تبدیل سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال

تبدیل سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال

چرا تبدیل آنالوگ به دیجیتال؟●

مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال●

A/D انواع تکنیکهای تبدیل ●

محصوالت مختلف از مبدلهای آنالوگ به ●دیجیتال

نیازمندیها برای تبدیل 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●


پایه:I/O رابطه ●- مبدل آنالوگ به دیجیتال یک

سیستم نسبت گیری است:

x = Analog input / Reference

Fraction: 0 ~ 1

بیتیn مبدلهای ● تعداد سطح خروجی ●

2nگسسته:

: LSB اندازه ●/ 2nQ LSB FS خطای ●

کوانتیزاسیون: 1/ 2LSB کاهش n با افزایش ●

می یابد

مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال● خطاهای تبدیل:●

خطای آفست

خطای بهره

با تنظیمات اولیه قابل حذف می باشد

خطای خطی سازی انتگرالی

خطای خطی سازی دیفرانسیلی

خطای غیرخطیحذف آن سخت است

تابع یک شیب با آن واقعی انتقالی تابع شیب تطابق چگونگیایدهآل انتقال

خروجی مشخصه شروع نقطه عمودی جابجایی ) مبدل) پاسخ

برای شده گیری اندازه و آل ایده خروجی پاسخ بین اختالفمبدل پیدرپی کد دو هر

) ( / یک از مبدل پاسخ خروجی ورودی انحرافمشخصه حداکثرمستقیم خط


کمترین میزان :resolutionرزولوشن مبدل- تغییر در ورودی آنالوگ که باعث یک

سطح تغییر کد خروجی می گردد

:accuracyدقت مبدل-

تفاضل بین ولتاژ ورودی واقعی و ●ولتاژ معادل کد خروجی مبدل

مقدار حداکثر مجموع تمامی ●خطاهای مبدل مشتمل بر خطای

کوانتیزاسیون

:conversion timeزمان تبدیل-

زمان مورد نیاز پیش از اینکه ●مبدل بتواند

داده های خروجی صحیح تولید کند

throughputنرخ خروجی مبدل-

output:

تعداد دفعاتی که سیگنال ●ورودی با حفظ

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:

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

max( )2n c

dV FS

dt t

• Example– 8-bit ADC– Conversion Time:

100sec– Sinusoidal input

• Rate of change • Let FS = 2A

• Limited to Low frequency of 12.4 Hz

– Few Applications

22

2

112.4

2

nc

nc

AfA

t

f Hzt

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

• Reasonably good for 100sec converter

162.17

2n a

f KHzt

نکات پیاده سازی●نوع سیگنال آنالوگ ورودی:

سیگنال تفاضلی و یا تکی بدون ●پالریتی:

Typical Input Range0 ~ 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:

کاهش رنج ورودی با یک نسبت ● اضافه کردن آفست●مناسب

در صورتی که عالمت ●اطالعات در خروجی مطلوب

باشد

استفاده از مبدلهای تک-قطبی:●

استفاده از مبدلهای دو-قطبی:●

خروجی عموما در قالب ● می باشد2مکمل

Typically, 0 ~ 5V

scaled

Addoffset

نکات پیاده سازی●خروجیها 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 ● دارا بودن یک سیگنال مرجع ●کامل از مبدل:

پایدار و دقیق 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

نرخ نمونه برداری باید حداقل دو برابر aliasingبرای جلوگیری از نکات پیاده سازی●فرکانس سیگنال باشد:

A/D انواع تکنیکهای تبدیل ●

●Counter or Tracking ADC●Successive Approximation ADC

Most Commonly Used

● Slop Integrating ADC●Voltage to Frequency ADC●Parallel or Flash ADC

انواع تکنیکهای ●A/D Counter Type ADCتبدیل

بلوک 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

انواع تکنیکهای ● A/Dتبدیل

A/D:نوع ردیاب یا سرو

شکل موج:

