Survey
* Your assessment is very important for improving the work of artificial intelligence, which forms the content of this project
Download Digital Input
Document related concepts
no text concepts found
Transcript
تبدیل سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال ● چرا تبدیل آنالوگ به دیجیتال؟ ● نیازمندیها برای تبدیل آنالوگ به دیجیتال ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D ● محصوالت مختلف از مبدلهای 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 ● مفهوم تبدیل آنالوگ به دیجیتال ● مفهوم تبدیل آنالوگ به دیجیتال ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال ● رابطه I/Oپایه: مبدل آنالوگ به دیجیتال یک سیستمنسبت گیری است: x = Analog input / Reference Fraction: 0~1 ● مبدلهای nبیتی ● تعداد سطح خروجی گسسته2 n : ● اندازه : LSB Q LSB FS / 2n ● خطای کوانتیزاسیون: 1/ 2LSB ● با افزایش nکاهش می یابد ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال ● خطاهای تبدیل: خطای آفست جابجایی عمودی نقطه شروع مشخصه خروجی (پاسخ) مبدل خطای بهره چگونگی تطابق شیب تابع انتقالی واقعی آن با شیب یک تابع انتقال ایدهآل با تنظیمات اولیه قابل حذف می باشد خطای خطی سازی انتگرالی حداکثر انحراف مشخصه ورودی/خروجی (پاسخ) مبدل از یک خط مستقیم خطای خطی سازی دیفرانسیلی اختالف بین پاسخ خروجی ایده آل و اندازه گیری شده برای هر دو کد پیدرپی مبدل خطای غیرخطی حذف آن سخت است ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال رزولوشن مبدل :resolution -کمترین میزان تغییر در ورودی آنالوگ که باعث یک سطح تغییر کد خروجی می گردد دقت مبدل:accuracy - ● تفاضل بین ولتاژ ورودی واقعی و ولتاژ معادل کد خروجی مبدل زمان تبدیل:conversion time - ● زمان مورد نیاز پیش از اینکه مبدل بتواند داده های خروجی صحیح تولید کند نرخ خروجی مبدل:throughput output - ● مقدار حداکثر مجموع تمامی خطاهای مبدل مشتمل ● تعداد دفعاتی که سیگنال ورودی با حفظ بر خطای کوانتیزاسیون 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 مقایسه رزولوشن در دقت تبدیل: ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال اثر نرخ نمونه برداری در دقت تبدیل: ● 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 • Example – 8-bit ADC – Conversion Time: 100sec – Sinusoidal input • Rate of change • Let FS = 2A 2A 2 fA n 2 tc f 1 12.4 Hz 2 tc • Limited to Low frequency of 12.4 Hz – Few Applications n ● 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 ( dV FS ) max n dt 2 tc ● 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 62.17 KHz 1 2 ta n f • Reasonably good for 100sec converter ● نکات پیاده سازی نوع سیگنال آنالوگ ورودی: ● سیگنال تفاضلی و یا تکی بدون پالریتی: Typical Input Range 0 ~ 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: ● استفاده از مبدلهای تک-قطبی: ● کاهش رنج ورودی با یک نسبت مناسب ● اضافه کردن آفست ● استفاده از مبدلهای دو-قطبی: ● در صورتی که عالمت اطالعات در خروجی مطلوب باشد ● خروجی عموما در قالب مکمل 2می باشد 0 ~ 5V Typically, Add offset scaled ● نکات پیاده سازی خروجیها و سیگنال مرجع آنالوگ: ● ورودیها و خروجیهای معمول: ● خطاها در سیگنال مرجع: ● منبع: ● تنظیمات اولیه ● دریفت نسبت به زمان و دما ● برای دستیابی به یک دقت کامل از مبدل: ● خروجی مبدل: ● Number of bits 8 and 12 bits are typical 10, 14, 16 bits also available ● دارا بودن یک سیگنال مرجع پایدار و دق 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 ● نکات پیاده سازی برای جلوگیری از aliasingنرخ نمونه برداری باید حداقل دو برابر فرکانس سیگنال باشد: A/D ●Counter ● انواع تکنیکهای تبدیل or Tracking ADC ●Successive Approximation ADC Most Commonly Used Slop Integrating ADC ●Voltage to Frequency ADC ●Parallel or Flash ADC ● ● انواع تکنیکهای تبدیل Counter Type ADC A/D عملیات: بلوک دیاگرام: ● راه اندازی و ریست کردن شمارنده ● DACخروجی دیجیتال شمارنده