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Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Convertitore A/D e circuito S/H.

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Presentazione sul tema: "Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Convertitore A/D e circuito S/H."— Transcript della presentazione:

1 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1 Convertitore A/D e circuito S/H

2 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 2 Convertitori A/D (1) I convertitori A/D sono oggetti abbastanza complicati. Solitamente includono: Uno stadio di comparazione Uno di immagazzinamento del risultato della comparazione Uno stadio di decodifica del risultato della comparazione

3 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 3 Convertitori A/D a Comparatori in parallelo (1)

4 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 4 Convertitori A/D a Comparatori in parallelo (2) Campo di variabilità dellingresso analogico: 0 – V 0. Uscita digitale: 3 bit (LSB, 2SB, MSB) Campo di ingresso diviso in otto bande : 0 – V 0 /14 - V 0 /7 - V 0 2/7 - V 0 3/7 - V 0 4/7 -V 0 5/7 - V 0 6/7 - V 0 13/14 - V 0 errore di quantizzazione = V 0 /14 = S/2 con S = V 0 /7. Un comparatore è un dispositivo a due ingressi (segnale e riferimento) ed una uscita che se il segnale è maggiore del riferimento vale V(1), altrimenti se il segnale è minore del riferimento vale V(0). I comparatori servono a determinare in quale intervallo cade il valore analogico della tensione

5 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 5 Convertitori A/D a Comparatori in parallelo (3) A seconda del numero di bit varia il numero di comparatori necessari. Più precisamente 2 N – 1. Nel nostro caso: = 7. Tutti i comparatori avranno una uscita V(0) tranne uno che avrà uscita V(1). Luscita viene trasferita a dei flip-flop di tipo D, e attraverso un comando inviato da un clock viene trasferita alluscita dei flip-flop. I registri sono seguiti da un decodificatore che converte lindicazione in un codice binario a 3 bit.

6 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 6 Cascata di Convertitori A/D a comparatori (1)

7 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 7 Cascata di Convertitori A/D a comparatori (2) Si possono ridurre il numero dei comparatori al prezzo di un aumento dei tempi di elaborazione: 1)ADC-1 fornisce i tre bit più significativi del valore della tensione; 2) luscita di ADC-1 viene inviata ad un convertitore D/A. 3) Si sottrae dal segnale iniziale il V D/A, e si invia il segnale così ottenuto ad ADC-2 che fornirà i 3 bit meno significativi.

8 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 8 Cascata di Convertitori A/D a comparatori (3) Per fare un convertitore a 6 bit servirebbero 63 comparatori nella versione completamente parallela; ne servono 14+1 operazionale per la sottrazione nella configurazione a 3 bit a 2 stadi, al prezzo di due cicli di clock. Le fonti di errore sono: La conversione analogico-digitale di ADC-1 La conversione digitale-analogica del DAC Il dispositivo di sottrazione che effettua (V- V D/A ). Lamplificatore di (V- V D/A ). La conversione analogico-digitale ADC-2

9 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 9 Convertitori A/D ad approssimazioni successive Si prende un intervallo di tensione (0-V 0 ), e si divide in due parti (0-V 0 /2) e (V 0 /2 - V 0 ). Se il segnale cade nel primo intervallo il bit corrispondente (MSB) sarà 0, se cade nel secondo sarà 1. Poi si prende lintervallo in cui cade il segnale e lo si suddivide in altri due intervalli: es. se cade nel primo intervallo lo suddividiamo in: (0 – V 0 /4) e (V 0 /4 - V 0 /2 ) 4e si ripete il procedimento di paragone. Questo fino ad arrivare alla assegnazione del LSB. Per avere un errore che sia sempre LSB, occorre in pratica sommare al segnale il valore 0.5 LSB.

10 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 10 Es. convertitore A/D a 3-bit (1)

11 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 11 Es. convertitore A/D a 3-bit (2) Il convertitore viene realizzato con i seguenti blocchi logici: 1)5 Flip-Flop che realizzano un contatore ad anello (1 per ogni bit + 1 read-out + 1 clear) 1)3 Flip-Flop per registrare i bit 2)1 convertitore D/A per fornire una tensione da comparare a quella del segnale 1)1 comparatore 2)1 circuito S/H (sample and hold) per rendere disponibile il segnale durante tutto il ciclo di conversione (5 colpi di clock) 6) Uno stadio di abilitazione delloutput digitale (3 porte AND)

12 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 12 Es. convertitore A/D a 3-bit (3) Nel primo ciclo di clock il contatore ad anello fornisce un segnale V(1) al flip-flop FF3 e V(0) ai flip-flop FF2 e FF1. Q 3 = V(1), mentre Q 2 = Q 1 = V(0) Il segnale digitale Q 3 Q 2 Q 1 = 100 viene quindi convertito dal D/A, gli viene sommato 0.5 LSB e viene inviato al comparatore per la prima comparazione (V 0 ). Se il segnale V a > V 0 allora luscita del comparatore è V(0) Le porte AND G3,G2,G1 saranno disabilitate nel ciclo successivo, altrimenti saranno abilitate. Nel secondo ciclo di clock, è il flip-flop FF2 che riceve il valore V(1) mentre FF3 e FF1 valgono V(0). Se G3 è disabilitata Q 3 mantiene il valore precedente, e Q 2 =V(1). Quindi il valore Q 3 Q 2 Q 1 = 110 viene inviato al D/A per la seconda conversione.

