CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE, A/D

Presentazione sul tema: "CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE, A/D"— Transcript della presentazione:

1 CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE, A/D
Ingresso analogico V oppure I in in Uscita digitale Convertitore D , D , … D A/D 1 2 n Grandezza di V , I riferimento FS FS ADC, Analog to Digital Converter D 1 2 … n BIT più significativo – MSB, Most Significant Bit BIT meno significativo LSB, Least Significant Parola digitale di uscita N è il numero decimale intero corrispondente alla parola digitale D1D2…Dn:

2 RELAZIONE INGRESSO-USCITA di un ADC IDEALE
Codice di uscita Risoluzione Minima variazione dell’ingresso in grado di produrre un cambiamento nel codice di uscita. 111 1 LSB 110 ADC con 12 bit e VFS=10V 2.44mV di risoluzione. 101 100 011 Intervallo di valori Vin a cui corrisponde lo stesso codice 010 001 000 1/8 1/4 1/2 3/4 1 Vin/VFS Tensione di ingresso

3 ERRORE DI QUANTIZZAZIONE
111 110 101 100 011 Il codice di uscita SOTTOSTIMA la tensione di ingresso 010 001 000 Il codice di uscita SOVRASTIMA la tensione di ingresso 1/8 1/4 1/2 3/4 1 Vin/VFS ½ LSB -½ LSB

4 NON - LINEARITA’ DIFFERENZIALE
000 001 010 011 100 101 110 111 000 001 010 011 100 101 110 111 000 001 010 011 100 101 110 111 1/4 1/2 3/4 1 Vin/VFS Larghezza del gradino ideale pari a 1 LSB. Larghezza del gradino Scostamento tra la larghezza del gradino i-esimo ed il suo valore ideale di 1 LSB ERRORE di linearità differenziale DNL, Differential Non Linearity

5 ERRORE DI QUANTIZZAZIONE in ADC REALE
000 001 010 011 100 101 110 111 1/4 1/2 3/4 1 ½ LSB -½ LSB

6 NON - LINEARITA’ INTEGRALE
000 001 010 011 100 101 110 111 111 110 101 100 011 010 001 Retta interpolatrice 000 1/4 1/2 3/4 1 ERRORE di linearità integrale INL, Integral Non Linearity Scostamento tra il centro del gradino reale e quello teorico

7 ERRORE per un CODICE MANCANTE
000 001 010 011 100 101 110 111 1/4 1/2 3/4 1 Vin/VFS Codice che non uscirà mai 1 LSB Se manca un codice, l’errore di quantizzazione è necessariamente maggiore di 1 LSB ½ LSB -½ LSB

8 ERRORE di GUADAGNO 111 110 101 Pendenza ideale 100 011 010 001 000 1/8
1/4 1/2 3/4 1 Vin/VFS Tensione di ingresso

9 - + STRUTTURA BASE DEI CONVERTITORI VX VR(t)
Segnale analogico da convertire Comparatore VX - VR(t) + Tensione di riferimento VR(t) viene fatta variare con l’obiettivo di eguagliare VX (entro l’errore di quantizzazione del convertitore) : Insieme di coefficienti binari D1D2…Dn che generano VR(t’) (e quindi VX )

10 CONVERTITORE A CONTATORE-RAMPA Principio di funzionamento
Segnale analogico in INGRESSO VX - VR(t) + VDAC DAC a n bit 2n valori discreti di VR Codice digitale di USCITA t CONTATORE a n bit Clock (ck)

11 LOGICA di CONTROLLO - + DAC a n bit VX VR(t) S R Flip - Flop Q
Segnale analogico in INGRESSO VX - VR(t) + S R Flip - Flop DAC a n bit Q Codice digitale di USCITA E.O.C. (End Of Conversion) CONTATORE a n bit Clock (fck) Reset

12 CONVERTITORE A INSEGUIMENTO Principio di funzionamento
Segnale analogico in INGRESSO VX - VR(t) + DAC a n bit Codice digitale di USCITA Up Clock (ck) CONTATORE a n bit Logica Down

13 Codice digitale di USCITA
ANDAMENTO del SEGNALE VR(t),VX 1 LSB VX VR(t) - + DAC a n bit CONTATORE a n bit Codice digitale di USCITA Clock Logica Up Down VX VR(t), segnale in uscita dal DAC t

