Elektronika
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 35

Elektronika PowerPoint PPT Presentation


  • 83 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

Elektronika. A/D és D/A átalakítók. Bevezetés. A természetben előforduló jelek döntően analóg jelek Feldolgozásuk: Analóg Digitális módon Digitális módon történő jelfeldolgozás főbb lépései: Jelszint illesztés (jelkondicionálás) Átalakítás Külső zavarok kiszűrése erősítés előtt

Download Presentation

Elektronika

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Elektronika

Elektronika

A/D és D/A átalakítók


Bevezet s

Bevezetés

  • A természetben előforduló jelek döntően analóg jelek

  • Feldolgozásuk:

    • Analóg

    • Digitális módon

  • Digitális módon történő jelfeldolgozás főbb lépései:

    • Jelszint illesztés (jelkondicionálás)

    • Átalakítás

  • Külső zavarok kiszűrése erősítés előtt

  • A zavar a jel által hordozott információt károsítja

  • Jel / zaj arány (S/N):

  • A digitális jelet valamilyen csonkításos eljárással nyerjük, amely az analóg jelhez képest kevesebb információt hordoz.

  • A csonkítás hatása különböző matematikai eljárásokkal csökkenthető


A d talak t s hat sv zlata

A/D átalakítás hatásvázlata


Anti aliasing sz r

Anti-aliasing szűrő

  • Feladata, hogy a jelre szuperponálódott, de attól szűréssel szétszeparálható zaj, zavar komponenseket kiszűrje és ezáltal a szükséges mintavételezési frekvencia csökkenhessen. Az antialiasing szűrők nagy meredekségű, magas rendszámú/fokszámú aluláteresztő szűrők (gyakran kapcsolt kapacitású szűrők). Az anti-aliasing szűrő alkalmazása opcionális, alkalmazhatósága pedig a mindenkori jeltől függ.


Sample hold

Sample & Hold

  • A mintavevő-tartó (Sample & Hold) áramkörök a jelből meghatározott gyakorisággal mintát vesznek és azt megőrzik a következő mintavételig. A tárolt minta analóg, ezért fontos, hogy értékvesztés ne léphessen fel. A mintavételezés frekvenciájára a mintavételezési törvény, a Nyquist-tétel ad előírást.


Kvant l

Kvantáló

  • A kvantáló áramkör a folytonos értéktartományt alakítja véges értékkészletűvé. Ez előfeltétele annak, hogy véges halmazú digitális kódok alkalmazásával a mintát ábrázolni tudjuk.


K dol

Kódoló

  • A kódoló áramkör minden egyes kvantálási lépcsőhöz egyedi azonosítót rendel hozzá. Ez teszi lehetővé, hogy az analóg minta digitálisan ábrázolható legyen.


D a talak t s hat sv zlata

D/A átalakítás hatásvázlata


D a talak t

D/A átalakító

  • A D/A átalakító a digitális jelet egy lépcsős analóg jellé konvertálja. A jel jelentős felharmonikus tartalommal rendelkezik.

  • Az aluláteresztő szűrő feladata az átalakító kimeneti jeléből az alapharmonikuskiszűrése az analóg jel helyreállítására a Shannon-szabály szerint.

  • A sinx/x korrelátor a véges mintavételező impulzus miatti amplitúdó hibát korrigálja. Ez a hiba különösen jelentős, ha a mintavételezett jel maximális frekvencia komponense közel van a mintavételi frekvencia feléhez. A korrelátor elhagyható, ha a mintavételezés nem a Nyquist-tételben meghatározott minimális mintavételező frekvenciával, hanem annál jelentősen nagyobb frekvenciával történik, mert ilyenkor a fenti hiba nem jelentős.


Mintav telez s

Mintavételezés

  • Elméletben a mintavételezés Dirac-delta impulzussal

  • Gyakorlatban véges szélességű impulzus

  • Időben egyenletes mintavételezés matematikai leírása:

    • A mintavevő jel időfüggvénye:

    • A mintavevő jel periodikus, így Fourier-sorba fejthető:

    • Az ƒΩTa mintavételi frekvencia normalizált érteke (szokásos elnevezése: digitális frekvencia)

    • Cn a komplex Fourier-sor együtthatója


Mintav telez s1

Mintavételezés

  • A mintavett jel időfüggvénye:

  • x(t) az analóg jel időfüggvénye, x(nT) az nT időpillanatban felvett értéke (rövidítve x(n)).

  • A mintavett jel spektruma:

  • Az XA az alapsávi jel (a mintavett analóg jel) spektruma.

  • Az átalakításnál felhasználjuk Fourier-eltolási tételt, amely szerint az időtartományban ejΩTtszorzás frekvencia tartományban ΩT-veltörténő eltolásnak felel meg.

  • a mintavételezés után a kimeneti jel spektruma a mintavételezési frekvenciák körül végtelen számban ismétlődik, azaz a kimeneti jel frekvencia tartományban periodikus lesz.