13 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 13 Es. convertitore A/D a 3-bit (4) Si somma di nuovo il valore 0.5 LSB e si compara con V a. Se adesso V a < V 0 luscita del comparatore C 0 = V(1), e le porte G3,G2,G1 saranno abilitate nel ciclo successivo. Nel terzo ciclo di clock, è il flip-flop FF1 che riceve il valore V(1) mentre FF3 e FF2 valgono V(0). Poiché Q B =V(0) Q 3 =V(1) mentre poiché Q C = V(1) Q 2 =V(0). Infine Q 1 = V(1), e quindi al D/A viene inviato il valore Q 3 Q 2 Q 1 = 101. Si somma di nuovo 0.5 LSB, e si compara. Nel quarto ciclo di clock, le uscite Q 3 Q 2 Q 1 indicheranno il numero digitale che dovrà essere poi trasferito nel ciclo successivo. Nel quinto ciclo di clock, FFE trasmette alle porte G A G B G C il segnale abilitante che permette di leggere i bit in uscita dal dispositivo e contemporaneamente, può essere usato come segnale di abilitazione del circuito S/H per effettuare un nuovo campionamento.

14 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 14 Convertitori A/D a conteggio (1)

15 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 15 Convertitori A/D a conteggio (2) I blocchi logici sono: 1)Un contatore ad anello (1 flip-flop per ogni bit) 2)1 convertitore D/A 3)1 comparatore 4)1 circuito S/H 5)1 linea di controllo H 6)1 uscita digitale (1 porta per ogni bit) Lidea di base è la seguente: Il contatore ad ogni ciclo di clock emette un numero, che sarà convertito dal D/A e comparato col segnale V 0. Se V 0 sarà maggiore il contatore continuerà a contare, altrimenti smetterà ci contare. Dopo un certo periodo, sufficiente al contatore per raggiungere il fondo scala, viene abilitata la lettura delluscita digitale.

16 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 16 Convertitori A/D a conteggio (3)

17 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 17 Convertitori A/D a doppia rampa (1)

18 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 18 Convertitori A/D a doppia rampa (2) Lidea di base è la seguente: Si carica una capacità usando il segnale V a per un tempo noto, poi la si fa scaricare usando una tensione nota V r fino a quando non torna a zero la tensione applicata al comparatore e si misura il tempo necessario, che fornisce una misura diretta del segnale iniziale. Per t=0, S 1 è chiuso, e il segnale V a viene applicato al condensatore C che si carica secondo la costante di tempo caratteristica: = RC. Lingresso del comparatore vale: V 0 = -(t/ )V a.

19 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 19 Convertitori A/D a doppia rampa (3) Nel frattempo a t=0 parte il conteggio del contatore a N Stadi, che dura fino a quando si raggiunge la configurazione …0. Il tempo necessario è: T 1 =2 N T c, con T c = intervallo di clock del contatore. La tensione V 0 = -T 1 V a / = - V a 2 N T c / Allistante T 1 linterruttore S 1 si chiude su -V r, ed il condensatore C inizia a scaricarsi secondo la stessa costante di tempo. Quando V 0 = 0 V r (T 2 -T 1 )/ = V a T 1 T 2 -T 1 = V a 2 N T c V r T c = V a 2 N /V r

20 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 20 Convertitori A/D a doppia rampa (4) Il convertitore a doppia rampa è molto preciso, perché ogni non-linearità del comparatore durante la prima rampa viene compensata con il comportamento opposto durante la seconda rampa. È un dispositivo molto preciso, ma molto lento (raddoppia il numero di clock necessari)

21 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 21 Paragone tra Convertitori A/D Tipo ADC VelocitàNumero di (clock vs N bit)componenti a comparatore1 molto elevato ad approssimazioniNmedio a doppia rampa 2*Nmedio-basso a conteggio2 N basso

22 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 22 Convertitore tensione-frequenza (1)

23 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 23 Convertitore tensione-frequenza (2) Si basa sul principio che una tensione V a, applicata ad un condensatore, lo carica tanto più velocemente quanto maggiore è la tensione V a. Il circuito presentato permette alla tensione V 0 = -tV a /(RC) risultante allingresso del comparatore di raggiungere il valore - V r prima che linterruttore S venga chiuso facendo così scaricare il condensatore per poi ricominciare il ciclo. La frequenza del ciclo è: f = 1/(T+ T d ) = 1/T = (RC)V a /V r (se T>> T d ), cioè f proporzionale a V a. Quando S è chiuso il segnale digitale (c) va nello stato V(1).

24 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 24 Convertitore tensione-frequenza (3)

25 Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 25 Specifiche dei Convertitori A/D Tensione analogica di ingresso: (0,10 V);(-5 V,5 V) Precisione: 0,02% del fondo scala LSB. Stabilità in temperatura: 20 ppm del fondo scala /°C Tempi di conversione: 50 ns – 50 s. Formati: binario unipolare, complemento a uno, a due.


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