Wykład nr 12

Liniowe układy scalone
Przetwarzanie A/C, C/A
część 2
Dlaczego przetwarzanie cyfrowe?
●
●
●
●
Łatwiej – gromadzenie, przesyłanie, obróbka i
odczyt danych w postaci analogowej jest
znacznie mniej dogodny niż w cyfrowej
Dokładniej – w układach analogowych każdy
stopień układu lub każdy element większego
systemu wnosi swój udział do błędu pomiaru,
w technice cyfrowej o dokładności
przetwarzania decyduje jedynie długość słowa
Duża odporność sygnału cyfrowego na szumy i
zakłócenia
Wyższa szybkość wykonywanych operacji
Klasyfikacja metod przetwarzania A/C
Metoda bezpośredniego porównania
równoległego
●
Parallel, simultaneous, flash method
●
Najszybszy znany sposób przetwarzania A/C
●
Wymaga 2n – 1 komparatorów
●
Przetwarzanie wykonywane jest poprzez
jednoczesne porównywanie napięcia UI ze
wszystkimi poziomami kwantowania
Przetwornik A/C z komparatorami
●
●
Łańcuch komparatorów
spolaryzowanych z
dzielnika
rezystorowego
zasilanego ze źródła
napięcia odniesienia
Rezystory są tak
dobrane aby napięcia
progów sąsiednich
komparatorów różniły
się o wartość
odpowiadającą
analogowemu
równoważnikowi
najmniej znaczącego
bitu (1 LSB)
Przetwornik A/C z komparatorami
●
●
●
●
Przy określonej wartości napięcia UI w komparatorach
o napięciach progu mniejszych od UI występują na
wyjściach stany logiczne 1 a w pozostałych – o
progach większych od UI – stany logiczne 0.
Wszystkie komparatory zmieniają stan jednocześnie –
proces przetwarzania składa się tylko z jednego kroku
Na wyjściu otrzymuje się informację cyfrową w formie
niedogodnej do bezpośredniego odczytu
(przetwarzania) – konieczny jest dekoder na NKB,
BCD lub kod Graya
Całkowity czas przetwarzania jest bardzo krótki –
suma czasu odpowiedzi jednego komparatora i
bramek dekodera
Przetwornik A/C z komparatorami przykład
●
3 bitowy komparator napięcia
●
7 komparatorów
●
Patrz -> tablica
Przetwornik A/C z komparatorami –
cechy (1)
●
●
●
Układy przetworników równoległych są często
wyposażone w układ PP utrzymujący stałą wartość
napięcia wejściowego podczas całego procesu
przetwarzania
W przetwornikach o największej szybkości działania
stosuje się tzw. cyfrowe próbkowanie w locie –
zapamiętywanie i odczyt w dowolnej chwili aktualnych
stanów logicznych na wyjściach komparatorów lub
dekodera
Właściwy dobór kodu – przesunięcia czasowe w
ustalaniu się stanów logicznych na wyjściu
spowodowane rozrzutem czasu propagacji bramek
dekodera
Przetwornik A/C z komparatorami –
cechy (2)
●
●
●
●
Wyjściowe stany logiczne zmieniają się z dużą
szybkością w ślad za zmianami napięcia wyjściowego i
mogą powstawać nawet znaczne błędy odczytu
chwilowych wartości w kodzie NKB lub BCD
Wynika to z faktu że sąsiednie liczby po zakodowaniu
w kodzie dwójkowym mogą różnić się stanami więcej
niż jednego bitu – co może spowodować błąd równy
nawet ½ zakresu przetwarzania (1 MSB)
Dlatego – kod GRAYA
Kod Graya może spowodować błąd polegający na
odczycie sąsiedniej zamiast aktualnej wartości
cyfrowej napięcia (1 LSB)
Przetwornik A/C z komparatorami –
cechy (3)
●
●
●
Stosowanie kodu Graya nie zapobiega błędom
wynikającym z różnych czasów odpowiedzi
komparatorów
W celu ich eliminacji stosuje się układy
dekodujące z priorytetem dla stanu
komparatora odpowiadającego największej
wartości UI
Większość komparatorów posiadaj wejście
strobujące – zatrzymanie stanu wyjściowego
komparatora
Przetwornik A/C z komparatorami –
zalety i wady
●
●
Szybkość przetwarzania 20 – 100 MHz
