La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari1 Misure di Ampiezza Introduzione Il problema del campionamento Caratteristiche di un ADC Vari tipi di convertitori.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari1 Misure di Ampiezza Introduzione Il problema del campionamento Caratteristiche di un ADC Vari tipi di convertitori."— Transcript della presentazione:

1 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari1 Misure di Ampiezza Introduzione Il problema del campionamento Caratteristiche di un ADC Vari tipi di convertitori analogico-digitali Applicazioni in HEP e spettroscopia Esempi

2 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari2 Introduzione Perche andare dal mondo analogico al mondo digitale? –Uso del PC per fare un ulteriore processing del segnale –I segnali digitali non sono sensibili al noise, crosstalk, interferenze… –Per memorizzare le informazioni in modo permanente Il segnale pero viene alterato! –Il segnale e campionato a intervalli di tempo definiti – freq. campionamento –Lampiezza, continua, e codificata in un numero limitato di numeri - quantizzazione Tempo Codice binario …..

3 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari3 Introduzione (2) I problemi si vedono quando si usa linformazione campionata ed un DAC per restituire il segnale campionato La digitizzazione modifica in modo sostanziale il segnale, e per ottimizzarla bisogna considerare sia gli aspetti di frequenza di campionamento che di quantizzazione di ampiezza Tempo Codice binario …..

4 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari4 Teorema del Campionamento Se il campionamento e fatto a 1 Hz le due forme donda digitizzate risultano indistinguibili Per campionare la forma donda blu sono necessari almeno due punti per periodo, ovvero campionare a 2 Hz 1 Hz 2 Hz 1 Hz 2 Hz

5 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari5 Teorema del Campionamento (2) Per rappresentare un segnale con frequenza massima f 0 bisogna campionare ad almeno 2*f 0 (Teorema di Shannon o del campionamento) Il campionamento ad una frequenza f c puo essere fatto solo per segnali la cui banda e limitata a f c /2 Per convertire con un ADC che campiona un segnale ad una frequenza f c bisogna che la banda passante analogica sia LIMITATA a f c /2 Spettro del segnale

6 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari6 ADC: caratteristiche Parametri importanti per un ADC: –Range dinamico: rapporto tra la massima e la minima ampiezza che puo essere misurata (in un ADC lineare a 8 bit il range dinamico e 256) –Risoluzione: la granularita del segnale digitizzato –Differential non-linearity: quanto sono uniformi gli incrementi di digitizzazione –Integral non-linearity: proporzionalita tra ingresso analogico e uscita digitale –Tempi di conversione: tempo necessario per digitizzare il segnale analogico –Rate di conteggio: limitato dal tempo morto tra una digitizzazione ed una successiva –Stabilita: I parametri di conversione sono costanti nel tempo? Idealmente si vorrebbe un ADC ad elevatissima risoluzione e con unaltissima rate di conteggio, ma si puo solo raggiungere un compromesso tra queste due richieste, che dipende dalle diverse architetture usate per lADC

7 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari7 ADC: caratteristiche (2) Relazione tra numeri di bit, risoluzione ed errore di quantizzazione Codice binario ….. Min. intervallo:LSB=A/2 n Ex : 8 bits ADC, 1V ampiezza massima Risoluzione (LSB) = 1/2 8 = 3.9 mV (0.39%) A = ampiezza massima n = numero di bit Max. errore quantizzazione: Q = +/- LSB/2 (ideal) Rumore quantizzazione:

8 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari8 Risoluzione La digitizzazione introduce delle approssimazioni, trasformando un segnale continuo in un set discreto di valori. Per ridurre il rumore introdotto dalla digitizzazione bisogna che lo step digitale (LSB) corrisponda ad un piccolo incremento del segnale analogico Ex.: 13 bit V/V = 1/2 13 = 1/8192 = 1.22·10 -4 Nella realta quello che si puo misurare e il profilo del canale, e cioe si realizza un istogramma della probabilita di avere un certo risultato in uscita a parita di segnale in ingresso Per un ADC ideale ho: in questo caso la risoluzione e pari a V

