Analogově číslicové převodníky Verze 1 Analogově číslicové převodníky Doplněná inovovaná přednáška Zpracoval: Vladimír Michna Pracoviště: Katedra textilních a jednoúčelových strojů TUL Tento materiál vznikl jako součást projektu In-TECH 2, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.

In-TECH 2, označuje společný projekt Technické univerzity v Liberci a jejích partnerů - Škoda Auto a.s. a Denso Manufacturing Czech s.r.o. Cílem projektu, který je v rámci Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost (OP VK) financován prostřednictvím MŠMT z Evropského sociálního fondu (ESF) a ze státního rozpočtu ČR, je inovace studijního programu ve smyslu progresivních metod řízení inovačního procesu se zaměřením na rozvoj tvůrčího potenciálu studentů. Tento projekt je nutné realizovat zejména proto, že na trhu dochází ke zrychlování inovačního cyklu a zkvalitnění jeho výstupů. ČR nemůže na tyto změny reagovat bez osvojení nejnovějších inženýrských metod v oblasti inovativního a kreativního konstrukčního řešení strojírenských výrobků. Majoritní cílovou skupinou jsou studenti oborů Inovační inženýrství a Konstrukce strojů a zařízení. Cíle budou dosaženy inovací VŠ přednášek a seminářů, vytvořením nových učebních pomůcek a realizací studentských projektů podporovaných experty z partnerských průmyslových podniků. Délka projektu: 1.6.2009 – 31.5. 2012

Analogově číslicové převodníky (AČP) Rozdělení signálů podle jejich spojitosti v čase INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Analogově číslicové převodníky (AČP) Aby bylo možno hodnoty naměřené veličiny, získané v analogové formě, používat také v číslicovém vyjádření (zpracování – výpočty, komunikace...), je nutné je do číslicové formy převést  analogově číslicové převodníky (AČP), tedy časově spojitý signál převést na diskrétní – číslicový A jak? Vzorkováním, t.j. odebíráním vzorků (hodnot signálu) v (pravidelných) časových intervalech délky Ts a jejich převedením na čísla, která se dále zpracovávají (paměťují, zobrazují ...) Pro korektní převod, t.j. takový, aby z jeho výsledku bylo možno zpětně získat (zrekonstruovat) původní signál, musí být splněna t.zv. vzorkovací věta (Shannon – Kotělnikův teorém), určující minimální frekvenci vzorkování (samplování – používaná jednotka S/s nebo Sa/s): kmitočet nejvyšší harmonické, která má ještě pro přenos informace význam (př. pro akustický signál je fm = min. 20 kHz) rovnost pro nekonečnou dobu vzorkování INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Analogově číslicové převodníky (AČP) Aby byla podmínka vzorkovací věty vždy splněna, používá se na vstupu AČP DOLNOFREKVENČNÍ PROPUST (antialiasingový filtr)  „oříznou“ se vyšší frekvence, které by se v periodě samplování Ts opakovaly. INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Analogově číslicové převodníky (AČP) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Analogově číslicové převodníky (AČP) Analogově číslicové převodníky (AČP, ADC) převádí spojitě proměnný vstupní signál na posloupnost číselných hodnot Přímé AČP – výstupem je počet kvant q měřené veličiny Nepřímé AČP – pracují s mezipřevodem měřené veličiny na čas (nebo frekvenci), výstupem je počet kvant q v časové oblasti INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Analogově číslicové převodníky (AČP) POZNÁMKA: teoretický vztah mezi počtem bitů převodu a přesností (rozlišením) převodu: pro 8-mi bitový převod 28 = 256; 100% : 256  0,4 % pro 10-ti bitový převod 210 = 1 024; 100% : 1024  0,1 % pro 16-ti bitový převod 216 = 65 536; 100% : 65 536  0,0015 % pro 24-ti bitový převod 224 = .... 100% : ...  