Skomplikowanie budowy – duża liczba komparatorów
(8 bitów – 255 komparatorów)
●
Skomplikowanie dekodera
●
Wzrost poboru mocy
●
●
●
Trudności w projektowaniu połączeń
międzyelementowych
Trudność w doborze dzielnika napięcia odniesienia
spowodowana przepływem sumarycznych
wejściowych prądów polaryzujących komparatorów
Obecnie stosuje się układy monolityczne
Przetwornik A/C z bezpośrednim
przetwarzaniem szeregowym
●
●
●
Stany cyfrowe poszczególnych bitów są uzyskiwane kolejno
począwszy od najstarszego bitu w n kaskadowo połączonych
stopniach porównujących
Każdy stopień składa się z komparatora, układu odejmującego i
przełącznika analogowego, ostatni stopień – tylko komparator
W 1 stopniu napięcie UI porównywane jest z z napięciem odniesienia
UR/2 – od wyniku porównania zależy włączenie P1
Przetwornik A/C z bezpośrednim
przetwarzaniem szeregowym
●
●
●
Jeśli napięcie UI > UR/2 to nawyjściu K1 jest 1 (MSB)
Na wejściu następnego stopnia będzie napięcie UI – UR/2. Jest
ono porównywane z napięciem odniesienia o kolejnej wartości
wagowej UR/4. Wynik porównania określa stan kolejnego bitu.
Jeśli w komparatorze K1 okazałoby się że UI < UR/2 to do
rejestru wyjściowego wpizane byłoby 0, P1 nie byłby włączonyi
na wjściu K2 byłoby pełne napięcie UI do porównania z
napięciem UR/4
Przetwarzanie kompensacyjne
●
●
●
●
Polega na sukcesywnym równoważeniu
(kompensowaniu) napięcia przetwarzanego UI za pomocą
odpowiednio generowanego napięcia kompensującego UK
w taki sposób aby wartość różnicy tych napięć
doprowadzić do zera
W praktyce do pewnej wartości minimalnej
uwarunkowanej rozdzielczością przetwornika
Istnienie pętli w sprzężenia zwrotnego przetwornika c/a
wytwarzającego napięcie kompensujące
Typy przetwarzania kompensacyjnego:
–
Wagowe (przyrosty odpowiadają wagom bitów kodu)
–
Równomierne (przyrosty jednakowe o wadze 1 LSB)
Przetwornik bezpośredni z
kompensacją wagową (z rejestrem)
●
●
●
n kroków - w każdym kroku
impuls zegarowy powoduje
przesunięcie w rejestrze
przesuwnym „1” o jedno
miejsce
Stan ten jest wpisywany
następnie do odpowiedniego
przerzutnika rejestru
wyjściowego powodując
przyrost napięcia
kompensującego o wartość
ΔUK = UR/2k
W każdym kroku przetwarzania
aktualna wartość UK jest
porównywana z UI
Przetwornik bezpośredni z
kompensacją wagową (z rejestrem)
●
●
●
Jeżeli UK>UI to przerzutnik bk
pozostaje w stanie 1 i
odpowiadająca mu składowa
napięcia UR/2k jest nadal właczona
jako składnik UK przy następnych
porównaniach
Gdy UK<UI to następuje skasowanie
przerzutnika i wyłaczenie
odpowiadającej mu składowej
napięcia UK
Stan logiczny przesuwany jest o 1
miejsce – kolejny krok przetwarzania
– UI jest porównywane z kolejną
wartością UK zwiększoną o
ΔUK=UR/2k+1
Algorytm przetwarzania
Wartość napięcia
kompensującego po n
n
krokach:
UR
U K =∑ b k k
2
k=1
Gdzie bk=1 jeśli k
UR
∑ bi 2i U I
i=1
Zaś bk=0 jeśli
k
UR
∑ bi 2i ≥U I
i=1
●
W ten sposób po n krokach
przetwarzania zawartość
rejestru jest z dokładnością
UR/2n równoważnikiem
analogowej wartości
napięcia UI
●
Przykład
●
8 bitowy przetwornik
●
UI= 0,36 UR
●
Patrz --> tablica
Przetwornik bezpośredni z
kompensacją wagową - cechy
●
●
●
●
Konieczne jest stosowanie na wejściu układu PP aby móc
utrzymać stałą wartość napięcia podczas całego okresu
przetwarzania
Krótki czas przetwarzania (n kroków) czyli nTC (TC – czas
trwania jednego kroku) i jest niezależny od wartości
napięcia przetwarzanego
Wada – duża nieliniowość różniczkowa spowodowana
