تبدیل سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال

تبدیل سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال

اسلاید 1: تبدیل سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال● چرا تبدیل آنالوگ به دیجیتال؟● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال● انواع تکنیکهای تبدیل A/D ● محصولات مختلف از مبدلهای آنالوگ به دیجیتال● نیازمندیها برای تبدیل آنالوگ به دیجیتال

اسلاید 2: ● چرا تبدیل آنالوگ به دیجیتال؟● پردازش سیگنال دیجیتال رایج تر است:● قابلیت پیاده سازی و اصلاح آسانتر● هزینه کم● داده های واقعی عموما آنالوگ هستند

اسلاید 3: ● 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

اسلاید 4: ● 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

اسلاید 5: ● مفهوم تبدیل آنالوگ به دیجیتال

اسلاید 6: ● مفهوم تبدیل آنالوگ به دیجیتال

اسلاید 7: ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال● رابطه I/O پایه:- مبدل آنالوگ به دیجیتال یک سیستم نسبت گیری است:x = Analog input / ReferenceFraction: 0 ~ 1● مبدلهای n بیتی● تعداد سطح خروجی گسسته:● اندازه LSB : ● خطای کوانتیزاسیون: ● با افزایش n کاهش می یابد

اسلاید 8: ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال● خطاهای تبدیل:خطای آفستخطای بهرهبا تنظیمات اولیه قابل حذف می باشدخطای خطی سازی انتگرالیخطای خطی سازی دیفرانسیلیخطای غیرخطیحذف آن سخت استچگونگی تطابق شیب تابع انتقالی واقعی آن با شیب یک تابع انتقال ایده­آلجابجایی عمودی نقطه شروع مشخصه خروجی (پاسخ) مبدلاختلاف بین پاسخ خروجی ایده آل و اندازه گیری شده برای هر دو کد پی­درپی مبدلحداکثر انحراف مشخصه ورودی/خروجی (پاسخ) مبدل از یک خط مستقیم

اسلاید 9: ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتالرزولوشن مبدل- resolution: کمترین میزان تغییر در ورودی آنالوگ که باعث یک سطح تغییر کد خروجی می گردددقت مبدل- accuracy:● تفاضل بین ولتاژ ورودی واقعی و ولتاژ معادل کد خروجی مبدل● مقدار حداکثر مجموع تمامی خطاهای مبدل مشتمل بر خطای کوانتیزاسیونزمان تبدیل- conversion time:● زمان مورد نیاز پیش از اینکه مبدل بتواندداده های خروجی صحیح تولید کندنرخ خروجی مبدل- throughput output:● تعداد دفعاتی که سیگنال ورودی با حفظحداکثر 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

اسلاید 10: ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتالمقایسه رزولوشن در دقت تبدیل:

اسلاید 11: ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتالاثر نرخ نمونه برداری در دقت تبدیل:

اسلاید 12: ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتالرزولوشن و نرخ نمونه برداری می توانند برای افزایش دقت تبدیل افزایش یابند:

اسلاید 13: ● نکات پیاده سازیکاربرد زمان تبدیل:● تغییر ورودی در طی پروسه تبدیل باعث تولیدیک عدم قطعیت نامطلوب می گردد● دقت تبدیل کامل در صورتی حاصل می گرددکه این عدم قطعیت کمتر از رزولوشن مبدل اختیار گرددRate of Change * tc  resolutionExample8-bit ADCConversion Time: 100secSinusoidal inputRate of change Let FS = 2ALimited to Low frequency of 12.4 HzFew Applications

اسلاید 14: ● نکات پیاده سازیبر 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 نگهدارمابین زمانی که فرمان نگهداری دریافت شده و لحظه ای که گذار به مود نگهداری حاصل می گردد- زمان رایج آن در حد چند نانوثانیه استExample20 nsec aperture time Reasonably good for 100sec converter

اسلاید 15: ● نکات پیاده سازینوع سیگنال آنالوگ ورودی:● سیگنال تفاضلی و یا تکی بدون پلاریتی:Typical Input Range0 ~ 10V and 0 ~ 5V● اگر سیگنال ورودی کل محدوده ورودی مجازرا 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

اسلاید 16: ● نکات پیاده سازیچگونگی تبدیل ورودی های علامت دار (دوقطبی) به ورودیهای تک-قطبی:● کاهش رنج ورودی با یک نسبت مناسب● اضافه کردن آفست● در صورتی که علامت اطلاعات در خروجی مطلوب باشد● استفاده از مبدلهای تک-قطبی:● استفاده از مبدلهای دو-قطبی:● خروجی عموما در قالب مکمل 2 می باشدTypically, 0 ~ 5VscaledAddoffset

اسلاید 17: ● نکات پیاده سازیخروجیها 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 کامل از مبدل:● دارا بودن یک سیگنال مرجع پایدار و دقیق خیلی مهم است● Typically, precision IC voltage reference is used

