Analoginiai skaitmeniniai informacijos keitikliai (ASK)

1. Analoginiaiskaitmeniniai informacijos keitikliai (ASK) doc. Vaidotas Marozas Signalų apdorojimo katedra

2. Paskaitos turinys: • Įvadas • Analoginės informacijos į skaitmeninę keitimo etapai • Įvairių ASK įgyvendinimo principai • ASK parametrai ir charakteristikos • Literatūra

3. U, V t, s Analoginio signalo keitimo į skaitmeninį problema • Skaitmeniniai kompiuteriai informaciją apdoroja dvejetainių skaičių pavidale. • Tačiau iš informacijos šaltinių gaunami signalai apie fizikinius dydžius: temperatūrą, slėgį, įtampą, srovę arba kalbos signalai yra analoginiai (tolydūs), t.y. gali įgyti bet kurią reikšmę užduotame intervale. “Realaus pasaulio” tolydinis signalas “Skaitmeninio pasaulio” signalas

4. Analoginio signalo keitimo į skaitmeninį etapai • Kaip sumažinti “begalinį” informacijos kiekį, kuris yra analoginiame signale tiek, kad jis tilptų į kompiuterio atmintį? • Informacijos kiekis sumažinamas trim etapais: • Diskretizuojant signalą laike (arba išrinkimo operacija) • Kvantuojantsignalo amplitudę • Koduojant

5. Diskretizavimo laike etapas • Signalo diskretizavimas laike- tai signalo momentinių verčių registravimas diskretiniais laiko intervalais T. • Svarbu taupyti vietą kompiuterio atmintyje, todėl reikia naudoti kuo didesnį diskretizavimo periodą ΔT, tačiau tada signalas bus aproksimuojamas netiksliai! • Reikia ieškoti kompromiso... U, V ΔT 4,5 3,4 1,1 t, s

6. Diskretizavimo laike etapas- įgyvendinimas • Diskretizavimą laike atlieka išrinkimo- saugojimo įrenginys(angl. Sample and Hold), kuris gali būti fiziškai atskiras arba integruotas į ASK. Uin Uiš Uin Jungiklio valdymo impulsai Uiš

7. Amplitudės kvantavimo etapas: idealaus ASK perdavimo charakteristika • Kvantavimu vadinamas signaloatskaitos vertės priskyrimas tam tikram įtampos verčių intervalui. Kvantavimo žingsnis: Kvantavimo lygmenys skaičius: Temperatūrinis kodas 01111111 00111111 00011111 00001111 00000111 00000011 00000001 00000000 Eet/4 Eet/2 Eet Uin, V 3Eet/4 Čia N – ASK išėjimo žodžio ilgis bitais, Uet- etaloninio įtampos šaltinio įtampa.

8. Sukvantuotas pagal amplitudę ir diskretizuotas laike signalas Skaitmeninis “temperatūrinis” kodas po kvantavimo Uin, V Amplitudės kvantavimo (apvalinimo) paklaidos Eet 01111111 00111111 00011111 Eet/2 00001111 00000111 00000011 Eet/8 00000001 00000000 t1 t2 t3 t4 t5 tn t, s

9. Kodavimo etapas • Po kvantavimo operacijos gauname “temperatūrinį” kodą. • “Temperatūrinis” kodas- tai kodas kur visiems už signalo vertę mažesniems kvantams priskiriami “1”, o kvantams viršijantiems signalo vertę priskiriami “0”. • “Temperatūrinis” kodas neefektyvus skaitmeninio signalo vertės atvaizdavimo būdas. • Pavyzdžiui, jei galimų kvantų skaičius yra 65536 (ASK bitų skaičius 16), tai vienai signalo atskaitai atmintyje reikia saugoti 65536 nulių ir vienetų.