właściwościami przetwornika c/a, niemonotonicznośc ch-ki
przetwornika a/c może być przyczyną tzw. dziur kodowych
Najpowszechniej stosowana metoda, łatwość realizacji w
układach monolitycznych
●
Rozdzielczości powyżej 8 bitów
●
Szybkość: TC =100 ns na jeden bit słowa wyjściowego
Metoda kompensacji równomiernej
(z licznikiem)
●
●
●
●
Równoważenie napięcia
wejściowego za pomocą
przyrostów o wadze LSB
Napięcie kompensujące jest
generowane w przetworniku c/a
przez przetwarzanie na wartość
analogową zawartości licznika
Zliczanie impulsów zegarowych
rozpoczyna się po skasowaniu
licznika sygnałem zewnętrznym i
trwa aż UK przekroczy wartość
UI
Wówczas następuje zmiana
stanu komparatora i zamknięcie
bramki B – koniec przetwarzania
Metoda kompensacji równomiernej
●
●
Przebieg napięcia
kompensującego ma kształt
schodkowy o wartości
schodka odpowiadające
wartości napięciowej LSB
ΔUK=UR/2n i czasie trwania
równym koresowi generatora
zegarowego tc
Stan po zamknięciu bramki
jest cyfrowym
równoważnikiem chwilowej
wartości napięcia UI w
momencie zakończenia
przetwarzania
Metoda kompensacji równomiernej cechy
●
●
●
●
Wada – długi czas przetwarzania o wartości
max. równej 2ntc w przypadku UI równego
pełnemu zakresowi przetwarzania
np. w 10-bit przetworniku z generatorem
50MHz – max. czas przetwarzania – 20μs
Rzadko stosowana ze względu na szybkość
Licznik zwykły można zastąpić rewersyjnym –
przetwornik nadążny
Przetwornik nadążny z
kompensacją równomierną
●
●
●
●
W zależności od aktualnego
stanu logicznego na wyjściu
komparatora nastepuje
zwiększenie lub zmniejszenie
zawartości licznika rewersyjnego
z częstotliwością impulsów
zegara
Jeśli UK>UI to po kolejnym
impulsie zegara w liczniku
odejmuje się 1
Gdy UK<UI dodaje się 1 do
zawartości licznika
Zmiana UK oraz wartośc cyfrowa
mogą nadążać za zmianami
napięcia
Przetwornik nadążny z
kompensacją równomierną
●
●
Śledzenie UI jest możliwe
gdy zmiany UI są
wystarczająco powolne w
stosunku do częstotliwości
generatora zegarowego i
czasu odpowiedzi
przetwornika c/a
Przy zbyt szybkiej zmianie
napięcia UI układ nienadąża
za zmianami i kontynuuje
śledzenie napięcia UI
dopiero po wygenerowaniu
pewnej liczby kolejnych
przyrostów ΔUK aż do
zrówenania napięć UK i UI
Przetwornik nadążny z
kompensacją równomierną - cechy
●
●
●
Trudna ocena szybkości działania – krótki czas
przetwarzania przy nadążaniu za przebiegiem
wejściowym, w skrajnym przypadku (przy
szybkich zmianach UI) czas przetwarzania –
2ntc
Stosowane w systemach sterowania, łączności,
tam gdzie cyfrowy wynik przetwarzania
powinien zmieniać się współbieżnie z
powolnymi zmianami napięcia UI
Czas przetwarzania dla przetworników 8bitowych - 500ns
Przetwarzanie pośrednie
●
Wejściowy sygnał analogowy jest przetwarzany
na proporcjonalną do niego wielkość
pomocniczą:
–
Czas trwania pewnego przebiegu napięciowego
(do uzyskania liniowego przebiegu czasowego
stosuje się ładowanie i rozładowanie kondensatora)
–
Częstotliwość impulsów
Metoda czasowa prosta (1)
●
●
●
●
●
Generowanie przebiegu
napięciowego zmieniajacego się
liniowo w funkcji czasu i
porównywanie go z UI
W ten sposób uzyskuje się impuls
bramki czasowej o czasie trwania
T proporcjonalnym do UI
Przebieg liniowo narastający jest
wytwarzany przez integrator
Kondensator C jest ładowany
stałym prądem IO= UR/R
Nachylenie przebiegu
piłokształtnego:
Um IO
tg =
=
Tm C
Um i Tm -amplituda i czas trwania
Metoda czasowa prosta (2)
●
●
●
Ładowanie kondensatora
prądem stałym IO rozpoczyna