14 PERDITA di ACQUISIZIONE
VX VR(t) VR(t),VX Fronte rapido di VX Il DAC ha perso l’aggancio Perdita di acquisizione La parola immagazzinata dal contatore NON è rappresentativa di VX

15 FREQUENZA MASSIMA di AGGANCIO
Massima velocità di variazione dell’ingresso sinusoidale VX: VFS t=0 1/fin Massima velocità di variazione dell’uscita del DAC:

16 - + DAC a n bit CONVERTITORE ad APPROSSIMAZIONI SUCCESSIVE VX VR(t)
Segnale analogico in INGRESSO VX - VR(t) + DAC a n bit Codice digitale di USCITA Start LOGICA di CONTROLLO SAR – Successive Approximation Register Clock E.O.C.

17 Esempio di approssimazioni successive
VR(t),VX VFS 111 110 110 101 101 VX 100 100 100 VR(t) 011 Codice finale 010 001 000 T 2T 3T 4T t

18 FREQUENZA MASSIMA del SEGNALE da CONVERTIRE
E’ fondamentale che il segnale di ingresso resti costante entro ±½LSB durante il tempo di conversione Massima velocità di variazione di un ingresso sinusoidale : Durata della conversione : Esempio : ADC a 10 bit e fck=1 MHz fin< 16 Hz per un segnale sinusoidale con ampiezza picco-picco pari a VFS

19 PRINCIPIO della CONVERSIONE A “DOPPIA RAMPA”
Segnale analogico da convertire Tensione FISSA di riferimento VX -VREF - + R C VU S2 S1 Tempo variabile con VX (S1 aperto e S2 chiuso) Tempo fisso (S1 chiuso e S2 aperto) Vo T1 T2 Pendenza , pendenza costante perché VREF, R e C costanti. Si misura T2 per avere VX

20 RELAZIONI TEMPO-AMPIEZZA
Tempo fisso Tempo variabile con VX Vo T1 T2 Pendenza , pendenza costante perché VREF, R e C costanti. Note VREF e T1 e misurando T2 si risale a VX Non dipende dai parametri costruttivi del circuito integratore !

21 CONVERTITORE A/D a “DOPPIA RAMPA”
Segnale analogico in INGRESSO R VX - Vo - -VREF + + S1 LOGICA DI CONTROLLO S2 Start CONTATORE a n bit N Clock (ck) E.O.C.

22 TEMPI di CONVERSIONE Il tempo di conversione, Tc=T1+T2, varia proporzionalmente a VX : TCmin quando VX = 0V TCmin = T1 TCmax quando N=2n , cioè T1=T2 Velocità di conversione relativamente bassa Esempio : DAC a 10 bit e fck=1 MHz (periodo 1 s) Tcmax  2 ms   500 conversioni/s

23 SIGNIFICATIVITA’ DELLA CONVERSIONE anche con VX VARIABILE
Segnale all’ingresso Segnale all’uscita (dopo l’integrazione) T1 VIN T2 |VX| |VREF| Vo T1 T2 La parola digitale che si ottiene alla fine della conversione rappresenta il VALORE MEDIO del segnale all’ingresso nell’intervallo T1

24 SIGNIFICATIVITA’ DELLA CONVERSIONE anche con VX VARIABILE
Segnale all’ingresso Segnale all’uscita (dopo l’integrazione) T1 VIN T2 |VX| |VREF| Vo T1 T2 La parola digitale che si ottiene alla fine della conversione rappresenta il VALORE MEDIO del segnale all’ingresso nell’intervallo T1

25 CONVERTITORE “Flash” VX VFS D1 D2 D3 Segnale analogico in INGRESSO
- + CODIFICATORE LOGICO Viene confrontato in parallelo da (2n-1) comparatori - + - + D1 - + D2 - + D3 Per fare un convertitore a n bit occorrono 2n-1 comparatori ! - + - +

26 CONVERTITORI NON-LINEARI
Segnale di ingresso Con ADC lineare occorrono 20 bit 10 V 10 mV Risoluzione di 0.1%  10 mV Risoluzione di 0.1%  10 V Si preferisce una codifica NON LINEARE in cui la risoluzione sia una percentuale fissa della ampiezza del singolo campione

27 CONVERTITORE A/D BIPOLARI
Segnale analogico in INGRESSO ±VX S1 Codice digitale di USCITA ADC UNIPOLARE - + R S2 Vo - LOGICA DI CONTROLLO INTERRUTTORI +