را به سیگنال آنالوگ تبدیل می کند ● مقایسه ورودی آنالوگ و خروجی DAC < VDAC Vi ● ادامه شمارش تا زمانیکه: = VDAC شکل موج: Vi ● پایان شمارش ● خروجی دیجیتال=خروجی شمارنده معایب: ● زمان تبدیل متغیر 2n Clock Period for Full Scale input ● انواع تکنیکهای تبدیل Tracking Type ADC A/D A/Dنوع ردیاب یا سرو: ● استفاده از شمارنده باال/پایین برای ردیابی پیوسته سیگنال ورودی ● باال یا پائین شدن شمارنده توسط خط کنترل خروجی مقایسه کننده صورت می گیرد مزیت: شکل موج: ● سرعت عیب: ● خروجی هیچگاه پایدار نمی باشد حتی اگر ورودی پایدار باشد ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D ● 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 ● ( SARرجیستر تقریب مکرر) :توسط این رجیستر تمامی مقادیر بیتها با شروع از بیت MSBو خاتمه یافتن در بیت LSBمورد آزمون قرار گرفته تا مقداری برابر ورودی حاصل گردد Successive Approximation ADC ● انواع تکنیکهای تبدیل شکل موج: A/D Successive Approximation ADC مشخصات کلیدی: ● زمان تبدیل: ● Conversion Time n clock for n-bit ADC Fixed conversion time منطق تغییر خروجی: ● خروجی سریال به سادگی تولید می گردد: ● تصمیم گیری برای تولید بیت بصورت سریال صورت می گیرد ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D نحوه عملکرد: ● تولید منحنی دندانه اره ای توسط انتگرال گیر و شمارنده تا زمانیکه مقایسه کننده برابری آن را با ورودی نشان دهد Slope (Integrating) ADC ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D ● مبدل ولتاژ به فرکانس یا VFC ● تبدیل ولتاژ ورودی آنالوگ به قطاری از پالسها ● شمارنده :counter-تولید خروجی دیجیتال با شمارش پالسها بر روی یک بازه زمانی ثابت Voltage to Frequency ADC ● مزايا: ● كاهش نويز عالي ● معايب: ● كند ● عموما مبتني بر 10بيت يا كمتر ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D ● 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 Parallel or Flash ADC ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D ● مزایا : ● سرعت تبدیل بسیار باال ● Up to 100MHz for 8 bit resolution Video, Radar, Digital Oscilloscope ● تبدیل یک مرحله ای ● 2n –1 comparator ● Precision Resistive Network ● Encoder ● معایب: ● رزولوشن محدود ● تعداد زیادی مقایسه کننده در یک -ICبراي 8بيت نياز به 255 مقايسه كننده مي باشد ● هزينه باال Parallel or Flash ADC ● مقايسه محصوالت ● محصوالت نمونه مبدلهای دیجیتال به آنالوگ ● کاربرد ● مشخصات عملکردی ● انواع مختلف و ویژگیها ● محصوالت نمونه کاربرد ● هدف از یک مبدل دیجیتال به آنالوگ ،تبدیل یک سیگنال دیجیتال به خروجی جریانی و یا ولتاژی آنالوگ می باشد DAC …100101 کاربرد ● هدف از یک مبدل دیجیتال به آنالوگ ،تبدیل یک سیگنال دیجیتال به خروجی جریانی و یا ولتاژی آنالوگ می باشد Analog Output Signal 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 Digital Input Signal مشخصات فنی رزولوشن Resolution در ورودی دیجیتالLSB ● مقدار تغییر در خروجی به ازای هر بار تغییر در سیگنال خروجی مطلوب را می توان دقیق تر تخمین زد،● هر چه رزولوشن بیشتر باشد Resolution VLSB VRef N 2 Poor Resolution(1 bit) Vout N = Number of bits Vout Better Resolution(3 bit) Desired Analog signal Desired Analog signal 111 8 Volt. Levels 2 Volt. Levels 110 1 101 100 011 010 001 0 Approximate 0 Digital Input 110 101 100 011 010 001 000 000 Approximate output Digital Input مشخصات فنی ولتاژ مرجع Reference Voltage مقدار ولتاژ مشخص ی می باشد که تعیین می کند هر ورودی دیجیتال به چه کسر ولتاژی اختصاص داده شود انواع: ● داخلی و ثابت و تعیین شونده توسط سازنده ● خارجی و متغیر و تعیین شونده توسط کاربر )Non-Multiplier: (Vref = C ))Multiplier: (Vref = Asin(wt Voltage Voltage 11 10 11 10 10 01 10 01 01 01 0 00 Digital Input 0 00 00 Digital Input Assume 2 bit DAC 00 مشخصات فنی زمان نشست Settling Time ●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 +VLSB -VLSB Time Settling time Expected