Mintavett jel spektruma

Mintavett jel spektruma

  • Tételezzünk fel egy háromszög alakú alapsávi spektrumot:


Mintav telez s2

Mintavételezés

  • Amennyiben a mintavételezés egy valóságos jellel történik, a kimeneti amplitúdó egy sinx/x alakú amplitúdó hibát szenved el, amelynek mértéke a frekvenciával nő. Ez a hiba két úton is csökkenthető:

    • A mintavételezés nem 2fc frekvenciával, hanem annál nagyobb 4..10fc frekvenciával történik. Ez jelentős minta felesleget okoz, de egyéb beavatkozást nem igényel.

    • A mintavételezés a minimális szükséges mintavételi frekvenciával történik, azonban az amplitúdót sinx/x függvénynek megfelelően erősítjük, így kompenzálva az amplitúdó hibát (sinx/x korrelátor).


Nyquist t tel

Nyquist-tétel:

  • A mintavételezés frekvenciájának (fT) legalább kétszer nagyobb frekvenciának kell lennie, mint a mintavett jel legmagasabb frekvenciájú komponensének frekvenciája (fc).

  • Ez az összefüggés azonban csak Dirac-deltával történő mintavételezésre áll fenn, ha véges impulzusszélességű jellel mintavételezünk, akkor ennél nagyobb arányt kell választanunk a mintavételezéskor fellépő amplitúdó hiba csökkentésére.

  • Amennyiben a mintavételezés a Nyquist-frekvenciánál kisebb frekvenciával történne, akkor átlapolódás következne be:


Shannon kotelnikov t tel

Shannon-Kotelnikov tétel:

  • A mintavételezési szabály szerint mintavett jelből az analóg jel torzításmentesen visszaállítható.

  • A g(t) az ideális interpolációs függvény.

  • A valóságban a jel visszaállítása egy aluláteresztő szűrővel történik.

  • A gyakorlatban ideális szűrő nem valósítható meg, ezért a visszaállított jel hibát tartalmaz, amely korrigálható, pl. sinx/x korrelátorral.


K vet tart ramk r s h

Követő-tartó áramkör (S&H)

  • A mintavett jel tartása a következő minta beérkeztéig.

  • A feladat megoldására különböző rendű tartóáramköröket alkalmaznak.

  • Elsőrendű tartókat D/A kimeneteknél a lépcsős jel simítására és 0.-rendű tartókat a mintavett jel tartására a bemeneten.


K vet ramk r k hib i

Követő áramkörök hibái

  • Apertura hiba: a követésből a tartásba átkapcsoláshoz szükséges idő.

  • Aperturajitter: az apertura idő bizonytalansága.

  • Áthatás: a tartás ideje alatt megváltozott jelből a nem ideális kapcsoló miatt a kimenetre jutó jel.

  • Tartási hiba: a kimeneti jel változása tartási idő alatt.


Kvant l s

Kvantálás

  • A kvantálás fizikailag a jel végtelen értékkészletű értéktartományának bekorlátozását jelenti véges értéktartományba.

  • Két kvantálási szint közötti különbséget kvantálási lépcsőnek nevezünk (q).

  • A kvantálási lépcső finomsága meghatározza az átalakító felbontását.

  • Kvantálási lépcső:

  • A teljes kvantálási jeltartományt FS-vel (fullscale).

  • „b” a természetes binárisan kódolt kvantálási szintek ábrázolásához szükséges bitek száma.


Transzfer f ggv nyek

Transzfer függvények

  • A) Előjelbites számábrázolás esetén:

  • B) Eltolt bináris, kettes-komplemens kódolás esetén:


K drendszerek

Kódrendszerek

  • Az előjel bites esetén az első bit jelzi a ± értékeket (0-pozitív,1-negatív), a további bitek a természetes bináris kódnak felelnek meg. („A” karakterisztika)

  • A kettes komplemens különösen előnyös, ha további matematikai műveleteket végeznek a jelen, mivel ez az ábrázolás megegyezik a szokásos számábrázolással mikroszámító-gépeken. („B” karakterisztika)

  • Az egyes komplemens két nulla szintet eredményez, ami a visszaállítást megnehezíti. („A” karakterisztika)

  • Az eltolt bináris (ofszet bináris) kód, amely úgy épül fel, hogy a teljes tartományt (FS) egy folyamatosan binárisan változó kóddal fedi le úgy, hogy ha az első bit nulla akkor az negatív érték, ha 1 akkor az pozitív érték. Így a kódtáblázat közepén van a nulla érték (nincs két nulla, de aszimmetrikus a kódtáblázat egy fél kvantálási lépcsővel, bár ez csökkenthető, ha a kerekítéses kvantálási szabályt használjuk). („B” karakterisztika)


Talak t k pontoss ga s hib i

Átalakítók pontossága és hibái

  • Ofszet hiba:

  • Erősítési hiba:


Talak t k pontoss ga s hib i1

Átalakítók pontossága és hibái

  • Linearitási hiba:

  • Monotonitási hiba:

  • Hőmérsékleti hiba (TC) a paraméterek változása a hőmérséklet függvényében.


