Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 11. Převodníky A – Č a Č – A Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 11. Převodníky A – Č a Č – A Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc."— Transkript prezentace:

1 ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 11. Převodníky A – Č a Č – A Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc

2 Číslicově analogové převodníky DAC (Digital to Analog Converters) Modulátory a vysílače komunikačních zařízení Ovladače akčních elementů regulovaných soustav Syntéza signálu oscilátorů, generátorů funkčních průběhů apod. Použití: Rekonstrukce analogových signálů (průběhů) z digitálních signálů (dat) DAC Digitální vstup N bitů Převod Č-A Analog. výstup U out Převodní charakteristika: kde: a n = 0 nebo 1 je hodnota i-tého bitu, U r je napěťový rozsah převodníku

3 Číslicově analogové převodníky t1t1 t2t2 t3t3 t4t4.... t k t k+1 t U out T H – perioda hodin  k – doba převodu Pro časově proměnná data: Svorky: Signálové (vstup, výstup), napájecí (U CC, zem), řídicí (hodiny) Zjednodušená značka DAC Digitální vstup n bitů Analog. výstup U out Napájení U CC Časové řízení (hodiny)

4 Číslicově analogové převodníky DAC (Digital to Analog Converters) a 1 … Nejvýznamnější bit (MSB – the Most Significant Bit). a N … Nejméně významný bit (LSB – the Least Significant Bit) Statické chyby převodníků: Chyba nuly (Offset Error)  0 : Posunutí výstupního napětí o konstantní hodnotu, nezávisející na hodnotě převáděného čísla Chyba zesílení (Gain Error)  m  : Chyba ve velikosti napětí U r Integrální nelinearita (INL): Maximální odchylka dané hodnoty od předepsané. Diferenciální nelinearita (DNL): Max. odchylka strmosti mezi dvěmi sousedními body DAC a1a1 a2a2 a N-1 aNaN U out D

5 Číslicově analogové převodníky DAC (Digital to Analog Converters) Základní rozdělení DAC: Převodníky paralelní –data se převádějí současně  krátká doba převodu, nezávislá na počtu bitů  menší přesnost  obvykle omezeno na malý počet bitů Převodníky postupné – data se převádějí postupně  podstatně delší doba převodu, závislá na počtu bitů  přesnější výsledky  větší počet bitů ale za delší čas

6 Číslicově analogové převodníky Paralelní - s rezistorovými sítěmi Váhové rezistorové sítě U out RZRZ RZRZ B RBRB UBUB R M+1 R1R1 R2R2 R3R3 RMRM R M-1 U0U0 Ovlád. přepín. M+1 Odporů sítě R m, m = 1,.., M+1 M Přepínačů mezi U 0 a zemí, m = 1,.., M, ovládaných číslem D

7 Číslicově analogové převodníky Váhové rezistorové sítě Thévenin = RmRm U0U0 RmRm I0I0 R B =konst  B RBRB R M+1 R1R1 R2R2 R3R3 RMRM R M-1 U0U0 R M+1 R1R1 R2R2 R3R3 RMRM R M-1 I1I1 I2I2 I3I3 I M-1 IMIM UBUB U B = I C R B

8 Číslicově analogové převodníky Váhové rezistorové sítě Rekapitulace Kde: b m = 1 nebo 0 podle toho, zda je m-tý spínač připnut k U 0 nebo k zemi Různé způsoby volby odporů R m a)M = 2 N -1, R m = R 0, R B = R 0 /2 N, b m = 1 pro m  D, pro ostatní m je b m = 0, U m = 2U 0 D/2 N  U r = 2U 0 Vysoký počet 2 N stejných odporů R 0 b)M = N-1, R m = (2 m-1 )R 0, R B = R 0 /2, b m = a m, U m = U 0 D/2 N  U r = U 0 Nízký počet N-1 odporů ale s velkým poměrem hodnot 1:2 N Závěr: Vhodné zejména pro rychlé převodníky s malým počtem bitů a s menší přesností

9 Číslicově analogové převodníky S rezistorovou sítí R-2R Vlastnosti sítě: Při pohledu ze sériové větve do uzlu (ilustrace a) vidíme odpor R V každém uzlu se stýkají tři větve (ilustrace b) o odporech 2R Definice sítě: Žebříčkovitá síť (Ladder Network) s podélnými odpory R a s příčnými odpory 2R. Topologie sítě R – 2R: RRRRRRR R2R R R b a

