Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století
Analogově digitální převodník OB21-OP-EL-CT-JANC-M-3-014
Analogově digitální převodník Analogově digitální převodník převádí spojitý analogový signál na posloupnost čísel (digitálních údajů). Obvykle na číslo převádí vstupní napětí. Vlastní převod analogového signálu probíhá ve třech krocích: vzorkování kvantování kódování
Analogově digitální převodník Vzorkováním rozumíme vyměření časových okamžiků odečtu analogové veličiny. Obvykle probíhá v pravidelných intervalech se vzorkovacím kmitočtem fs. Abychom mohli snímaný signál potom věrně reprodukovat, platí podmínka časové kvantizace pro vzorkovací kmitočet, tzv. Shanon – Kotelníkův teorém: kde fx max je maximální frekvence vzorkovaného signálu
Analogově digitální převodník Kvantováním rozumíme přiřazení diskretních hodnot jednotlivým vzorkům. Nejčastěji se používá lineární kvantizace. Kvantizační krok udává rozlišovací schopnost AD převodníku. Je to rozdíl dvou sousedních kvantizačních úrovní.
Analogově digitální převodník Kvantizační chyba je chyba způsobená diskretními úrovněmi signálu. Jde o maximální nepřesnost (rozdíl mezi požadovanou a nastavenou hodnotou výstupního signálu), která je dána polovinou přírustku analogového signálu, odpovídající nejnižšímu bitu datového slova (LSB).
Analogově digitální převodník Ideální konverze analogového signálu na digitální
Analogově digitální převodník Kódováním rozumíme proces přiřazení určitého číselného kódu kvantifikovanému vzorku signálu. Věrnost signálu při rekonstrukci závisí na počtu sejmutých vzorků během periody vzorkovaného signálu. Čím je tento počet vzorků větší, tím věrnější signál dokážeme potom zrekonstruovat.
Analogově digitální převodník Je třeba dát pozor na tzv. zakrytí původního signálu, aby nedocházelo při rekonstrukci k chybným průběhům. Proto je potřebné pečlivé zvážení vzorkovací frekvence AD převodníku.
Analogově digitální převodník Kvalita vzorkování a počet sejmutých vzorků během jedné periody vzorkovaného převáděného signálu má tedy velký vliv na rekonstrukci signálu v DA převodníku. Příklady kvality vzorkování na výsledný rekonstruovaný signál v D/A převodníku
Analogově digitální převodník Analogově digitální převodníky rozlišujeme: paralelní (rychlé, drahé, nízké rozlišení) integrační (přesné, nízký šum) vícekrokový, s postupnou aproximací (střední frekvence vzorkování, vysoké rozlišení, levné)
Paralelní AD převodník V takovém převodníku se převáděné napětí přivádí současně (paralelně) na řadu analogových komparátorů.
Paralelní AD převodník V jednotlivých komparátorech se převáděné napětí porovnává s porovnávacím napětím Up odlišné hodnoty. Tato porovnávací napětí jsou z referenčního napětí Ur odvozena děličem s rezistory o stejném odporu. Každý komparátor vydává na svém výstupu logický signál o výsledku porovnání: signál 0 při Ux > Up a signál 1 při Ux ≤ Up. Soubor signálů všech komparátorů vyjadřuje velikost převáděného napětí v Johnsonově kódu. Měnič kódu zařazený za komparátory poskytuje vyjádření velikosti převáděného napětí v přirozeném binárním kódu
Paralelní AD převodník Paralelní AD převodník se vyznačuje následujícími vlastnostmi: n bitový převodník obsahuje 2n-1 komparátorů vyrábějí se jako integrované obvody pro 4-10 bitů mají rozsahové omezení, vyšší cenu, nižší rozlišovací schopnost používají se v rychlých měřících přístrojích a digitálních osciloskopech
AD převodník s postupnou aproximací V zájmu dosažení co nejkratší doby převodu při požadované rozlišovací schopnosti se používá metoda postupné aproximace. Začíná se s největší změnou kompenzačního napětí a končí s nejmenší změnou tak, aby se kompenzační napětí co nejrychleji blížilo převáděnému napětí. Při této tzv. metodě postupné aproximace je hodnota převáděného napětí vyjádřena přirozeným binárním číslem, které se v průběhu převodu určuje bit po bitu počínaje nejvyšším bitem a konče nejnižším bitem. Jako registr SAR se používá posuvný n bitový registr.
AD převodník s postupnou aproximací Osmibitový převodník s postupnou aproximací
AD převodník s postupnou aproximací Na začátku je registr nastaven na 1000 0000. Výstup DAC je porovnáván s hodnotou vstupního analogového signálu a výsledek porovnání se zapíše na první bit (X). Výstupním signálem komparátoru vyjadřujícím výsledek porovnání se v registru na místě nejvyššího bitu buď jednička ponechá (při uk ≤ Ux) nebo se nahradí nulou (při uk > Ux). Tím je určena hodnota nejvyššího bitu binárního vyjádření hodnoty Ux .
AD převodník s postupnou aproximací Ve druhém kroku je registr nastaven na X100 0000 a výstup DAC převodníku je opět porovnáván se vstupním analogovým signálem. Výsledek se zapíše do druhého bitu (XX). Ve třetím kroku je regitr postupné aproximace nastaven na hodnotu XX10 0000 a jeho výstup je přes DAC opět porovnáván se vstupním signálem a je získána hodnota dalšího bitu. Celý tento cyklus se opakuje n krát a tak je získáno n bitové číslo odpovídající hodnotě vstupního napětí převodníku. Pro osmibitový převodník trvá tedy převod 8 kroků. Správný chod převodníku vyžaduje, aby se převáděné napětí během převodu neměnilo.
AD převodník s postupnou aproximací Převodníky s postupnou aproximací jsou k dispozici v integrovaném provedení. Na vstup převodníku se přivádí buď napětí jen jedné polarity (např. 0 až 10 V) a výstupní číslo je v binárním unipolárním kódu nebo obojí polarity (např. ±5 V) a výstupní číslo je v binárním bipolárním kódu s posunutím popř. s doplňkem. Převodníky s postupnou aproximací se využívají pro rychlý sběr dat a v audiotechnice.
Integrační AD převodník Jako integrační převodníky se používají AD převodníky s jednoduchou anebo dvojitou integrací. Základem těchto převodníků je nabíjení a vybíjení kondenzátoru napětím neznámé velikosti. U metody s jednoduchou integrací měříme čas nabíjení kondenzátoru, u metody s dvojitou integrací měříme čas vybíjení kondenzátoru.
Děkuji za pozornost Ing. Ladislav Jančařík
Literatura Konstrukční katalog polovodičových součástek TESLA, logické integrované obvody, TESLA Rožnov pod Radhoštěm 1982 J. Bernard, J. Hugon, R. Le Corvec: Od logických obvodů k mikroprocesorům I