Tracking Type ADC

استفاده از شمارنده باال/پایین ●برای ردیابی پیوسته

باال یا پائین شدن شمارنده توسط ●سیگنال ورودیخط کنترل

خروجی مقایسه کننده صورت می گیرد

مزیت: سرعت●

عیب: خروجی هیچگاه پایدار نمی باشد ●

حتی اگر ورودی پایدار باشد


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

Successive Approximation ADC

● SAR)توسط : )رجیستر تقریب مکرر این رجیستر تمامی مقادیر بیتها با شروع

و خاتمه یافتن MSBاز بیت مورد آزمون قرار گرفته تا LSBدر بیت

مقداری برابر ورودی حاصل گردد


زمان تبدیل:●

Successive Approximation ADC

شکل موج:

منطق تغییر خروجی:

● Conversion Timen clock for n-bit ADCFixed conversion time

خروجی سریال به سادگی تولید می ● تصمیم گیری برای تولید بیت بصورت ●گردد:

سریالصورت می گیرد

مشخصات کلیدی:


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


VFCمبدل ولتاژ به فرکانس یا ●

Voltage to Frequency ADC

تبدیل ولتاژ ورودی آنالوگ به ●قطاری از پالسها

تولید خروجی :counterشمارنده - ●دیجیتال با شمارش

پالسها بر روی یک بازه زمانی ثابت

مزايا: ●

معايب: ●

كاهش نويز عالي●

كند●

بيت يا كمتر10 عموما مبتني بر ●

انواع تکنیکهای ●A/D Parallel or Flash ADCتبدیل

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

انواع تکنیکهای ●A/D Parallel or Flash ADCتبدیل

سرعت تبدیل بسیار باال ●

● 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 باال●

-براي IC تعداد زیادی مقایسه کننده در یک ● مقايسه كننده مي باشد 255 بيت نياز به 8

مقايسه محصوالت●

محصوالت نمونه●

مبدلهای دیجیتال به آنالوگ

مشخصات عملکردی ●

کاربرد●

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

DAC100101…

کاربرد

هدف از یک مبدل دیجیتال به آنالوگ، تبدیل یک سیگنال دیجیتال به ●خروجی جریانی و یا ولتاژی آنالوگ می باشد

10111001 10100111 10000110010101000011001000010000Digital Input Signal

Ana

log

Out

put

Sig

nal

مشخصات فنی

در ورودی دیجیتالLSB مقدار تغییر در خروجی به ازای هر بار تغییر در ● هر چه رزولوشن بیشتر باشد، سیگنال خروجی مطلوب را می توان ●

دقیق تر تخمین زد

NLSB

VV

2Resolution Ref N = Number of bits

رزولوشن

Better Resolution(3 bit)Poor Resolution(1 bit)Vout

Desired Analog signal

Approximate output

2 V

olt.

Lev

els

Digital Input0 0

1

Digital Input

Vout

Desired Analog signal

Approximate output

8 V

olt.

Lev

els

000

001

010

011

100

101

110

111

110

101

100

011

010

001

000

ResolutionResolution

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 DAC

Non-Multiplier: (Vref = C)

Digital Input

Multiplier: (Vref = Asin(wt))

0

Voltage

00

01 01

00

10 10

11

0

Voltage

Digital Input00 00

01 01

10 10

11

Reference VoltageReference Voltage

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 Voltage

Expected Voltage

+VLSB

-VLSB

Settling time Time

Settling TimeSettling Time

مشخصات فنی

خطی بودن اختالف بین خروجی آنالوگ مطلوب و خروجی واقعی بر روی یک ●

محدوده کاملی از مقادیر و ورودی آن باید یک DAC در حالت ایده ال مابین خروجی یک مبدل ●مورد انتظار

رابطه خطی وجود داشته باشد که همواره محقق نمی گردد

LinearityLinearity

Linearity(Ideal Case)

Digital Input

Perfect Agreement

Desired/Approximate Output

Ana

log

Out

put V

olta

ge

NON-Linearity(Real World)

Ana

log

Out

put V

olta

ge

Digital Input

Desired Output

Miss-alignment

Approximate output

مشخصات فنی

سرعت

نرخ تبدیل یک ورودی دیجیتال به معادل آنالوگ آن ●

نرخ تبدیل:●

SpeedSpeed

سیگنال ورودیclock وابسته به سرعت ●

وابسته به زمان نشست مبدل●

مشخصات فنی

خطاها غیر خطی ●

بودن

دیفرانسیلی●

گین●

انتگرالی●

آفست●●

غیریکنواختی

Differential

Integral

Gain

Offset

Non-monotonicity

مشخصات خطای غیرخطی فنی

دیفرانسیلی

مقدار استپ ولتاژی نسبت به خروجی قبلی مبدل ●(Ideally All DNL’s = 1 VLSB)