6.10-6 % Schodovitý průběh převodní charakteristiky způsobuje odchylku od ideálního průběhu a projevuje se jako kvantizační šum SNR (Signal-to-Noise Ratio). Pro sinusový signál je teoretické SNR dáno vztahem: kde n je počet bitů datového slova (rozlišení). Vlivem chyb převodníku je však skutečné SNR odlišné od ideálního, a proto pro porovnání kvality A/D převodníků zavádíme efektivní počet bitů ENOB (Effective Number Of Bits): INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Analogově číslicové převodníky (AČP) Přímé AČP: Kompenzační s postupnou aproximací: porovnává měřené napětí UM s kompenzačním napětím UK, vzniklým jako úbytek napětí na (přesném) kompenzačním rezistoru RK proudem procházejícím postupně spínanými rezistory (R, 2R, 4R, 8R) – pro každý řád vyžaduje přesné referenční napětí UREF. V průběhu jednotlivých taktů (připojování váhových rezistorů R, 2R,...) je na vstupu komparátoru jeden ze stavů: UK < UM  posledně připojený váhový rezistor je sepnutý, odpovídající váhový bit = H, spíná se další nejlíže vyšší váhový rezistor UK  UM  posledně připojený váhový rezistor se odpojí, odpovídající váhový bit = L, spíná se další nejlíže nižší váhový rezistor UK = UM  převod je ukončen Výstup AČP (číselný údaj o měřeném napětí UM) je dán kombinací spínačů spínajících váhové rezistory (viz. následující obrázek – pro jednu dekádu) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Analogově číslicové převodníky (AČP) Dekáda kompenzačního AČP – princip funkce INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Analogově číslicové převodníky (AČP) Blokové schéma kompenzačního analogově číslicového převodníku INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Analogově číslicové převodníky (AČP) Základní vlastnosti kompenzačních AČP: vyrábějí se 8-mi až 16-ti bitové (přesnost převodu 0.4 až 0,0015 %) doba převodu asi 10 μs (10 000 měření /sek) – pro jedno měření je třeba více taktů (hodinových impulzů) vzorkovací frekvence 10 až 100 kHz vyžadují konstantní vstupní napětí během doby převodu  na vstup vzorkovač s pamětí nejsou odolné vůči seriovému rušení INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Analogově číslicové převodníky (AČP) Komparační AČP: je rychlejší než kompenzační, měřené napětí UM se v průběhu jednoho taktu porovnává s řadou napěťových úrovní, vytvořených z referenčního napětí UREF na odporovém děliči. Každé úrovni napětí je přiřazen jeden komparátor (paralelní převod) Základní vlastnosti: vyrábějí se 6, 8, 10-ti bitové (pro 8-mi bitový je potřeba 256 komparátorů), pro vícebitové převodníky  vícestupňové (tandemové) uspořádání doba převodu (taktu) 0,5 až 100 ns vzorkovací frekvence stovky MHz až jednotky GHz INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Analogově číslicové převodníky (AČP) Nepřímé AČP: AČP s dvoutaktní integrací: je základním typem integračních AČP, při obvodové jednoduchosti je poměrně přesný. V 1. taktu se po definovanou dobu T1 (danou počtem period vnitřních hodin CLK) nabíjí integrační kondenzátor C konstantním proudem (po přímce) měřeným napětím UM Ve 2. taktu se pomocí opačně orientovaného referenčního napětí UREF vybíjí integrační kondenzátor C (opět konstantním proudem). Doba T2 vybíjení kondenzátoru C (UC = 0) je přímo úměrná průměrné hodnotě měřeného napětí UM během doby T1 Základní vlastnosti: vyrábí se až 18-ti bitový  přesnost převodu 0,0004 % doba převodu asi 100 až 200 ms (jsou pomalé) rozlišovací schopnost asi 0,1 μV velmi odolné vůči seriovému rušení (síťová frekvence a její násobky) jako u všech převodníků požaduje přesné a stabilní referenční napětí UREF INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Analogově číslicové převodníky (AČP) Funkční schéma a princip funkce dvoutaktního AČP INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Typ Rozlišení [bit] Rychlost převodu [Hz] Analogově číslicové převodníky (AČP) V současné době se velice rozšířily A/D převodníky typu sigma-delta. Jádrem tohoto synchronního převodníku je integrátor a komparátor, který generuje sled pulzů, jejichž střední hodnota počtu za určitý interval odpovídá vstupnímu napětí. Střední hodnota se vytváří v číslicovém filtru. Srovnání hlavních parametrů analogově číslicových převodníků: Typ Rozlišení [bit] Rychlost převodu [Hz] Komparační 6 až 10 107 až 3*109 Kompenzační 8 až 16 3*104 až 3*106 Integrační 10 až 18 (27?) 10-1 až 103 Sigma - delta 16 až 24 101 až 105 INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