10. Kodavimo etapas • Saugomos informacijos kiekį galima sumažinti pakeičiant neefektyvų “temperatūrinį” kodą efektyvesniu dvejetainiu: Čia bn – yra ARS bitas, o b0 - ŽRS bitas • Temperatūrinio kodo pakeitimas į dvejetainį atliekamas kodo keitikliu- šifratoriumi.

11. Kvantavimo įrenginio perdavimo charakteristika kai išėjime formuojamas dvejetainis kodas Temperatūrinis kodas Dvejetainis kodas 01111111 111 110 00111111 101 00011111 100 00001111 011 00000111 010 00000011 001 00000001 00000000 000 Uin, V Eet/4 Eet/2 Eet 3Eet/4 1. ASK etaloninė įtampa Eet=5V. Kokį dvejetainį kodą gausime 8 bitų ASK išėjime, jei į įėjimą paduosime 1.2V? 2. Kokia įtampa atitinka šio keitiklio ŽRS?

12. ASK klasifikavimas ir įgyvendinimo principai ASK Tiesioginio keitimo Netiesioginio keitimo Su integratorium Delta / sigma ASK Su grįžtamuoju ryšiu Lygegretaus keitimo ASK Daugialaipsniai, konvejerinis ASK Viengubo integravimo Dvigubo integravimo Su skaitikliais Su registrais ir atmintimi Nuoseklaus skaičiavimo ASK Sekimo ASK Paskiltinio palyginimo ASK

13. Uin Uet. Paprasčiausias 1 bito ASK- komparatorius • Komparatorius- tai įtaisas (dažniausiai operacinis stiprintuvas be grįžtamojo ryšio) skirtas palyginti dvi įtampas. Jo išėjimo įtampa gali įgauti tik dvi reikšmes, kurios priskiriamos loginiam 0 arba loginiam 1. • Loginis 1 gaunamas kai įėjimo įtampa Uin viršija įtampą Usl. Skaitmeninis kodas Uiš Reali perdavimo charakteristika Ideali perdavimo charakteristika U”1” 1 Skaitm. iš. 0 U”0” usl Uin

14. Tiesioginio palyginimo ASK (lygiagretaus keitimo ASK)(angl. flash converter) • Tiesioginio palyginimo ASK yra patys greičiausi (iki 1GHz), tačiau mažiausią skilčių skaičių turintys keitikliai (<10bitų) • K. Kiek komparatorių reikės 10 bitų ASK? • A. 2n-1=210-1=1023 • K. Kiek rezistorių reikės 10 bitų ASK? • A. 2n=1024 • K. Kas riboja šio ASKveikimo greitį? • A. Komparatorių ir kombinacinės logikos veikimo greitis Šifratorius Komparatoriai k=2n-1 Rezistorių matrica r=2n

15. Daugialaipsniai arba konvejeriniai ASK(angl. Subranging arba pipelined) • Lygiagretaus keitimo ASK komparatorių skaičius didinant bitų skaičiui didėja eksponentiškai. Todėl auga grandynui sutalpinti reikalingas plotas, o taip pat sunaudojamos energijos kiekis. Lygiagretaus keitimo ASK bitų skaičius neviršija 8. • Žymiai mažiau komparatorių reikia daugialaipsniuose ASK:

16. Netiesioginio keitimo ASK • Su grįžtamuoju ryšiu

17. Nuoseklaus skaičiavimo ASK (angl. Digital ramp ADC) • Privalumai: • Paprastas įgyvendinimas • Trūkumai: • Veikimo sparta nedidelė ir priklauso nuo įėjimo įtampos pokyčio (keitimo laikas gali siekti 2n taktinio generatoriaus periodų) • ASK tikslumas priklauso nuo SAK tikslumo • Klausimas: Koks bus maksimalus keitimo laikas ASK, turinčio 12 bitų SAK ir veikiančio taktiniu 2 MHz dažniu? Kiek keitimų tada jis gali atlikti per vieną sekundę? SAK Skaitiklis Registras komparatorius

