدل اختیار گردد
Rate of Change * tc resolution
max( )2n c
dV FS
dt t
• Example– 8-bit ADC– Conversion Time:
100sec– Sinusoidal input
• Rate of change • Let FS = 2A
• Limited to Low frequency of 12.4 Hz
– Few Applications
22
2
112.4
2
nc
nc
AfA
t
f Hzt
نکات پیاده سازی●بر این اساس با استفاده از یک مدار
نمونه بردار و نگهدار می توان عملکرد مبدل را بهبود بخشید:
یک مدار آنالوگ که به سرعت بر ●اساس فرمان از سیگنال ورودی
نمونه برداری می کند، سپس آن را نسبتا ثابت نگه می دارد تا مبدل
عملیات تبدیل را انجام دهد● aperture time (ta)
تأخیر زمانی حادث شونده در مدارات نگهدار
مابین زمانی که فرمان نگهداری دریافت شده و لحظه ای که گذار به مود نگهداری حاصل می گردد- زمان
رایج آن در حد چند نانوثانیه است
• Example– 20 nsec aperture
time
• Reasonably good for 100sec converter
162.17
2n a
f KHzt
نکات پیاده سازی●نوع سیگنال آنالوگ ورودی:
سیگنال تفاضلی و یا تکی بدون ●پالریتی:
Typical Input Range0 ~ 10V and 0 ~ 5V
اگر سیگنال ورودی کل محدوده ●ورودی مجاز
را پوشش ندهد در این صورت: برخی از کدهای خروجی مبدل ●
استفاده نمی شوند اثرات بیشتر خطاهای کانورتر بر ●
خروجی
تطبیق رنج ورودی واقعی و رنج ●ورودی مجاز
از مبدل که برای این منظور: در طبقه نهائی قبل از مبدل باید ●
توسط طبقات آپ-امپی، سیگنال به سطح مناسب تغییر یابد
نکات پیاده سازی●چگونگی تبدیل ورودی های عالمت دار
)دوقطبی( به ورودیهای تک-قطبی:
کاهش رنج ورودی با یک نسبت ● اضافه کردن آفست●مناسب
در صورتی که عالمت ●اطالعات در خروجی مطلوب
باشد
استفاده از مبدلهای تک-قطبی:●
استفاده از مبدلهای دو-قطبی:●
خروجی عموما در قالب ● می باشد2مکمل
Typically, 0 ~ 5V
scaled
Addoffset
نکات پیاده سازی●خروجیها و سیگنال مرجع آنالوگ:
ورودیها و خروجیهای ●معمول:
خروجی مبدل:●
● Number of bits 8 and 12 bits are typical 10, 14, 16 bits also available
خطاها در سیگنال مرجع:●
تنظیمات اولیه●
منبع:●
دریفت نسبت به ●زمان و دما
برای دستیابی به یک دقت ● دارا بودن یک سیگنال مرجع ●کامل از مبدل:
پایدار و دقیق خیلی مهم است● Typically, precision IC voltage reference is used
نکات پیاده سازی●سیگنالهای کنترل:
• Start– From CPU– Initiate the
conversion process
• BUSY / EOC– To CPU– Conversion is in
progress• 0=Busy: In progress• 1=EOC: End of
Conversion
• HBE / LBE– From CPU– To read Output word
after EOC• HBE
– High Byte Enable
• LBE– Low Byte Enable
A/D انواع تکنیکهای تبدیل ●
●Counter or Tracking ADC●Successive Approximation ADC
Most Commonly Used
● Slop Integrating ADC●Voltage to Frequency ADC●Parallel or Flash ADC
انواع تکنیکهای ●A/D Counter Type ADCتبدیل
بلوک دیاگرام:
شکل موج:
عملیات: راه اندازی و ریست کردن ●
شمارنده ● DAC خروجی دیجیتال شمارنده را
به سیگنال آنالوگ تبدیل می کند
مقایسه ورودی آنالوگ و خروجی ●DAC
Vi < VDAC
ادامه شمارش تا زمانیکه: ●Vi = VDAC
پایان شمارش ● خروجی دیجیتال=خروجی ●
شمارنده
معایب: زمان تبدیل متغیر ●
2n Clock Period for Full Scale input
انواع تکنیکهای ● A/Dتبدیل
A/D:نوع ردیاب یا سرو
شکل موج:
Tracking Type ADC
استفاده از شمارنده باال/پایین ●برای ردیابی پیوسته
باال یا پائین شدن شمارنده توسط ●سیگنال ورودیخط کنترل
خروجی مقایسه کننده صورت می گیرد
مزیت: سرعت●
عیب: خروجی هیچگاه پایدار نمی باشد ●
حتی اگر ورودی پایدار باشد
انواع تکنیکهای ● A/Dتبدیل
رایج ترین نمونه ای که در مبدلهای با ●سرعت متوسط تا باال استفاده می گردد
مبتنی بر تقریب سیگنال ورودی با کد ●باینری و سپس بازبینی مکرر این تبدیل تا