10 Číslicově analogové převodníky Převodníky s rezistorovou sítí R-2R Převodník s proudovými zdroji: RRRRRRR R2R R I0I0 I0I0 I0I0 I0I0 I0I0 I0I0 I0I0 I0I0 RZRZ U out Využívá síť R – 2R s N uzly (mezi odpory R). Uzly označíme po řadě od OZ (zprava) indexy n = 1, 2, …, N. (N je počet bitů převodníku) Do n-tého uzlu se přepínačem, řízeným hodnotou n-tého bitu a n převáděného slova připojí proudový zdroj I 0 (a n = 1  připojeno, a n = 0  odpojeno)

11 Č-A převodníky se sítěmi R-2R Převodník s proudovými zdroji Bude-li připojen pouze první zdroj proudu, bude se I 0 dělit do dvou větví s odpory: R a 2R takže I c = (2/3)I 0 Bude-li připojen pouze druhý zdroj proudu, bude se proud I 0 dělit do tří větví o stejných odporech 2R, takže Ic = I 0 /3 Bude-li připojen pouze zdroj proudu s n > 2, bude se v nejbližším uzlu dělit proud na třetiny, v každém uzlu dále vpravo se pak dělí proud do dvou větví ještě na polovinu. Potom I c = (I 0 /3).2 -(n-2) RRRRRRR R2R R I0I0 I0I0 I0I0 I0I0 I0I0 I0I0 I0I0 I0I0 RZRZ U out Pořadí: N N-1 N IcIc IcIc

12 Č-A převodníky se sítěmi R-2R Převodník s proudovými zdroji Pro proud I c ve výstupní větvi sítě pak po připojení jednotlivých zdrojů podle vstupního převáděného čísla  a n  dostáváme: RRRRRRR R2R R I0I0 I0I0 I0I0 I0I0 I0I0 I0I0 I0I0 I0I0 RZRZ U out Pořadí: N N-1 N IcIc IcIc Výstupní napětí převodníku U out je pak rovno: a po vhodné volbě I 0 a R Z :

13 Č-A převodníky se sítěmi R-2R Převodník s napěťovými zdroji Do každé paralelní větve n = 1,.., N lze přepínačem, řízeným převáděným číslem  a n  zapojit napěťový zdroj U 0, nebo ji spojit se zemí. Při a n = 1 je připojen zdroj U 0, při a n = 0 je větev připojena k zemnímu vodiči. Napěťový zdroj U 0 v sérii s odporem 2R lze podle Théveninovy věty nahradit paralelně připojeným proudovým zdrojem I 0 = U 0 /(2R). Tím celý výpočet výstupního napětí převedeme na předcházející případ s jediným rozdílem, že v bodě n = 0 není připojen žádný napěťový zdroj. RRRRRRR R2R RZRZ U out R U0U0 U B = 0 n = N N-1 N

14 Č-A převodníky se sítěmi R-2R Převodník s napěťovými zdroji Po náhradě U 0  I 0 = U 0 /(2R) a s uvážením, že v bodě n = 0 žádný zdroj není: RRRRRRR R2R RZRZ U out R U0U0 U B = 0 n = N N-1 N IcIc IcIc Výstupní napětí převodníku U out je pak rovno: A po vhodné volbě U 0 a R Z :

15 Paralelní Č-A převodníky Porovnání vlastností Převodníky s váhovými sítěmi Převodníky se sítěmi R-2R s proudovými zdroji s napěťovými zdroji Výhody: Jednoduchost, vysoká rychlost převodu Nevýhody: Velký počet odporů (2 N ), velký rozsah odporů 1:2 N, malá přesnost Výhody: Jednoduchost, vysoká rychlost převodu, nízký počet odporů 2(N+1), malý rozsah odporů (1:2) Nevýhody: Větší počet zdrojů proudu (N), malá přesnost Výhody: Jednoduchost, vysoká rychlost převodu, nízký počet odporů 2(N+1), malý rozsah odporů (1:2), nízký počet napěťových zdrojů Nevýhody: Ovlivňování jednotlivých bitů, malá přesnost Celkově převodníky s odporovými sítěmi: Vysoká rychlost převodu, malá přesnost  vhodné pro rychlé převodníky s malým počtem bitů s nízkými nároky na přesnost

16 Postupné Č-A převodníky Modulační převodník t t t TgTg fgfg R S T TcTc U2U2 UDUD A C Q1Q1 QNQN UDUD A C Q1Q1 QNQN R S Q Q D CZCZ C1C1 R1R1 R2R2 R3R3 R4R4 U out fhfh fgfg Čítač Vratný čítač U1U1 RS D max U3U3 U2U2

