sep5.1 sistemi elettronici programmabili lezione n° 5 convertitori d to aconvertitori d to a...
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SEPSEP 5.5.11
Sistemi Elettronici Sistemi Elettronici ProgrammabiliProgrammabili
LEZIONE N° 5LEZIONE N° 5
• Convertitori D to A Convertitori D to A • Convertitore PAM a partitore Convertitore PAM a partitore • Convertitore PAM R-2R Convertitore PAM R-2R
• Convertitori A to DConvertitori A to D• Convertitore a conteggiConvertitore a conteggi• Convertitore a inseguimentoConvertitore a inseguimento• Convertitore ad approssimazioni successive Convertitore ad approssimazioni successive
(SAR)(SAR)• ConvertitoreConvertitore FLASH FLASH• Convertitori a doppia rampaConvertitori a doppia rampa
SEPSEP 5.5.22
Convertitore D to AConvertitore D to A
• Notazione posizionale ( N = 4)Notazione posizionale ( N = 4)
• Può rappresentare una tensionePuò rappresentare una tensione
• Si può realizzare utilizzando un Si può realizzare utilizzando un sommatore analogico realizzato con sommatore analogico realizzato con amplificatore operazionaleamplificatore operazionale
00
11
22
330123 22221011 aaaaaaaaX
001
12
23
3 2222 aaaaVXVV RRX
SEPSEP 5.5.33
SommatoreSommatore
• Metodo del CCVMetodo del CCV
+
Vu
R0
-
V1
V2
R2
R1
2
02
1
01R
RV
R
RVVU
002102
22
1
11 IRVIII
R
VI
R
VI U
SEPSEP 5.5.44
ConvertitoreConvertitore
+
Vu
1 K
-
2 k
- VR
0123 8
1
4
1
2
1aaaaVV RU
4k
1 k
8 k
0
a3
a2
a1
a0
SEPSEP 5.5.55
Osservazioni Osservazioni
• Per N = 11 la resistenza più grossa vale Per N = 11 la resistenza più grossa vale 1024 volte la più piccola1024 volte la più piccola
• Affinché non si “mascheri” con la Affinché non si “mascheri” con la resistenza più grande quella più piccola resistenza più grande quella più piccola ci vuole una elevata precisione (per N = ci vuole una elevata precisione (per N = 11 R11 Rmaxmax = 1024 R = 1024 Rmin min ± 0.05 % !!!)± 0.05 % !!!)
• Nei circuiti integrati si riesce a fare due Nei circuiti integrati si riesce a fare due resistenze uguali con elevata precisioneresistenze uguali con elevata precisione
• Il valore assoluto non è affidabileIl valore assoluto non è affidabile• Le resistenze di valore elevato si Le resistenze di valore elevato si
realizzano malerealizzano male
SEPSEP 5.5.66
BufferBuffer
• In base al CCVIn base al CCV
• Resistenza d’ingresso alta Resistenza d’ingresso alta • Resistenza d’uscita bassaResistenza d’uscita bassa
+
-
Vin
out
outin VVVV
SEPSEP 5.5.77
Convertitore D/A a reticolo R ÷Convertitore D/A a reticolo R ÷ 2R2R
•
a0 a1 a2 a3
2R 2R 2R 2R 2R 2R
R R R+
-
0
VR
VX3VX2VX1VX0
A B C DVU
SEPSEP 5.5.88
Resistenza vistaResistenza vista
•
2R 2R 2R 2R 2R 2R
R R R
VX3VX2VX1VX0
A B C D
Vu
Rv=RRv=RRv=RRv=R
RRRRRR 222
SEPSEP 5.5.99
VVUU (1) (1)•
2R 2R 2R 2R
2R
2R
R R R
VR
VX2VX1VX0
A B C DVu=VR/3
2R2R
RR
RVV RU 2
SEPSEP 5.5.1010
VVUU (2) (2)
•
2R 2R 2R
2R
2R 2R
R R R
VR
VX3VX1VX0
A B
C
DVu
623RC
UR
C
VVV
VV
SEPSEP 5.5.1111
VVUU (3) (3)
•
2R 2R
2R
2R 2R
R R R
VR
VX3VX2VX0
A
B
C DVu
2R
1243RB
UR
B
VVV
VV
SEPSEP 5.5.1212
VVUU (4) (4)
•
2R
2R
2R 2R
R R R
VR
VX3VX2VX1
A
B C DVu
2R2R
2483RA
UR
A
VVV
VV
SEPSEP 5.5.1313
OsservazioniOsservazioni
• Da ogni nodo (A, B, C, D) guardando a Da ogni nodo (A, B, C, D) guardando a destra e a sinistra si vede 2Rdestra e a sinistra si vede 2R