się od chwili otwarcia P
impulsem z gen. bramkującego
(początek impulsu bramki
czasowej U4), który powoduje
rozpoczęcie zliczania impulsów
Impuls bramki czasowej T trwa
aż do momentu zrównania
przebiegu narastającego U2 z z
UI, gdy na wyjściu komparatora
pojawi się stan niski
Czas trwania bramki czasowej:
UI
C
T=
=U I
tg 
IO
Metoda czasowa prosta (3)
●
Po zakończeniu bramki czasowej T ustaje
zliczanie impulsów zegarowych w liczniku a
zawartość licznika N jest równa:
N =T f c
gdzie fc – częstotliwość generatora zegarowego
●
Zawartość licznika jest proporcjonalna do
napięcia przetwarzanego:
C
N=
f cU I
IO
Metoda czasowa prosta - cechy
●
●
●
Niezbyt duża dokładność – 0,1%
Źródła błędu: generator przebiegu
piłokształtnego (nieliniowość), komparator
(napięcie niezrównoważenia i opóźnienie
czasowe) i generator impulsów zegarowych
(niestabilność częstotliwości)
Generator zegarowy powinien być
zsynchronizowany z generatorem
bramkującym, w przeciwnym wypadku powstaje
błąd przetwarzania równy 1 LSB
Metoda podwójnego całkowania
●
●
●
W chwili t0 pojawienia się impulsu
Stsrt (t0=0) przełacznik P1
dołacza napięcie UI do wejścia
integratora
Jednocześnie przez przerzutnik
bramki czasowej jest otwierana
bramka B i licznik zaczyna liczyć
impulsy zegarowe
Na wyjściu generatora pojawia się
liniowo narastające napięcie U2,
które po czasie T osiągnie
T
poziom:
1
1
1
u 2 T 1 =
RC
∫ U I dt= RC U Iav T 1
t 0=0
UIav – średnia wartość UI w czasie T1
Metoda podwójnego całkowania (2)
●
●
●
Okres T1 jest wyznaczony przez
licznik, który po upływie tego czsu
sygnalizuje przepełnienie
Kończy się pierwsze całkowanie i
jednocześnie odłaczane jest jest
przez P1 napięcie UI i dołaczane
przez P2 napięcie UR do wejścia
integratora oraz po przejściu przez
zero zawartości licznika – zliczanie
dalszych impulsów generatora
Pod wpływem -UR następuje liniowe
opadanie napiecia na wyjściu
integratora osiągające po czasie T2
wartość zero – komparator zamyka
bramkę B i odłacza napięcie -UR od
wejścia integratora
Metoda podwójnego całkowania (3)
●
Przebieg napięcia na wyjściu w II fazie całkowania:
t
1
u 2 t=u 2 T 1 −
U R dt
∫
RC T
Podstawiając wzór na u2(T1):
1
1
u 2 t=
U Iav T 1−
U R t−T 1 
RC
RC
po czasie t=(T1+T2) napięcie na wyjściu integratora jest równe 0:
1
u 2 T 1T 2 =
U Iav T 1−U R T 2 =0
RC
A więc:
U Iav
T 2 =T 1
UR
Okres T1 pierwszego całkowania jesn wyznaczony przez
pojemnośc licznika Nmax i częstotliwośc fc generatora natomiast w
okresie II całkowania licznik zlicza N impulsów o tej samej
częstotliwości: T2 = N / fc i T1 = Nmax / fc
U Iav
N N max U Iav
=
 N =N max
fc
f c UR
UR
1
●
●
●
●
Przebiegi napięcia na wyjściu integratora przy
rożnych wartościach napięcia wejściowego
Metoda podwójnego przetwarzania cechy
●
●
●
Uniezależnia wynik przetwarzania od stabilności i
liniowości generatora przebiegu liniowego
Umożliwia tłumienia periodycznych zakłóceń
nakładających się na sygnał przetwarzany poprzez ich
uśrednianie
Na wynik przetwarzania nie mają wpływu wartości R, C i fc
a tylko wartość UR i stała wielkość Nmax – duża dokładność
metody
●
Mała szybkość kilka tysięcy przetworzeń na sekundę
●
Błędy: przesunięcia zera, liniowości i wzmocnienia
●
Dokładność odpowiadająca rozdzielczości 12-14 bitów –
lepsza dokładność za pomocą metody poczwórnego
całkowania
Metoda częstotliwościowa (1)
●
●
●
●
Ładowanie kondensatora C prądem o wartości proporcjonalnej do
napięcia UI
Napięcie narastające na C jest porównywane z UR.