زمانیکه بهترین تقریب حاصل گردد
Successive Approximation ADC
● SAR)توسط : )رجیستر تقریب مکرر این رجیستر تمامی مقادیر بیتها با شروع
و خاتمه یافتن MSBاز بیت مورد آزمون قرار گرفته تا LSBدر بیت
مقداری برابر ورودی حاصل گردد
انواع تکنیکهای ● A/Dتبدیل
زمان تبدیل:●
Successive Approximation ADC
شکل موج:
منطق تغییر خروجی:
● Conversion Timen clock for n-bit ADCFixed conversion time
خروجی سریال به سادگی تولید می ● تصمیم گیری برای تولید بیت بصورت ●گردد:
سریالصورت می گیرد
مشخصات کلیدی:
انواع تکنیکهای ● A/Dتبدیل
نحوه عملکرد:
Slope (Integrating) ADC
تولید منحنی دندانه اره ای توسط ●انتگرال گیر و شمارنده تا زمانیکه مقایسه
کننده برابری آن را با ورودی نشان دهد
انواع تکنیکهای ● A/Dتبدیل
VFCمبدل ولتاژ به فرکانس یا ●
Voltage to Frequency ADC
تبدیل ولتاژ ورودی آنالوگ به ●قطاری از پالسها
تولید خروجی :counterشمارنده - ●دیجیتال با شمارش
پالسها بر روی یک بازه زمانی ثابت
مزايا: ●
معايب: ●
كاهش نويز عالي●
كند●
بيت يا كمتر10 عموما مبتني بر ●
انواع تکنیکهای ●A/D Parallel or Flash ADCتبدیل
مشتمل بر یک سری مقایسه کننده ●که هر کدام سیگنال ورودی را با یک
سیگنال مرجع مقایسه می کند
خروجی مقایسه کننده ها به ●ورودیهای یک انکدر متصل می گردند که یک خروجی باینری تولید می کنند
انواع تکنیکهای ●A/D Parallel or Flash ADCتبدیل
سرعت تبدیل بسیار باال ●
● Up to 100MHz for 8 bit resolutionVideo, Radar, Digital Oscilloscope
تبدیل یک مرحله ای ●
● 2n –1 comparator● Precision Resistive Network● Encoder
رزولوشن محدود ●
مزایا :●
:معایب ●
هزينه باال●
-براي IC تعداد زیادی مقایسه کننده در یک ● مقايسه كننده مي باشد 255 بيت نياز به 8
کاربرد
هدف از یک مبدل دیجیتال به آنالوگ، تبدیل یک سیگنال دیجیتال به ●خروجی جریانی و یا ولتاژی آنالوگ می باشد
DAC100101…
کاربرد
هدف از یک مبدل دیجیتال به آنالوگ، تبدیل یک سیگنال دیجیتال به ●خروجی جریانی و یا ولتاژی آنالوگ می باشد
10111001 10100111 10000110010101000011001000010000Digital Input Signal
Ana
log
Out
put
Sig
nal
مشخصات فنی
در ورودی دیجیتالLSB مقدار تغییر در خروجی به ازای هر بار تغییر در ● هر چه رزولوشن بیشتر باشد، سیگنال خروجی مطلوب را می توان ●
دقیق تر تخمین زد
NLSB
VV
2Resolution Ref N = Number of bits
رزولوشن
Better Resolution(3 bit)Poor Resolution(1 bit)Vout
Desired Analog signal
Approximate output
2 V
olt.
Lev
els
Digital Input0 0
1
Digital Input
Vout
Desired Analog signal
Approximate output
8 V
olt.
Lev
els
000
001
010
011
100
101
110
111
110
101
100
011
010
001
000
ResolutionResolution
مشخصات فنی
ولتاژ مرجع
مقدار ولتاژ مشخصی می باشد که تعیین می کند هر ورودی دیجیتال به چه کسر ولتاژی اختصاص داده شود
داخلی و ثابت و تعیین شونده توسط سازنده ● انواع:
خارجی و متغیر و تعیین شونده توسط کاربر ●
Assume 2 bit DAC
Non-Multiplier: (Vref = C)
Digital Input
Multiplier: (Vref = Asin(wt))
0
Voltage
00
01 01
00
10 10
11
0
Voltage
Digital Input00 00
01 01
10 10
11
Reference VoltageReference Voltage
مشخصات فنی
زمان نشست زمان مورد نیاز برای اینکه ولتاژ سیگنال ورودی به محدوده ولتاژ ●
خروجی مورد انتظار تبدیل گردد (within +/- VLSB)
هر تغییر در حالت ورودی به سرعت در خروجی منعکس نمی گردد ●
Analog Output Voltage
Expected Voltage
+VLSB
-VLSB
Settling time Time
Settling TimeSettling Time
مشخصات فنی
خطی بودن اختالف بین خروجی آنالوگ مطلوب و خروجی واقعی بر روی یک ●
محدوده کاملی از مقادیر و ورودی آن باید یک DAC در حالت ایده ال مابین خروجی یک مبدل ●مورد انتظار