اسلاید 18: ● نکات پیاده سازیسیگنالهای کنترل:StartFrom CPUInitiate the conversion processBUSY / EOCTo CPUConversion is in progress0=Busy: In progress1=EOC: End of ConversionHBE / LBEFrom CPUTo read Output word after EOCHBEHigh Byte EnableLBELow Byte Enable

اسلاید 19: ● نکات پیاده سازیبرای جلوگیری از aliasing نرخ نمونه برداری باید حداقل دو برابر فرکانس سیگنال باشد:

اسلاید 20: ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D ●Counter or Tracking ADC●Successive Approximation ADCMost Commonly Used● Slop Integrating ADC●Voltage to Frequency ADC●Parallel or Flash ADC

اسلاید 21: ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D Counter Type ADCبلوک 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

اسلاید 22: ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D A/D نوع ردیاب یا سرو:شکل موج:Tracking Type ADC● استفاده از شمارنده بالا/پایین برای ردیابی پیوسته سیگنال ورودی● بالا یا پائین شدن شمارنده توسط خط کنترل خروجی مقایسه کننده صورت می گیردمزیت:● سرعتعیب:● خروجی هیچگاه پایدار نمی باشد حتی اگر ورودی پایدار باشد

اسلاید 23: ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D ● رایج ترین نمونه ای که در مبدلهای با سرعت متوسط تا بالا استفاده می گردد● مبتنی بر تقریب سیگنال ورودی با کد باینری و سپس بازبینی مکرر این تبدیل تا زمانیکه بهترین تقریب حاصل گرددSuccessive Approximation ADC● SAR (رجیستر تقریب مکرر): توسط این رجیستر تمامی مقادیر بیتها با شروع از بیت MSB و خاتمه یافتن در بیت LSB مورد آزمون قرار گرفته تا مقداری برابر ورودی حاصل گردد

اسلاید 24: ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D ● زمان تبدیل:Successive Approximation ADCشکل موج:منطق تغییر خروجی:● Conversion Timen clock for n-bit ADCFixed conversion time● خروجی سریال به سادگی تولید می گردد:● تصمیم گیری برای تولید بیت بصورت سریال صورت می گیردمشخصات کلیدی:

اسلاید 25: ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D 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

اسلاید 26: ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D ● مبدل ولتاژ به فرکانس یا VFC Voltage to Frequency ADC● تبدیل ولتاژ ورودی آنالوگ به قطاری از پالسها ● شمارنده -counter: تولید خروجی دیجیتال با شمارش پالسها بر روی یک بازه زمانی ثابت ● مزايا: ● معايب: ● كاهش نويز عالي● كند● عموما مبتني بر 10 بيت يا كمتر

اسلاید 27: ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D Parallel or Flash ADC● 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

اسلاید 28: ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D Parallel or Flash ADC● سرعت تبدیل بسیار بالا ● 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 بالا● تعداد زیادی مقایسه کننده در یک IC-براي 8 بيت نياز به 255 مقايسه كننده مي باشد

اسلاید 29: ● مقايسه محصولات

اسلاید 30: ● محصولات نمونه

اسلاید 31: مبدلهای دیجیتال به آنالوگ ● مشخصات عملکردی ● کاربرد● انواع مختلف و ویژگیها● محصولات نمونه

اسلاید 32: کاربرد ● هدف از یک مبدل دیجیتال به آنالوگ، تبدیل یک سیگنال دیجیتال به خروجی جریانی و یا ولتاژی آنالوگ می باشد DAC100101…

اسلاید 33: کاربرد ● هدف از یک مبدل دیجیتال به آنالوگ، تبدیل یک سیگنال دیجیتال به خروجی جریانی و یا ولتاژی آنالوگ می باشد 101110011010011110000110010101000011001000010000Digital Input SignalAnalog Output Signal

اسلاید 34: مشخصات فنی ● مقدار تغییر در خروجی به ازای هر بار تغییر در LSB در ورودی دیجیتال● هر چه رزولوشن بیشتر باشد، سیگنال خروجی مطلوب را می توان دقیق تر تخمین زدN = Number of bitsرزولوشن Better Resolution(3 bit)Poor Resolution(1 bit)VoutDesired Analog signalApproximate output2 Volt. LevelsDigital Input001Digital InputVoutDesired Analog signalApproximate output8 Volt. Levels000001010011100101110111110101100011010001000Resolution

اسلاید 35: 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 DACNon-Multiplier: (Vref = C)Digital InputMultiplier: (Vref = Asin(wt))0Voltage000101001010110VoltageDigital Input00000101101011Reference Voltage

اسلاید 36: 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 VoltageExpected Voltage+VLSB-VLSBSettling timeTimeSettling Time

اسلاید 37: مشخصات فنی خطی بودن ● اختلاف بین خروجی آنالوگ مطلوب و خروجی واقعی بر روی یک محدوده کاملی از مقادیر مورد انتظار ● در حالت ایده ال مابین خروجی یک مبدل DAC و ورودی آن باید یک رابطه خطی وجود داشته باشد که همواره محقق نمی گرددLinearityLinearity(Ideal Case)Digital InputPerfect Agreement Desired/Approximate OutputAnalog Output VoltageNON-Linearity(Real World)Analog Output VoltageDigital InputDesired OutputMiss-alignmentApproximate output