9 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari9 Risoluzione (2) Nella realta, a causa del rumore sulle soglie che determinano i confini tra una canale e il canale adiacente, avro: Puo essere misurato con un impulsatore di precisione

10 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari10 Risoluzione (3) Nei due grafici seguenti e mostrato un ADC la cui risoluzione digitale e maggiore di quella analogica Appare ovvio che i due bit in piu sono superflui (vedi dopo il concetto di numero effettivo di bit) 13 bit 11 bit

11 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari11 Risoluzione (4) Di quanta risoluzione ho bisogno? Dal fit si puo determinare la posizione del picco con discreta precisione anche se la digitizzazione e a pochi bit, ma solo se la forma del picco e nota 5 campionamenti allinterno della FWHM permettono di ottenere una stima robusta della posizione del picco anche se la forma del picco non e nota con precisione e/o ci sono picchi sovrapposti 1.8 keV FWHM

12 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari12 Curva di trasferimento Idealmente Ma alcuni errori sono possibili: –Offset –Non linearita integrata –Non linearita differenziale –Codice mancante – non monotonicita

13 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari13 Non-linearita Integrata Rappresenta la massima deviazione dalla proporzionalita dellampiezza misurata dallampiezza del segnale in ingresso Da questo plot ovviamente le deviazioni dalla linearita non sono ben visibili

14 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari14 Non-linearita Integrata (2) Queste curve rappresentano la differenza tra i punti e il fit lineare Le deviazioni dalla linearita possono dipendere dalla forma e durata dellimpulso in ingresso, a causa delle limitazioni in banda del circuito di ingresso dellADC Passando da impulsi di 400 ns a impulsi di 3 us la linearita migliora significativamente INL = 20/8192 INL = 2/8192

15 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari15 Non-linearita Differenziale Rappresenta la misura delle differenze tra i profili dei canali (cioe la loro ampiezza) allinterno del range dellADC, cioe i bit meno significativi dovrebbero essere tutti uguali ma nella realta non lo sono Le differenze con il caso ideale non dovrebbero eccedere 0.5LSB Input analogico Codice +0.5LSB DNL -0.6LSB DNL

16 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari16 Non-linearita Differenziale (2) E facile vedere leffetto della DNL –Si manda in ingresso allADC un segnale di ampiezza casuale (o una rampa lenta e precisa) che copra tutto il range dellADC –Listogramma dei conteggi deve essere piatto –La DNL introduce delle strutture, ad esempio quelle periodiche visibili qui in basso a destra

17 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari17 Altri tipi di errore di conversione Sono mostrati qui in figura: –Codice mancante –Non monotonicita Codice mancante Non monotonicita

18 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari18 Errore di Quantizzazione Si puo definire il cosiddetto errore di quantizzazione come la differenza tra la proporzionalita tra loutput e linput e il fatto che in realta loutput e quantizzato e nullo al centro del canale e diventa LSB/s agli estremi Lrms di questo errore di quantizzazione e pari a q

19 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari19 Numero effettivo di bit Sorgenti di rumore associate ad ogni ADC introducono delle fluttuazioni nel processo di conversione, e se questo rumore e abbastanza elevato puo ridurre la significanza dei bit meno significativi nel codice convertito Per questo motivo e stato introdotto il concetto di numero effettivo di bit E dove N = numero bit = errore di quantizzazione RMS noise = deviazione delloutput rispetto allingresso su tutto il range dellADC

20 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari20 Tempo di conversione Durante lacquisizione del segnale il sistema non puo accettare altri segnali tempo morto Il tempo morto totale e dato dalla somma di –Tempo di acquisizione della forma donda (al meglio il tempo che il segnale impiegna per raggiungere il massimo piu una costante) –Tempo di conversione (puo dipendere dallampiezza) –Tempo necessario alla scrittura in memoria (dipende dallHW, puo essere molto grande nei computer)