رابطه خطی وجود داشته باشد که همواره محقق نمی گردد
LinearityLinearity
Linearity(Ideal Case)
Digital Input
Perfect Agreement
Desired/Approximate Output
Ana
log
Out
put V
olta
ge
NON-Linearity(Real World)
Ana
log
Out
put V
olta
ge
Digital Input
Desired Output
Miss-alignment
Approximate output
مشخصات فنی
سرعت
نرخ تبدیل یک ورودی دیجیتال به معادل آنالوگ آن ●
نرخ تبدیل:●
SpeedSpeed
سیگنال ورودیclock وابسته به سرعت ●
وابسته به زمان نشست مبدل●
مشخصات فنی
خطاها غیر خطی ●
بودن
دیفرانسیلی●
گین●
انتگرالی●
آفست●●
غیریکنواختی
Differential
Integral
Gain
Offset
Non-monotonicity
مشخصات خطای غیرخطی فنی
دیفرانسیلی
مقدار استپ ولتاژی نسبت به خروجی قبلی مبدل ●(Ideally All DNL’s = 1 VLSB)
Digital Input
Ideal Output
Ana
log
Out
put V
olta
ge
VLSB
2VLSB Diff. Non-Linearity = 2VLSB
مشخصات فنی
خطای غیرخطی انتگرالی
انحراف خروجی واقعی مبدل از مقدار ایده ال ●(Ideally all INL’s = 0)
Digital Input
Ideal Output
1VLSB Int. Non-Linearity = 1VLSB
Ana
log
Out
put V
olta
ge
مشخصات فنی
خطای آفست اختالف ولتاژ ثابت مابین خروجی ایده ال و خروجی ●
واقعی
شیب واقعی بزرگتر از ایده ال خطای گین باال:●
شیب واقعی کمتر از ایده ال خطای گین پائین:●
Digital Input
Desired/Ideal OutputOutput Voltage
Positive Offset
Negative Offset
مشخصات خطای فنی
غیریکنواختی میزان کاهش در ولتاژ خروجی به ازای یک افزایش ●
در ورودی دیجیتال
Ana
log
Out
put V
olta
ge
Digital Input
Desired Output
Monotonic
Non-Monotonic
Binary Weighted Resistor انواع مبدلها
Rf = R
8R4R2RR Vo
-VREF
iI
LSB
MSB
استفاده از یک مدار آپ امپی جمع ●کننده
تا LSB مقاومتهای وزن دار برای تمایز هر بیت از ●MSB
استفاده از ترانزیستورها برای سوئیچ مابین ولتاژ ● مرجع و زمین
انواع مبدلهاBinary Weighted Resistor
8R4R2RR Vo
-VREF
iI
Least Significant Bit
Most Significant Bit
نمایش باینری ●
انواع مبدلهاBinary Weighted Resistor
نمایش باینری ●
-VREF
Least Significant Bit
Most Significant Bit
CLEAREDSET
( 1 1 1 1 )2 = ( 15 )10
انواع مبدلهاBinary Weighted Resistor
Rf = R
8R4R2RR Vo
-VREF
iI
LSB
MSB
مقاومتهای وزن ●دهی شده بر
اساس بیت کاهش جریان با ●
برای 2یک فاکتور هر بیت
انواع مبدلهاBinary Weighted Resistor
• Result:
– Bi = Value of Bit i
R
B
R
B
R
B
R
BVI REF 842
0123
842012
3
BBBBVRIV REFfOUT
انواع مبدلهاBinary Weighted Resistor
بطور کلی تر ●
ResolutionValue Digital2 1
REF
ini
REFOUT
V
BVV
Bi = Value of Bit in = Number of Bits
انواع مبدلهاBinary Weighted Resistor
مزایا
معایب
آنالیز/ساختار ساده ●
تبدیل سریع ●
که مقاومتهای کم باید نیاز به محدوده وسیعی از مقاومتها ●دارای صحت باالئی باشند
نیاز به مقاومتهای سوئیچ پائین در ترانزیستورها ● بیت 8گران قیمت بنابراین معموال به رزولوشن ●
محدود می گردد
انواع مبدلهاR-2R Ladder
VREFMSB
LSB
binary پیکربندی سوئیچ ورودی همانند روش ●weighted resistor
عبور داده می شوند 2R تمام بیتها از یک مقاومت ●
انواع مبدلهاR-2R Ladder
سیگنال از تعداد مقاومتهای بیشتر قبل از رسیدن به LSB برای ●آپ امپ باید عبور داده شود
در هر گره تقسیم می گردد2جریان با یک فاکتور ●
LSB MSB
انواع مبدلهاR-2R Ladder
در هر گره تقسیم می گردد2جریان با یک فاکتور ●
Analysis for current from (001)2 shown below
0I
VREF
RR R R 2R
2R2R2R
Op-Amp input“Ground”
B0
20I
40I
80I
R
V
RRR
VI REFREF
32220
B1B2
انواع مبدلهاR-2R Ladder
• Result:
– Bi = Value of Bit i
842012 BBB
VR
RV REF
fOUT
Rf
8423012 BBB
R
VI REF