17 Postupné Č-A převodníky Modulační převodník Charakteristiky: Vysoká přesnost Dlouhá doba převodu t t T TcTc U2U2 U U3U3 UsUs U 3 se ustálí v okolí střední hodnoty U s, kdy se náboj Q 1 nabíjený do kondenzátoru C Z v době impulzu bude rovnat vybitému náboji Q 2 v době mezi pulzy: Q 1 = (U 1 -U S )/R C.T = Q 2 = U S /R C.(T C -T 1 )  U S = U 1.(T/T C ) CZCZ C1C1 R1R1 R2R2 R3R3 R4R4 U out U1U1 U3U3 U2U2 R 1 +R 2  R C

18 A – Č převodníky ADC – Analog to Digital Converters Převádějí analogovou veličinu (nejčastěji napětí) na digitální symbol (číslo) Použití: Převod výstupního signálu senzorů Převod přijímaných komunikačních signálů ADC U in a1a1 a2a2 a3a3 a N-1 aNaN a4a4 Analogový vstup Převod A - Č Digitální výstup U in  {a n }, n = 1,.., N... počet bitů převodníku U in  …. rozsah převodníku Výstupní posloupnost {a n } představuje číslo D:

19 A – Č převodníky ADC – Analog to Digital Converters Kvantování úrovní napětí V intervalu (0, U r ) je nekonečné množství hodnot vstupního signálu U in ale počet hodnot výstupního signálu je konečný.  Zobrazení U in  D(a n ) není vzájemně jednoznačné – každé hodnotě D odpovídá skupina velikostí U in (interval  U) Tomuto typu přiřazení se říká kvantování úrovní (v našem případě napětí) Nejčastěji je velikost intervalů  U stejná – lineární kvantování U in D Interval  U (2 N -1) (2 N -2) Při lineárním kvantování:

20 A – Č převodníky Kvantování úrovní napětí Kvantovací chyba Definice:  Q = U aprox – U in, |  Q |   U/2 Rozložení kvant. chyby je rovnoměrné Rozptyl kvant. chyby: U in Kvantovací úrovně  U=U r.2 -N (diskret) UU 2U2U 3U3U 4U4U Průběh aproximace Kvantovací chyba  q UU Rozhodovací úrovně Kvantovací šum

21 A – Č převodníky Dynamika Poměr mezi maximálním možným a minimálním detekovatelným výkonem signálu Max. výkon sinusového signálu: Min. výkon omezený pouze kvantovací chybou: Dynamika bez zkreslení (poměr signál/šum): Dynamika včetně zkreslení (Signal to Noise And Distorsion): Efektivní počet bitů (Effective Number Of Bits):

22 A – Č převodníky Chyby převodníku Statické chyby U in /U r D q 2q 3q 4q 00 GG q = 2 -N U in /U r D q 2q 3q 4q qnqn QmQm Chyba nuly:  0 = (U-U id )/U r Chyba zesílení:  G = U max /U r Diferenciální nelinearita DNL n : DNL n = (q n – q)/q Integrální nelinearita INL m : INL m = Q m /q

23 A – Č převodníky Struktura A-Č převodníků A-Č převodníky převádějí proměnná napětí Převod napětí na číslo má konečnou dobu trvání T C  1. Nejprve se musí zjistit okamžitá hodnota (vzorek)  napětí – vzorkování 2. Pak se musí jeho hodnota udržovat stálá po dobu T C - udržování Samle and Hold  Vyvzorkuj a drž T v = 1/f v  T C f v  2.f max Vlastní A-Č převod vzorkování udržování úrovně Sample & hold U in fvfv D fHfH Vyrovnávací paměť

24 A – Č převodníky Obvody S & H Symetr. obvod U in fvfv U vyvz t t t fvfv U in U vyvz t Vzorkovací obvody S T TVTV t U U in U vyvz t U1U1 Obvody H (HOLD) U1U1

25 A – Č převodníky Paralelní převodník D C Q Q D D C Q Q D D C Q Q D D C Q Q D UrUr U in Dekodér Hodiny Výstupní slovo Kompar. Klopné obvody D Výhoda: Velká rychlost převodu Nevýhoda: Složitost, vhodné pro menší počet bitů, menší přesnost

26 A – Č převodníky Postupné převodníky Sériový převodník A-Č Všechny bloky A/Č-Č/A jsou stejné a převodníky A/Č a Č/A v nich mají vždy stejný rozsah a stejný počet bitů S&HS&H U in UrUr U1U1 U2U2 A/Č 1 Č/A 1 A/Č M Č/A M A/Č 2 Č/A 2 a1a1 a2a2 aMaM Registr V n-tém bloku se provede N 1 – bitový převod A/Č napětí U n a zpětný převod Č/A. tento výsledek se odečte od napětí U n a vynásobí 2 N1 – tak dostaneme U n+1 Celková doba převodu: T p = M.T p1, kde T p1 je doba převodu v jednom bloku Převod začíná vždy od nejdůležitějších bitů