Digital Input

Ideal Output

Ana

log

Out

put V

olta

ge

VLSB

2VLSB Diff. Non-Linearity = 2VLSB

مشخصات فنی

خطای غیرخطی انتگرالی

انحراف خروجی واقعی مبدل از مقدار ایده ال ●(Ideally all INL’s = 0)

Digital Input

Ideal Output

1VLSB Int. Non-Linearity = 1VLSB

Ana

log

Out

put V

olta

ge

مشخصات فنی

خطای آفست اختالف ولتاژ ثابت مابین خروجی ایده ال و خروجی ●

واقعی

شیب واقعی بزرگتر از ایده ال خطای گین باال:●

شیب واقعی کمتر از ایده ال خطای گین پائین:●

Digital Input

Desired/Ideal OutputOutput Voltage

Positive Offset

Negative Offset

مشخصات خطای فنی

غیریکنواختی میزان کاهش در ولتاژ خروجی به ازای یک افزایش ●

در ورودی دیجیتال

Ana

log

Out

put V

olta

ge

Digital Input

Desired Output

Monotonic

Non-Monotonic

Binary Weighted Resistor انواع مبدلها

Rf = R

8R4R2RR Vo

-VREF

iI

LSB

MSB

استفاده از یک مدار آپ امپی جمع ●کننده

تا LSB مقاومتهای وزن دار برای تمایز هر بیت از ●MSB

استفاده از ترانزیستورها برای سوئیچ مابین ولتاژ ● مرجع و زمین

انواع مبدلهاBinary Weighted Resistor

8R4R2RR Vo

-VREF

iI

Least Significant Bit

Most Significant Bit

نمایش باینری ●


نمایش باینری ●

-VREF

Least Significant Bit

Most Significant Bit

CLEAREDSET

( 1 1 1 1 )2 = ( 15 )10


Rf = R

8R4R2RR Vo

-VREF

iI

LSB

MSB

مقاومتهای وزن ●دهی شده بر

اساس بیت کاهش جریان با ●

برای 2یک فاکتور هر بیت


• Result:

– Bi = Value of Bit i

R

B

R

B

R

B

R

BVI REF 842

0123

842012

3

BBBBVRIV REFfOUT


بطور کلی تر ●

ResolutionValue Digital2 1

REF

ini

REFOUT

V

BVV

Bi = Value of Bit in = Number of Bits


مزایا

معایب

آنالیز/ساختار ساده ●

تبدیل سریع ●

که مقاومتهای کم باید نیاز به محدوده وسیعی از مقاومتها ●دارای صحت باالئی باشند

نیاز به مقاومتهای سوئیچ پائین در ترانزیستورها ● بیت 8گران قیمت بنابراین معموال به رزولوشن ●

محدود می گردد

انواع مبدلهاR-2R Ladder

VREF

MSB

LSB


VREFMSB

LSB

binary پیکربندی سوئیچ ورودی همانند روش ●weighted resistor

عبور داده می شوند 2R تمام بیتها از یک مقاومت ●


سیگنال از تعداد مقاومتهای بیشتر قبل از رسیدن به LSB برای ●آپ امپ باید عبور داده شود

در هر گره تقسیم می گردد2جریان با یک فاکتور ●

LSB MSB


در هر گره تقسیم می گردد2جریان با یک فاکتور ●

Analysis for current from (001)2 shown below

0I

VREF

RR R R 2R

2R2R2R

Op-Amp input“Ground”

B0

20I

40I

80I

R

V

RRR

VI REFREF

32220

B1B2


• Result:

– Bi = Value of Bit i

842012 BBB

VR

RV REF

fOUT

Rf

8423012 BBB

R

VI REF

انواع مبدلها

مزایا

معایب

فقط دو مقدار مقاومت مورد نیاز است ●

به مقاومتهای با صحت باال نیاز ندارد ●

سرعت تبدیل کمتر نسبت به روش اول ●

R-2R Ladder

تبدیل سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال

Documents