اسلاید 38: مشخصات فنی سرعت ● نرخ تبدیل یک ورودی دیجیتال به معادل آنالوگ آن ● نرخ تبدیل:Speed● وابسته به سرعت clock سیگنال ورودی● وابسته به زمان نشست مبدل

اسلاید 39: مشخصات فنی خطاها● غیر خطی بودن ● دیفرانسیلی● گین● انتگرالی● آفست● غیریکنواختیDifferentialIntegralGainOffsetNon-monotonicity

اسلاید 40: مشخصات فنی خطای غیرخطی دیفرانسیلی● مقدار استپ ولتاژی نسبت به خروجی قبلی مبدل (Ideally All DNL’s = 1 VLSB)Digital InputIdeal OutputAnalog Output VoltageVLSB2VLSBDiff. Non-Linearity = 2VLSB

اسلاید 41: مشخصات فنی خطای غیرخطی انتگرالی● انحراف خروجی واقعی مبدل از مقدار ایده ال (Ideally all INL’s = 0)Digital InputIdeal Output1VLSBInt. Non-Linearity = 1VLSBAnalog Output Voltage

اسلاید 42: مشخصات فنی خطای آفست● اختلاف ولتاژ ثابت مابین خروجی ایده ال و خروجی واقعی ● خطای گین بالا: شیب واقعی بزرگتر از ایده ال ● خطای گین پائین: شیب واقعی کمتر از ایده ال Digital InputDesired/Ideal OutputOutput VoltagePositive OffsetNegative Offset

اسلاید 43: مشخصات فنی خطای غیریکنواختی● میزان کاهش در ولتاژ خروجی به ازای یک افزایش در ورودی دیجیتال Analog Output VoltageDigital InputDesired OutputMonotonicNon-Monotonic

اسلاید 44: انواع مبدلها Binary Weighted ResistorRf = R8R4R2RRVo-VREFLSBMSB● استفاده از یک مدار آپ امپی جمع کننده ● مقاومتهای وزن دار برای تمایز هر بیت از LSB تا MSB ● استفاده از ترانزیستورها برای سوئیچ مابین ولتاژ مرجع و زمین

اسلاید 45: انواع مبدلها Binary Weighted Resistor8R4R2RRVo-VREFLeast Significant BitMost Significant Bit● نمایش باینری

اسلاید 46: انواع مبدلها Binary Weighted Resistor● نمایش باینری -VREFLeast Significant BitMost Significant BitCLEAREDSET( 1 1 1 1 )2 = ( 15 )10

اسلاید 47: انواع مبدلها Binary Weighted ResistorRf = R8R4R2RRVo-VREFLSBMSB● مقاومتهای وزن دهی شده بر اساس بیت ● کاهش جریان با یک فاکتور 2 برای هر بیت

اسلاید 48: انواع مبدلها Binary Weighted ResistorResult:Bi = Value of Bit i

اسلاید 49: انواع مبدلها Binary Weighted Resistor● بطور کلی تر Bi = Value of Bit in = Number of Bits

اسلاید 50: انواع مبدلها Binary Weighted Resistorمزایا معایب● آنالیز/ساختار ساده ● تبدیل سریع ● نیاز به محدوده وسیعی از مقاومتها که مقاومتهای کم باید دارای صحت بالائی باشند● نیاز به مقاومتهای سوئیچ پائین در ترانزیستورها ● گران قیمت بنابراین معمولا به رزولوشن 8 بیت محدود می گردد

اسلاید 51: انواع مبدلها R-2R LadderVREFMSBLSB

اسلاید 52: انواع مبدلها R-2R LadderVREFMSBLSB● پیکربندی سوئیچ ورودی همانند روش binary weighted resistor ● تمام بیتها از یک مقاومت 2R عبور داده می شوند

اسلاید 53: انواع مبدلها R-2R Ladder● برای LSB سیگنال از تعداد مقاومتهای بیشتر قبل از رسیدن به آپ امپ باید عبور داده شود ● جریان با یک فاکتور 2 در هر گره تقسیم می گردد LSBMSB

اسلاید 54: انواع مبدلها R-2R Ladder● جریان با یک فاکتور 2 در هر گره تقسیم می گردد Analysis for current from (001)2 shown belowVREFRRRR2R2R2R2ROp-Amp input“Ground”B0B1B2

اسلاید 55: انواع مبدلها R-2R LadderResult:Bi = Value of Bit iRf

اسلاید 56: انواع مبدلها مزایا معایب● فقط دو مقدار مقاومت مورد نیاز است ● به مقاومتهای با صحت بالا نیاز ندارد ● سرعت تبدیل کمتر نسبت به روش اول R-2R Ladder