21 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari21 Tempo di conversione (2) –Gli effetti dovuti al tempo morto possono influenzare le misure. –Se non siamo nella condizione rate_eventi << 1/dead_time allora e necessaria la misura del tempo morto –Si manda allADC in parallelo ai segnali veri anche il segnale di un impulsatore e si confrontano il numero di conteggi di impulsatore visti nello spetto dellADC con quelli contati con un contatore –Un esempio: in una catena di decadimento dove la vita media e minore del tempo morto si rischia di perdre sistematicamente il decadimento successivo

22 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari22 Effetti della rate di conteggio I problemi sono solitamente dovuti al fatto che la baseline si sposti ad alte rate oppure alla presenza di un undershoot immediatamente dopo limpulso Per una sequenza random di impulso leffetto varia da impulso a impulso e si ottiene un allargamento dello spettro Lo shift della baseline si evidenzia con uno shift sistematico della posizione del picco in funzione della rate

23 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari23 Stabilita Il tipico problema e il fatto che lelettronica ha solitamente una deriva in temperatura Anche se gli apparati moderni sono sufficientemente stabili da questo punto di vista problemi di stabilita si possono trovare in misure di elevata precisione o in misure molto lunghe Ce allora bisogno di stabilizzare lo spettro Si usano due impulsatori di precisione che inseriscono nello spettro due picchi di riferimento, uno nella parte bassa e uno nella parte alta dello spettro, e poi si usa questa informazione per correggere lo spettro La correzione puo essere fatta sia in HW che in SW

24 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari24 Tipi di ADC Flash ADC Pipeline ADC Successive Approximation ADC Wilkinson ADC Rate di campionamento Numbero di bit Flash Sub-Ranging Pipeline Successive Approximation Wilkinson Sigma-Delta GHz Hz 6 18 bipolar CMOS Discrete Potenza >W

25 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari25 Flash ADC Il segnale viene confrontato con 2 n riferimenti Viene fatta una misura diretta con 2 n -1 comparatori Tipicamente: 4-10 bit (12 bit sono rari), possono lavorare fino a 1 GHz, hanno una alta DNL e consumano molto

26 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari26 Pipeline ADC S&H Comparator1-bit DAC - X 2 1-bit S&HStage 1Stage 2Stage 3Stage N Time Adjustment & Digital Error Correction 1-bit N-bit Input …………

27 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari27 Pipeline ADC (2) Il segnale viene campionato e confrontato al primo stadio con range/2 per sapere se e sopra o sotto la meta. Ci si ricorda questa informazione e se necessario si sottrae meta del range al segnale analogico e si procede al secondo stadio che fa un confronto con range/4 e cosi via Ce un ritardo tra lingresso e luscita di n cicli di clock per un sistema a n stadi Ce pero una digitizzazione completa ogni ciclo di clock Si risparmia pero in potenza perche i comparatori sono usati uno alla volta

28 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari28 Successive Approximation Partendo dal bit piu significativo si confronta luscita di un DAC a n bit con il segnale e si setta il bit corrispondente se luscita del comparatore e alta (se DAC output < pulse height) Per avere n bit di risoluzione sono necessari n iterazioni Vantaggi –Velocita (1-50 us) –Elevata risoluzione –IC Svantaggi –10-20% DNL a causa della limitata precisione delle resistenze del DAC

29 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari29 Wilkinson ADC

30 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari30 Wilkinson ADC (2) 1.Un segnale fa partire la scarica della capacita a corrente costante 2.Un clock conta il tempo di carica 3.La carica si arresta quando la tensione ai capi del condensatore raggiunge lo zero Vantaggi –Elevata risoluzione (18 bit) –Eccellente DNL (e un processo analogico) Svantaggi –Lento, il tempo di conversione e (al massimo ) 2 n x clock (con 10ns di clock e 13 bit ho tempi di conversione di ~80 us) Tecnica standard per la spettroscopia ad elevata risoluzione