(esempio: da A vs Sx 2R, vs Dx 2R||2R+R (esempio: da A vs Sx 2R, vs Dx 2R||2R+R = 2R)= 2R)
• La VLa Vxnxn con solo il bit n attivo vale con solo il bit n attivo vale
• VVUU(1000) = V(1000) = VRR/3, V/3, VUU(0100) = V(0100) = VRR/6,/6,
VVUU(0010) = V(0010) = VRR/12, V/12, VUU(0001) = V(0001) = VRR/24/24
• La rete è lineare, quindi si può usare il La rete è lineare, quindi si può usare il principio di sovrapposizione degli effettiprincipio di sovrapposizione degli effetti
32RR V
RR
RV
SEPSEP 5.5.1414
NoteNote
• Per avere VPer avere VUmaxUmax = 15 V deve essere V = 15 V deve essere VRR = = 24 V 24 V
• Se VSe VRR si considera un ingresso si ottiene si considera un ingresso si ottiene un attenuatore programmabileun attenuatore programmabile
• Si può vedere anche come un Si può vedere anche come un MOLTIPLICATORE fra segnale analogico MOLTIPLICATORE fra segnale analogico e numero digitalee numero digitale
0123 8
1
4
1
2
1
3aaaa
VV RU
SEPSEP 5.5.1515
Convertitore A to D a conteggioConvertitore A to D a conteggio
Elementi necessariElementi necessari
1.1. Segnale di ClockSegnale di Clock
2.2. Convertitore D/AConvertitore D/A
3.3. Contatore UPContatore UP
4.4. ComparatoreComparatore
5.5. Porta ANDPorta AND
SEPSEP 5.5.1616
SchemaSchema• SOC = Star Of ConvertionSOC = Star Of Convertion• EOC = End Of ConvertionEOC = End Of Convertion
CK Count ClrQ3 Q2 Q1 Q0
D/A
EOC
SOC
CK
Vin+
-
Q3
Q2
Q1
Q0
VRV*
SEPSEP 5.5.1717
Forme d’ondaForme d’onda
• EOC
SOC
Vin
V*
SEPSEP 5.5.1818
Forme d’onda 2Forme d’onda 2–
Vin
EOC
SOC
V* CK Count ClrQ3 Q2 Q1 Q0
D/A
EOC
SOC
CK
Vin+
-
Q3
Q2
Q1
Q0
VRV*
SEPSEP 5.5.1919
OsservazioniOsservazioni
• Necessita di ingresso stabile durante Necessita di ingresso stabile durante tutto il tempo di conversionetutto il tempo di conversione– deve essere presente un S- Hdeve essere presente un S- H
• Tempo massimo di conversione (legato Tempo massimo di conversione (legato al valore massimo) 2al valore massimo) 2NN cicli di clock cicli di clock
SEPSEP 5.5.2020
Convertitore A to D a Convertitore A to D a inseguimentoinseguimento
Elementi necessariElementi necessari
1.1. Segnale di ClockSegnale di Clock
2.2. Convertitore D/AConvertitore D/A
3.3. Contatore UP/DOWNContatore UP/DOWN
4.4. ComparatoreComparatore
SEPSEP 5.5.2121
SchemaSchema•
U/D Count CKQ3 Q2 Q1 Q0
D/A
Vin+
-
Q3
Q2
Q1
Q0
VRV*
CK
SEPSEP 5.5.2222
Forme d’ondaForme d’onda
• U/D
Vin
V*
SEPSEP 5.5.2323
OsservazioneOsservazione
• Non è strettamente necessario il S – HNon è strettamente necessario il S – H• Tempo massimo di conversione (legato al Tempo massimo di conversione (legato al
valore massimo) 2valore massimo) 2NN cicli di clock cicli di clock• Da una conversione alla successiva, Da una conversione alla successiva,
occorre un tempo minore rispetto al caso occorre un tempo minore rispetto al caso precedenteprecedente
• Se il segnale, fra un ciclo di clock e il Se il segnale, fra un ciclo di clock e il successivo, varia meno di un “gradino”, il successivo, varia meno di un “gradino”, il segnale U/D è la conversione segnale U/D è la conversione – – a un bit a un bit
SEPSEP 5.5.2424
Convertitore A to D ad Convertitore A to D ad approssimazioni successiveapprossimazioni successive
• StategiaStategia