Ered statikus hiba

Eredő statikus hiba

  • A hibák egy időben jelentkeznek, ezért a statikus hibára –a műszereknél megszokott módon- egy teljes skálára (FS-re) vonatkoztatott hiba százalékot és a kis kvantálási lépcsők miatt bitekben kifejezett hiba-tartományt szokás megadni.


Dinamikus hib k

Dinamikus hibák

  • D/A átalakítók kapcsolási hibái:

  • Konverziós átalakítási idő:

    • A/D esetén a bemenetre kerülő jelből a digitális kód megjelenéséig (átalakítási idő),

    • D/A esetén a bemenetre adott digitális kód alapján a kimeneti feszültség megjelenéséig szükséges idő.


D a talak t k

D/A átalakítók

  • Feladata a digitális jel analóg jellé alakítása.

  • A digitális jelek lehetnek sorosak vagy párhuzamosak.

  • Kimeneteik általában 0. rendű tartó áramköröket tartalmaznak, melyeknél két digitális kódnak megfelelő analóg jel között tartjuk az előző kimeneti értéket.

  • Léteznek elsőfokú integráló, illetve interpolációs szűrővel ellátott kimenetű átalakítók is, amelyeknél két minta közötti feszültségváltozás valamilyen eljárással kerül kialakításra (pl. lineáris interpoláció, vagy görbe szerinti interpoláció, stb.).


S lyozott ramok m dszere

Súlyozott áramok módszere

  • Az áramkör működése azon alapul, hogy kettő hatványai szerint súlyozott áramgenerátorokat a kódnak megfelelően kapcsolnak (vagy nem kapcsolnak) egy áramösszegző kapcsolásra.


Az talak t hib i

Az átalakító hibái

  • A kimeneti feszültség rendszeres hibával rendelkezik, amely megegyezik az LSB bit által a kimeneti feszültségben okozott jelváltozással. Elméletileg, ha minden bit 1, akkor a kimeneti feszültségnek UREFértékűnek kellene lennie. Az eltérés (hiba):

  • Az ellenállásokat nagyon széles skálán kell gyártani nagy pontossággal, ami különleges gyártási előírásokat jelent, de még így is bekorlátozza a maximális kódhosszt.


L trah l zatos talak t

Létrahálózatos átalakító

  • A létrahálózatos átalakítók kivédik az előző kapcsolás legnagyobb hátrányát a széles skálán nagy pontossággal gyártandó ellenállások szükségességét. A működés azon az elven alapul, hogy tetszőleges hosszúságú létrahálózat hozható létre úgy, hogy bármely csomópontján felvágva a kapcsolást a mögöttes ellenállás értéke mindig ugyanannyi.


K zvetlen teljesen dek dolt talak t

Közvetlen / teljesen dekódolt átalakító

  • Nagysebességű flash átalakítók.

  • A digitális kódnak megfelelő érték egy lépésben jelenik meg az átalakító kimenetén.

  • Kapcsolók száma: 2n-1


A d talak t k adc

A/D átalakítók (ADC)

  • Számláló típusú átalakító:

    • Kompenzációs elven működik

    • Monoton növekvő feszültség D/A segítségével (számláló állítja elő)

    • EOC kimenet jelzi, ha a lépcsős feszültség nagyobb, mint Ube

    • Lassú konverziós idő, amely a bementi feszültség nagyságától függ

    • T = oszcillátor periódus idő

    • n = bitek száma

    • tkonvmax= 2n*T


Szukcessz v approxim ci s adc

Szukcesszív approximációs ADC

  • Szorzatos közelítés

  • tkonvmax= n*T

  • Népszerű, általános felhasználású áramkör


K zvetlen talak t

Közvetlen átalakító

  • Nagyszámú komparátor és döntési logika

  • Komparátorok száma = 2n-1

  • A döntési logika egy prioritás dekóder

  • Az összes konverzió egy időben megy végbe

  • Tipikusan MHz tartományban használatos

  • Bonyolult felépítésű


Kett s meredeks g adc

Kettős meredekségű ADC

  • Kétszeres integráló átalakító

  • Lassú átalakításoknál, ahol a hálózati zavarhatások csökkentése a fontos


Speci lis talak t k

Speciális átalakítók

  • A klasszikus A/D és D/A precíz kialakítást igényel

  • A Nyquist-frekvencia közelében mintavételeznek

  • Az áramkör jelentős része analóg, vagy mintavett analóg jellel dolgozik

  • A döntően digitális jellel dolgozó áramkör pl. a szigma-delta átalakító

  • Jelentősen a Nyquist-frekvencia fölött dolgozik

  • Jelentős előny a zajcsökkentésben


Szigma delta adc

Szigma-delta ADC

  • 1-bites kvantáló áramkör


  • Login