31 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari31 Sliding-scale Tecnica per migliorare la linearita e luniformita della larghezza dei canali negli ADC Normalmente impulsi di una ampieza definita finiscono sempre in uno stesso canale In questa tecnica invece una tensione analogica casuale viene sommata al segnale in ingresso e il suo equivalente viene sottratto al segnale di uscita Il risultato netto e lo stesso del precedente ma la conversione avviene in un punto casuale della scala Se la mia tensione casuale ha un range di M bin, luniformita del canale migliora come M 1/2 Lo svantaggio e che se avevo un ADC a N bin ora ho soltanto N-M bin utili

32 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari32 Convertitori ibridi Tecniche miste di conversione possono essere utilizzate per ottenere elevate risoluzioni e brevi tempi di conversione Flash + successive approximation ( oppure Flash + Wilkinson) –Si utilizza un flash ADC a pochi bit per la conversione coarse, ad esempio 5/13 bit –Per i bit residui si usa un successive approx. o un Wilkinson che grazie al range limitato ha un breve tempo di conversione, ad esempio 8 bit = 256 canali a 100 MHz 2.6 us –In questo modo si ha una conversione a 13 bit in <4us con eccellenti INL e DNL

33 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari33 Convertitori ibridi (2) Flash ADC con subranging –Spesso si necessita soltanto di una buona risoluzione relativa (e non assoluta), soprattutto in sistemi con un grande range dinamico

34 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari34 Convertitori ibridi (2) Vantaggi –4-10 bit –Fino a 100 MHz di clock Svantaggi –Complicate funzioni analogiche necessarie

35 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari35 Risoluzione vs. Rate di Conversione

36 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari36 Applicazioni HEP: Flash ADC e subranging ADC –Molti canali –Grandi vantaggi dallintegrazione dellelettronica –Possono essere usati per campionare le forme donda Spettroscopia: successive approximation e Wilkinson ADC –Peak sensing, di solito ci interessa solo lampiezza del picco –Maggiori risoluzioni ( 18 bit e oltre)

37 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari37 ADC Lecroy 2249A LeCroy 2249A ADC measures charge using the Wilkinson charge run-down technique The input to the ADC is sampled and the result is stored as charge on a capacitor. After a short interval, the capacitor is discharged at a constant rate, producing a time proportional to the input charge. The time is measured by counting the number of oscillator pulses during the discharge interval. The Model 2249A contains twelve complete ADCs in a single-width CAMAC module. Each ADC offers a resolution of 10 bits to provide 0.1% resolution over a wide channel dynamic range. The input sensitivity of the Model 2249A is 0.25 pC/count for a full scale range of 256 pC. This is compatible with most available signal sources and no additional buffering or reshaping of any kind is required to digitize nanosecond pulses.

38 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari38 ADC CAEN V792 The Mod. V792 is a 1-unit wide VME 6U module housing 32 Charge-to-Digital Conversion channels with current integrating negative inputs (50 Ohm impedance) For each channel, the input charge is converted to a voltage level by a QAC (Charge to Amplitude Conversion) section. Input range is 0 ÷ 400 pC The outputs of the QAC sections are multiplexed and subsequently converted by two fast 12-bit ADCs The integral non linearity is ±0.1% of Full Scale Range (FSR) measured from 5% to 95% of FSR. The ADCs use a sliding scale technique to improve the differential non-linearity.

39 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari39 ADC CAEN V792 (2) Analog Devices AD9220AR: The devices use a multistage differential pipelined architecture with digital output error correction logic to provide 12-bit accuracy at the specified data rates and to guarantee no missing codes over the full operating temperature range

40 28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari40 ADC CAEN V792 (3) Analog Devices AD9220AR


Scaricare ppt "28-Apr-2006A. Cardini / INFN Cagliari1 Misure di Ampiezza Introduzione Il problema del campionamento Caratteristiche di un ADC Vari tipi di convertitori."

Presentazioni simili


Annunci Google