27 A – Č převodníky Sériové převodníky Základní blok jednobitového A/Č – Č/A převodníku Výhody: Malý počet obvodů (jednoduchost) Nevýhody: Dlouhá doba převodu (N.T p1 ) Nízká přesnost Zkrácení doby převodu: Převede se první bit, po předání U 2 do dalšího bloku se převádí 1. bit dalšího vzorku. (sdílení času – pipline) UnUn U n+1 anan 2R R UrUr

28 A – Č převodníky Postupné převodníky Zpětnovazební převodník (8 bitový dvoutaktní): Pracuje ve dvou (i více) taktech: V prvním taktu se na číslo převede N1 nejvýznamnějších bitů a odpovídající napětí se odečte od vstupního ve druhém taktu se rozdíl zesílí 2 N1 krát. Tento rozdíl se znovu podrobí N1 bitovému převodu … Registr Řídicí jednotka Synchron. D R 16R R R S&HS&H A/Č 4 b Č/A 4 b

29 A – Č převodníky Postupné převodníky Aproximační převodník: Č/A převodník má stejný počet bitů (N) jako celý aproximační A/Č převodník pracuje v N taktech s délkou T 1 = 1/f 1 v každém taktu testuje 1 bit začíná se nejvýznamnějším bitem pokud je napětí U aprox na výstupu Č/A převodníku menší, než U in, ponechá se příslušný bit na hodnotě 1, pokud ne, vrátí se na 0 přiblížení pokračuje v dalším taktu s nižšími bity U in Přesnost: je dána přesností Č/A převodníku a komparátoru Rychlost převodu: Nízká, T p = nT 1 S&H Aproximační registr Č/A D f1f1 R R U aprox

30 A – Č převodníky Další typy převodníků Integrační převodníky Dvoutaktní převodník D fgfg R C S&H = -U r U in U1U1  k Řídicí jednotka C CT N N1N1 Čítač 1.V prvním taktu se nabíjí integrátor napětím U in po konstantní dobu T 1 = N 1 T g 2.Ve druhém taktu se integrátor vybíjí napětím –U r až U 1 dosáhne 0 – odečte se čas T 2 = N 2 T g T1T1 T2T2 T2T2 T2T2 U1U1 Jednotlivé barvy odpovídají různým vstupním napětím U in t

31 A – Č převodníky Integrační převodníky Dvoutaktní převodník T1T1 T2T2 U1U1 t U 10 Výhody: Nezávisí na parametrech obvodu: C, R, f g Nezávisí na teplotě Nevýhody: Dlouhá doba převodu Uplatňuje se aditivní chyba (chyba nuly – offset)  problémy s měřením nízkých napětí Aplikace: Zejména pro měřicí účely

32 A – Č převodníky Integrační převodníky Čtyřtaktní převodník Princip funkce V prvních dvou taktech měří dvoutaktní integrační metodou aditivní chybu, v dalších dvou taktech změří napětí U in včetně absolutní chyby a pak ji odečte Popis zapojení Podobné jako u dvoutaktního převodníku s tím rozdílem, že jsou zde navíc spínač S 0 na nulování náboje na kondenzátoru C a reverzeční přepínač S 2, který mění polaritu zdroje napětí U r D fgfg R C S&H UrUr U in U1U1 k Řídicí jednotka = S1S1 S0S0 S2S2  C CT N N1N1

33 A – Č převodníky Integrační převodníky Čtyřtaktní převodník Popis funkce Nejprve se v nultém taktu sepnutím S 0 vynuluje zbytkové napětí U C0, které se tam nashromáždilo v průběhu mezi odečty V prvním taktu se přepínači S 1 a S 2 připojí na integrátor zdroj referenčního napětí v polaritě +U r. Ve druhém taktu se připojí zdroj -U r a dvoutaktní metodou se změří napětí U r (1+  0 ) a odtud určíme aditivní chybu  0 U r. V dalších dvou taktech změříme napětí U in včetně aditivní chyby V další fázi se provede korekce aditivní chyby t U1U1 T1T1 T 20 U 00 U C0 Takt I. U 10 T1T1 T2T2 Takt III. Takt IV. Takt II. Takt 0. Vlastnosti: Vysoká přesnost Dlouhá doba měření


Stáhnout ppt "ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 11. Převodníky A – Č a Č – A Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc."

Podobné prezentace


Reklamy Google