18. Sekimo ASK (angl. Tracking ADC) • Privalumai: • Gerai tinka lėtai kintantiems procesams registruoti • Trūkumai: • Veikiant šuoliniams įėjimo įtampos pokyčiams keitiklis yra inertiškas, (toks pat kaip ir nuoseklaus skaičiavimo keitiklis) • Keitimo sparta priklauso nuo įėjimo įtampos pokyčio Reversinis skaitiklis SAK Aukštyn/ žemyn komparatorius

19. Paskiltinio palyginimo ASK (angl. SAR- succesive approximation register ) • Privalumai: • Greitas (vienai signalo atskaitai pakeisti reikia tiek pat taktų kiek keitiklis turi bitų) • Gan geras skiriamumas bitais (<18) • Trūkumai: • Tikslumas, tiesiškumas ribojami SAK tikslumo • Keitiklio įėjime reikalingas išrinkimo- saugojimo įrenginys Postūmio registras su atmintimi SAK Išėjimo registras komparatorius

20. Paskiltinio palyginimo ASK veikimas Po to nustatoma į “1” jaunesnė po ARS skiltis, (gražinama į ”0”) (nepaliekama) 1100 1010 Įėjimo įtampos lygis SAKišėjimas 1001 1000 Galiausiai nustatoma ŽRS (paliekama) Pirmiausiai nustatoma ARS=1 ir sprendžiama ar palikti ar ne. (paliekama) • Klausimas: Koks bus maksimalus keitimo laikas ASK, turinčio 12 bitų SAK ir veikiančio taktiniu 2 MHz dažniu? Kiek keitimų jis gali atlikti per vieną sekundę?

21. Viengubo integravimo ASK(angl. Slope converter) Trigeris • SAK keitiklį galime pakeisti tiesiškai didėjančios (pjūklinės) analoginės įtampos generatoriumi Keitimo pabaiga Uin ASK išėjimas Pjūklinės įtampos generatorius Dvejetainis skaičius ASK išėjime lygus: Keitimo pradžios signalas taktiniai impulsai n bitų skaitiklis Čia K- pjūklinės įtampos kitimo greitis; Tc- taktinių impulsų periodas. n- keitiklio bitų skaičius.

22. Viengubo integravimo ASK(angl. Slope converter) • Privalumai: • Paprasta schema, nedaug elementų • Trūkumai: • Ilgas ir nepastovus keitimo laikas- proporcingas keičiamai įtampai. • Keitiklio tikslumas priklauso nuo pjūklinės įtampos generatoriaus parametrų, konkrečiai nuo R ir C absoliutinių reikšmių. RC parametrų reikšmes sunku išlaikyti pastovias veikiant įvairiems aplinkos poveikiams (temperatūrai ir tt) • K. Kam bus lygus viengubo integravimo 16 bitų ASK keitimo laikas, kai jo įėjime veikia Eet/2 įtampa, o taktinių impulsų generatoriaus dažnis 2 MHz?

23. Dvigubo integravimo ASK(angl. Dual slope converter) integratorius Uin Komparatorius Eet Valdymo logika Išėjimas n – bitų skaitiklis

24. Dvigubo integravimo ASK(angl. Dual slope converter) • Stadija T1 • Pirmiausiai sujungiamas S1 • Sujungus S1 prie integratoriaus įėjimo prijungiamas nežinoma matuojama įtampa Uin; • Nežinomos įtampos Uin integravimas vyksta tol kol pilnai užsipildo skaitiklis, tam sugaištamas žinomas laikas T1=2n*Tc • Integratoriaus išėjime susiformavusi įtampa Uint.iš lygi įėjimo įtampos vidutinei reikšmei laiko intervale T1. • Stadija T2 • Persipildęs skaitiklis atjungia S1, sujungia S2. • Sujungus S2 prie integratoriaus įėjimo prijungiamas žinomos įtampos šaltinis Eet • Integratoriaus išėjime įtampa mažėja ir skaitiklis iš naujo skaičiuoja impulsus iki tol kol suveikia komparatorius. • Skaitiklio išėjimuose esantis dvejetainis kodas atitinka matuojamą įtampą.

