A/Č převodníky v multifunkčních deskách

A/Č převodníky v multifunkčních deskách

T_a . doba odebrání vzorku (zpozdění zápisu komparátorů do paměti); nejistota - jistota; n-bitový převodník 2ⁿ - 1 komparátorů; vzorkovací kmitočet f_s > 100 Mhz; uzití Grayova kódu - odstraňuje vznik souběhových hazardů; sdílení času (pipe-line) - současná komparace, dekódování předeslého vz 121p1524b orku; odpadá vzorkovací obvod (pro vysoké kmitočty se téz obtízně realizuje)

Aproximační A/Č převodníky

n + 1 takt (1. takt - nulování aproximač. registru); EOC . potvrdí platnost číslicového signálu; f_s < 1 Mhz; n = 8 - 16 bitů; univerzální převodník, siroké pouzití

Integrační A/Č převodníky

s jednotaktní integrací

přesnost: určena přesností integrátoru RC a f_g; nelze dosáhnout stability - pouzívá se málo

s dvoutaktní integrací

T₁ . konstantní doba integrace U_a; T₂ . integrace U_R, U_R - opačná polarita; N₁ . kapacita čítače; N₂ . stav čítače úměrný U_a

,

přesnost není ovlivněna RC integrátoru ani f_g generátoru; stabilita pouze stabilitou referenčního napětí

provádí se: třítaktní integrace; čtyřtaktní integrace - odstraňuje aditivní chyby integrátoru

Potlačení sériového rusení integračními převodníky

U_i(t) = U_a + U_n . cos(2pf_nt + j ; U_a . měřené napětí; U_n cos(2pf_nt + j) . rusivé napětí, T_n = 1/f_n

střední hodnota - integr. doba T_i

hodnota rusivé slozky je nulová pro: T_i/T_n = 1, 2, .;

činitel potlačení sériového rusení SMRR:

j = -

Proto volíme T_i = k . T_n

Sigma - delta ( D) převodníky

Základní koncepce: převzorkování (oversampling); tvarování sumu (noise shaping); číslicová filtrace; decimace (decimation)

Blokové schéma:

analogový filtr H(f) - komparátor NK; D klopný obvod; záporná zpětná vazba s přepínačem (1 bit ČAP)

přidání signálu AC (dither): střední hodnota vel. počtu vzorků: N N+1; zjistěna s větsí rozlisovací schopností

Převzorkování K_x

Kvantizační sum: rovnoměrné rozlození amplitud ve frekvenčním pásmu (bílý sum); ČF odfiltruje signály v pásmu f_s/2 k. f_s/2, dojde ke snízení výkonu kvantizačního sumu a tím zvýsení efektivních bitů n_ef :

převzorkování poměrem U_r pro zvýsení SNR o 6 dB (1 bit)

Po číslicové filtraci mohou být data redukována decimací - vypoustěním vzorků dat

integrátor

pak f y x f >> 0

Digitální filtrace: hřebenový filtr (SNR 72 dB, skupinové zpozdění ms); FIR filtr z 255 taps (SNR 96 dB, skupinové zpozdění 300 ms)  t_g w) = -

Sumárně: vnitřní linearita (1 bit ADC .); vysoké rozlisení (16 24 bitů); není třeba SHA; injekce náboje na vstupu - problémy; limitace f_s; analog. přepínače - limituje vnitřní doba ustálení - jeden převodník na kanál

Kódování A/Č převodníků

Unipolární 00000000 = OV; 11111111= +FS - 1LSB

Pouzívá se větsinou přímý binární kód

přepočet: čtená hodnota - a U_vst.

F.S . napětí odpovídající plnému rozsahu

Bipolární  00000000=0V; 01111111= +FS - 1LSB; 10000000=-FS;11111111=0-1LSB

Pouzívá se dvojitý doplněk (méně vypodlozený binární kód) F.S = (U₊ - U_-)

,

Pozn.: offset binary 

Pozor: Je-li před A/Č převodníkem programovatelný zesilovač (PGA) napětí, je potřeba vstupní napětí vydělit zesílením PGA.; Q . kvantum napětí

Chyby A/Č převodníků

Q = 2^-n.F.S

e_q = 2^-n

Kvantovací sum (rozptyl kvantování):

. výkon střídavé slozky signálu

Odstup signál sum - SNR (signal to noise ratio)

je poměr výkonu signálu k výkonu sumu (výkon = ef. hodnota²)

efektivní rozlisitelnost převodníku:

Pozn.: ve starsí literatuře uváděno , tj. poměr sum signál ku efektivní hodnotě sumu.