Voltage مشخصات فنی خطی بودن Linearity Desired/Approximate Output Digital Input Perfect Agreement Analog Output Voltage Analog Output Voltage ● اختالف بین خروجی آنالوگ مطلوب و خروجی واقعی بر روی یک محدوده کاملی از مقادیر مورد انتظار و ورودی آن باید یک رابطه خطی وجود داشتهDAC ● در حالت ایده ال مابین خروجی یک مبدل باشد که همواره محقق نمی گردد NON-Linearity(Real World) Linearity(Ideal Case) Desired Output Approximate output Digital Input Miss-alignment مشخصات فنی سرعت Speed ● نرخ تبدیل یک ورودی دیجیتال به معادل آنالوگ آن ● نرخ تبدیل: ● وابسته به سرعت clockسیگنال ورودی ● وابسته به زمان نشست مبدل مشخصات فنی خطاها ● غیر خطی بودن ● دیفرانسیلی ● انتگرالی Differential Integral ● گین Gain ● آفست Offset ● غیریکنواختی Non-monotonicity مشخصات فنی خطای غیرخطی دیفرانسیلی ● مقدار استپ ولتاژی نسبت به خروجی قبلی مبدل All DNL’s = 1 VLSB) Analog Output Voltage (Ideally Ideal Output 2VLSB Diff. Non-Linearity = 2VLSB VLSB Digital Input مشخصات فنی خطای غیرخطی انتگرالی ● انحراف خروجی واقعی مبدل از مقدار ایده ال Analog Output Voltage (Ideally all INL’s = 0) Ideal Output Int. Non-Linearity = 1VLSB 1VLSB Digital Input مشخصات فنی خطای آفست ● اختالف ولتاژ ثابت مابین خروجی ایده ال و خروجی واقعی ● خطای گین باال :شیب واقعی بزرگتر از ایده ال ● خطای گین پائین :شیب واقعی کمتر از ایده ال Desired/Ideal Output Output Voltage Positive Offset Digital Input Negative Offset مشخصات فنی خطای غیریکنواختی ● میزان کاهش در ولتاژ خروجی به ازای یک افزایش در ورودی دیجیتال Non-Monotonic Monotonic Digital Input Analog Output Voltage Desired Output انواع مبدلها Binary Weighted Resistor ● استفاده از یک مدار آپ امپی جمع کننده ● مقاومتهای وزن دار برای تمایز هر بیت از LSBتا MSB ● استفاده از ترانزیستورها برای سوئیچ مابین ولتاژ مرجع و زمین Rf = R i Vo I 8R 4R 2R R MSB LSB -VREF انواع مبدلها Binary Weighted Resistor ● نمایش باینری I R 2R 4R i Vo 8R Most Significant Bit Least Significant Bit -VREF انواع مبدلها Binary Weighted Resistor ● نمایش باینری SET CLEARED Most Significant Bit Least Significant Bit -VREF ( 1 1 1 1 )2 = ( 15 )10 انواع مبدلها Binary Weighted Resistor Rf = R i Vo ● مقاومتهای وزن دهی شده بر اساس بیت I 8R 4R 2R ● کاهش جریان با یک فاکتور 2برای هر بیت R MSB LSB -VREF انواع مبدلها Binary Weighted Resistor • Result: B3 B2 B1 B0 I VREF R 2 R 4 R 8R VOUT B2 B1 B0 I R f VREF B3 2 4 8 – Bi = Value of Bit i انواع مبدلها Binary Weighted Resistor ● بطور کلی تر VOUT VREF Bi n i 1 2 VREF Digital Value Resolution Bi = Value of Bit i n = Number of Bits انواع مبدلها Binary Weighted Resistor مزایا ● آنالیز/ساختار ساده ● تبدیل سریع معایب ● نیاز به محدوده وسیعی از مقاومتها که مقاومتهای کم باید دارای صحت باالئی باشند ● نیاز به مقاومتهای سوئیچ پائین در ترانزیستورها ● گران قیمت بنابراین معموال به رزولوشن 8بیت محدود می گردد انواع مبدلها R-2R Ladder VREF MSB LSB انواع مبدلها R-2R Ladder ● پیکربندی سوئیچ ورودی همانند روش binary weighted resistor ● تمام بیتها از یک مقاومت 2Rعبور داده می شوند VREF MSB LSB انواع مبدلها R-2R Ladder ● برای LSBسیگنال از تعداد مقاومتهای بیشتر قبل از رسیدن به آپ امپ باید عبور داده شود ● جریان با یک فاکتور 2در هر گره تقسیم می گردد MSB LSB انواع مبدلها R-2R Ladder در هر گره تقسیم می گردد2 ● جریان با یک فاکتور Analysis for current from (001)2 shown below I0 2 R R I0 4 R 2R I0 8 R 2R 2R 2R I0 VREF B0 B1 B2 Op-Amp input “Ground” VREF VREF I0 2 R 2 R 2 R 3R انواع مبدلها R-2R Ladder • Result: VREF B2 B1 B0 I 3R 2 4 8 Rf B2 B1 B0 VOUT VREF R 4 8 2 – Bi = Value of Bit i Rf انواع مبدلها مزایا ● فقط دو مقدار مقاومت مورد نیاز است ● به مقاومتهای با صحت باال نیاز ندارد معایب ● سرعت تبدیل کمتر نسبت به روش اول R-2R Ladder
Related documents