25. Dvigubo integravimo ASK(angl. Dual slope converter) • Privalumai: • Keitiklio tikslumas nepriklauso nuo integratoriaus RC parametrų • Plačiai naudojamas, nes pasiekiamas l. geras skiriamumas bitais (<=20 bitų) • Geri integralinio ir diferencialinio tiesiškumo parametrai • Trūkumai: • Kintantis ir ilgas keitimo laikas. • K. Kokio dažnio taktinius impulsus reikėtų paduoti į ASK norint pasiekti “CD kokybę” (16 bitų skiriamumą ir 44kHz keitimo spartą)?

26. Delta - sigma ASK (angl. ΔΣ ADC) Moduliatorius Integratorius Sumatorius Skaitmeninis filtras Integratorius Sumatorius

27. Signalų oscilogramos trigerio ir integratoriaus išėjimuose ASK įėjime 0 voltų ASK įėjime maža neigiama įtampa ASK įėjime didelė neigiama įtampa

28. Delta- Sigma ASK (angl. delta –sigma arba ΣΔ converter) • Delta- sigma keitiklio modelis SIMULINKE

29. Delta- Sigma ASK (angl. delta –sigma arba ΣΔ converter)

30. Delta sigma ASK privalumai ir trūkumai • Mažas veikimo greitis <1MHz  • Didelis vėlinimo laikas, todėl sunku panaudoti sistemose su multipleksoriumi  • Galima pasiekti didelį skiriamumą bitais iki 24 bitų!  • Jų perdavimo charakteristika yra tiesiška  • Jų įėjime užtenka paprasto ŽD filtro aukšto dažnio signalo dedamųjų filtravimui  • Didelė keitiklio elementų dalis skaitmeninė, todėl jų savybės nekinta laike ir nuo temperatūros  • Galima pritaikyti skaitmeninių elementų gamybos technologiją, todėl pigi gamyba 

31. Įvairių ASK technologijų palyginimas pagal keitimo spartą ir skiriamumą bitais

32. Idealių ASK charakteristikos ir parametrai • Idealūs ASK keitikliai apibūdinami šiais parametrais: • Skiriamumu, t.y. bitų (arba skilčių) skaičiumi; • Įėjimo įtampos diapazonu. • Idealūs ASK keitikliai pasižymi paklaidomis: • Kvantavimo paklaidomis • Signalo iškraipymais dėl per mažo diskretizavimo dažnio.

33. Idealaus ASK įėjimo įtampos diapazonas • Įėjimo įtampos diapazonas- tai galimų didžiausios ir mažiausios įtampų skirtumas. • Mažesnė įtampa įėjime (<Uin min) ir didesnė įtampa įėjime (>Uin max) nesugadins ASK, tačiau nebus teisingai pakeistos į jas atitinkantį skaitmeninį kodą. • Klausimas: Koks dvejetainis kodas bus gautas idealaus keitiklio išėjime jei keitiklis yra 8 bitų, jo dinaminis diapazonas -5V +5V , o į įėjimą paduota 0V?