– Si parte attribuendo a Vx il valore Si parte attribuendo a Vx il valore VVMM/2/2
– se Vse Vii > V > VMM/2 si passa a V/2 si passa a VMM/2 +V/2 +VMM/4/4
– se Vse Vii < V < VMM/2 si passa a V/2 si passa a VMM/4/4
•Si procede così per n passiSi procede così per n passi
SEPSEP 5.5.2525
Strategia per N = 4Strategia per N = 4
• Si parte 1000Si parte 1000
0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111
0001
0011
0101
0111
1001
1011
1101
11111110
1010
0110
0010
1100
0100
1000
>
<
>
>=
<
<
<
SEPSEP 5.5.2626
SchemaSchema
• Tempo di conversione per N bit => N cicli di Tempo di conversione per N bit => N cicli di clock clock
CK Count SOC+ Logica
Q3 Q2 Q1 Q0
D/A
Vin+
-Q3
Q2
Q1
Q0
VRV*
EOC
SEPSEP 5.5.2727
Convertitore FLASHConvertitore FLASH
• +
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
COD
PRIORITA’
VR
Vin
X2
X1
X0
1/8VR
2/8VR
3/8VR
4/8VR
5/8VR
6/8VR
7/8VR
SEPSEP 5.5.2828
Tabella di Conversione delTabella di Conversione delCodificatore di prioritàCodificatore di priorità
• Tabella di veritàTabella di verità
WW
77
WW
66
WW
55
WW
33
WW
33
WW
22
WW
11
XX22 XX11 XX00
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
00 00 00 00 00 00 11 00 00 11
00 00 00 00 00 11 11 00 11 00
00 00 00 00 11 11 11 00 11 11
00 00 00 11 11 11 11 11 00 00
00 00 11 11 11 11 11 11 00 11
00 11 11 11 11 11 11 11 11 00
11 11 11 11 11 11 11 11 11 11
SEPSEP 5.5.2929
Convertitore A/D a doppia rampaConvertitore A/D a doppia rampa
• SchemaSchema Ipotesi VIpotesi VXX > 0 V > 0 VRR < 0 < 0
R
+
-
Ck
+
-Q7 Q0
Ck
ab
VX
VR
C
offon
S1
S2
VK
SEPSEP 5.5.3030
Forme d’ondaForme d’onda
Per t = tPer t = t22 Q Qnn commuta per la prima volta commuta per la prima volta da 1 a 0 da 1 a 0
vK
TA TB
t1 t2 t3t3’
S1 = AS2 = on
S1 = AS2 = off
S1 = BS2 = off
S1 = AS2 = on
RNRA
BXRBXA
t
t
R
t
t
XKCKN
A
Vn
VT
TVVTVT
dtVdtVvTT
2
02
2
3
2
2
1
SEPSEP 5.5.3131
OsservazioniOsservazioni
• Sistema di conversione lentoSistema di conversione lento• Utilizzato negli strumenti di misuraUtilizzato negli strumenti di misura• Elevata precisioneElevata precisione• La tensione incognita viene integrata La tensione incognita viene integrata
nell’intervallo Tnell’intervallo TAA
• Eventuali disturbi a valor medio nullo non Eventuali disturbi a valor medio nullo non hanno effettohanno effetto
• Fornisce il valor medio di VFornisce il valor medio di Vxx nell’intervallo nell’intervallo TTAA
• TTAA è dell’ordine di 0.5 s è dell’ordine di 0.5 s
SEPSEP 5.5.3232
Conclusioni sui convertitori A/D Conclusioni sui convertitori A/D (1/2)(1/2)FLASHFLASH
SARSAR
veloicitàveloicità INSEGUIMENTOINSEGUIMENTO precisionprecisionee
CONTEGGIOCONTEGGIO
DOPPIA DOPPIA RAMPARAMPA
SEPSEP 5.5.3333
Conclusioni sui convertitori A/D Conclusioni sui convertitori A/D (2/2)(2/2)
SEPSEP 5.5.3434
ConclusioniConclusioni• Convertitori D to A Convertitori D to A
• Convertitore PAM a partitore Convertitore PAM a partitore • Convertitore PAM R-2R Convertitore PAM R-2R
• Convertitori A to DConvertitori A to D• Convertitore a conteggiConvertitore a conteggi• Convertitore a inseguimentoConvertitore a inseguimento• Convertitore ad approssimazioni Convertitore ad approssimazioni
successive (SAR)successive (SAR)• ConvertitoreConvertitore FLASH FLASH• Convertitori a doppia rampaConvertitori a doppia rampa
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