Dynamický rozsah:

DR = 20log 2ⁿ = 6,02.n dB (rozlisení v dB)

Statické chyby A/Č převodníku: chyba rozvázení (offset error) e ; chyba zesílení (gain error) e_g; teplotní chyby; snízí (odstraní) se kalibrací

Chyby převodní funkce

diferenciální nelinearita; DNL_j = Q_j - Q ; rozdíl sířky kroku ideálního a skutečného převodu v jednotlivých stupnívh)

integrální nelinearita (rozdíl středů kvant. úrovní ideálního a skutečného převodníku)

relativní přesnost je maximum odchylky v průběhu celého převodu

chybějící kód (missing code) je-li DNL > - (+) 1LSB; výrazné snízení n_ef

Pozn.: e e_r lze korigovat zařazením dvou kalibračních cyklů a hodnoty čtení korigovat zjistěnou konstantou.

vstup uzemněn  D₀ = k.U₀; D . čtený údaj

vstup U_Refer.; D_R = k(U_R + U₀); čtená hodnota U_x; D_x = k(U_x + U₀)

Dynamické chyby A/Č převodníků: zkreslení signálu; intermodulační zkreslení; zkreslení vlivem kapacitních vazeb; vliv doby ustálení; zkreslení je závislé na frekvenci

vyjádření:  THD (total harmonic distortion) - úplné harmonické zkreslení

. poměr celk. ef. hodnoty harmonických ku základní harmonické

Počet efektivních bitů n_ef

;

Zjistění efektivní chyby

metoda nejlépe prolozené sinusovky

N . počet měř. bodů

x_k . měř. vzorky sinusovky s minimálním zkreslením, vybraný generátor

A, C, P, w . amplituda, offset, fáze, frekvence nejlépe proloz. sinusovky

SNDR - Signal noise and distortion ratio (uváděno v literatuře)

SNDR = 6,02 . n_ef + 1,76 dB

IMD intermodulační zkreslení

Vyuzití ditheringu

při umoznění dither se přidá ~ 0,5 LSB Gaussova sumu k měřenému signálu - před vstupem do ADC.

vyuzití: DC měření, kalibrace, periodické signály

nevhodné: pro rychlé průběhy jednorázové, FFT aj.

Charakteristiky multifunkční desky

Analogový vstup: počet kanálů; rozlisovací schopnost; maximální frekvence vzorkování; zesílení a rozsahy (bipol., unipolar); vstupní předpětí (při on a off); způsob přenosu dat (prog. I/O, INT, DMA); velikost FIFO; velikost paměti channel - gain;

Přenosové charakteristiky: relativní přesnost; DNL ( 0,5 LSB typ, 1 LSB max); nechybějící kódy; chyba rozvázení (před a po kalibraci); chyba zesílení

Charakteristiky zesilovače: vstupní impedance; vstupní klidový proud; vstupní proud rozvázení (offset); CMMR (95 - 105 dB)

Dynamika: přenosové pásmo; doba ustálení pro 0,5 LSB, 1 LSB; systémový sum s kvantizací (0,29 LSB), bez kvantizace (rms)

Stabilita: teplotní koeficient zesílení (mV/ C); teplotní koeficient rozvázení (ppm/ C)

Analogový výstup: počet kanálů; rozlisovací schopnost; max. frekvence; velikost FIFO; způsob přenosu dat

Přenosové charakteristiky: relativní přesnost; DNL ; chyba rozvázení; chyba zesílení

Výstupní napětí; Dynamika: doba ustálení; Sum; Stabilita; Číslicový I/O

Spoustění: zdroje; úroveň; slope (pozitivní, negativní); rozlisovací schopnost; hystereze; RTSI