34. Vienpoliariai ir dvipoliariai ASK • Į vienpoliarius ASK gali būti paduota įtampa kintanti ribose nuo 0 iki Eet • Į dvipoliarius ASK gali būti paduota įtampa kintanti ribose nuo -Eet iki +Eet(arba –Eet/2 iki +Eet/2) 1111 1110 011 010 1000 001 Uin 000 Uin 0001 0000

35. Kvantavimo paklaida ŽRS Išėjimo dvejetainis kodas 111 110 101 100 011 010 001 000 Eet/4 Eet/2 Eet 3Eet/4 Uin, V 0,5 žRS Paklaida Uin, V -0,5 ŽRS

36. Idealus ASK pasižymi kvantavimo paklaida • Raudoni intervalai žymi kvantavimo paklaidą, kuri buvo gauta apvalinant į mažesniąją pusę, o mėlyni intervalai žymi signalo kvantavimo paklaidas gautas apvalinant į didesniąją pusę. U Dvejetainis kodas 111 110 101 100 011 010 001 000 t1 t2 t3 t4 t5 tn t, s

37. Idealus ASK iškraipo signalą dėl per mažo diskretizavimo dažnio Skaitmeninis signalas- raudoni kvadratukai Analoginis signalas- žalia linija: Diskretinių signalų dažnis visuose paveiksluose vienodas, nors analoginių signalų dažniai skiriasi.

38. Spektrų persidengimo iškraipymai (angl. Aliasing) • Signalai, kurių dažnis lygus: Čia fa- tolydinio signalo dažnis fd- tolydinio signalo diskretizavimo dažnis n=1,2,3,… sveikas skaičius Diskretinio laiko srityje neatskiriami!

39. Spektrų persidengimo iškraipymai (angl. Aliasing) • Signalų iškraipymai atsiradę dėl diskretizavimo negali būti sumažinti kokiais nors signalų apdorojimo metodais ir vadinami spektrų persidengimu (angl. aliasing). • Norint išvengti spektrų persidengimo iškraipymų turi būti tenkinama Nykvist’o teorema: analoginio signalo aukščiausio dažnio dedamosios dažnis turi neviršyti 0,5 diskretizavimo dažnio.

40. Spektro persidengimo iškraipymų susidarymas

41. Signalų spektro iškraipymų dėl diskretizavimo interpretacija dažnių srityje. f -fm fm Analoginio signalo spektras Originalusspektras Kartotinis spektras -fm 2fm fm -2fm Diskretizavimo dažnis Skaitmeninio signalo spektras Kaip išvengti spektrų persidengimo iškraipymų?

42. Spektrų persidengimą pašalinantis filtras(Anti-aliasing filter) Analoginio signalo spektras 1 pav f -fm fm * Filtro dažninė charakteristika 2 pav. f -fm fm = Rezultatas 3 pav. f fm -fm

43. Realaus keitiklio paklaidos

44. Keitimo paklaidos atsiradusios dėl keitiklį sudarančių elektroninių elementų netobulumo • Kvantavimo įrenginio perdavimo funkcijos paklaidos: • Mąstelio paklaida (gain error) • Nulio nustatymo paklaida – adityvinė p. (offset error) • Perdavimo funkcijos netiesiškumo paklaidos: • Integralinė • Diferencialinė • Prarastų kodų paklaidos • Nemonotoniškumo paklaidos

45. Nulio nustatymo paklaida Nulio nustatymo paklaida

46. Mąstelio paklaida Mąstelio paklaida

47. Diferencialinis perdavimo funkcijos netiesiškumas(angl. DNL) DNL - tai kodinės skilties reikšmės (laiptelio pločio) deviacija nuo idealaus ASK žemiausios reikšminės skilties reikšmės. Idealaus ASK perdavimo charakteristika (raudona) Realaus ASK perdavimo charakteristika (mėlyna)

48. Integralinis ASK statinės perdavimo funkcijos netiesiškumas (angl. INL) INL – tai didžiausia deviacija (išreikšta ŽRS vienetais) nuo tiesios linijos jungiančios ASK perdavimo charakteristikos pradžią ir pabaigą.

49. ASK gamintojų specifikacijų pavyzdžiai

50. Literatūra • ASK gamintojų puslapiai internete: • Analog devices Inc. www.analog.com • Texas Instruments Inc. www.ti.com • Maxim Inc. www.maxim-ic.com • Linear Inc. www.linear.com