Zrównanie napięć powoduje zmianie stanu komparatora i
wygenerowanie impulsu w uniwibratorze zamykającego przełącznik
P wywołując rozładowanie kondensatora C
Średnia częstotliwość impulsów zależy od napięcia UI – zliczając je
w okresie integracji Ti uzyskuje się w liczniku wartość cyfrową
proporcjonalną do napięcia przetwarzanego UI
Metoda częstotliwościowa (2)
●
●
●
Układ działa w sposób podobny jak poprzedni
Konwerter prąd-napięcie został zastąpiony integratorem ze
wzmacniaczem operacyjnym
Oba układy mają dokładność nie przekraczającą 1%
Modulacja DELTA
●
●
●
●
Zamiast wartości kolejnych próbek przetwarzana jest różnica – dając
1-bitową łatwą do przesłania informacje o sygnale przyrostowym
Układ ekstrapolujący określa wartość spodziewaną próbki na
podstawie próbek poprzednich
Wartość ekstrapolowaną porównuje się z rzeczywistą w
komparatorze i od wyniku porównania zależy wysłanie impulsu z
generatora na linię danych
Impuls jest wysyłany, gdy rzeczywista wartość sygnału jest większa
od ekstrapolowanej
Modulacja DELTA (2)
●
●
●
●
●
●
Błędy powstają gdy sygnał ma
wartość stałą – powstaje szum o
wartości międzyszczytowej
równej amplitudzie schodka
lub szybkozmienną – przebieg
ekstrapolujący ulega opóźnieniu
w stosunku do sygnału
Zmniejszanie wartości schodka
powoduje wzrost zniekształceń
przeciążenia
Zwiększanie schodka – wzrost
szumu przy sygnale równym zero
Do transmisji sygnału mowy (do
100kbitów/s)
Wynik przetwarzania nie jest
wyrażony w kodzie dwójkowym
Parametry przetworników A/C (1)
●
●
●
Błąd kwantyzacji - ± q / 2
Nominalny zakres przetwarzania – wartość
napięcia przetwarzanego odpowiadająca
maksymalnej wartości słowa wyjściowego
powiększonej o 1
Rzeczywisty zakres przetwarzania – wartość
napięcia przetwarzanego odpowiadająca
maksymalnej wartości słowa wyjściowego
Parametry przetworników A/C (2)
●
●
●
Rozdzielczość (zdolność rozdzielcza) –
najmniejsza wielkość sygnału wejściowego
rozróżnialna przez przetwornik
Dokładność bezwzględna – różnica między
teoretyczną a rzeczywistą wartością napięcia
wejściowego powodującą powstanie na wyjściu
określonej wartości cyfrowej
Dokładność względna – wartość dokładności
bezwzględnej odniesiona do pełnego
nominalnego zakresu przetwarzania (w %)
Parametry przetworników A/C (3)
●
●
●
Nieliniowość całkowa – maksymalne odchylenie
względne ch-ki rzeczywistej przetwarzania od
ch-ki idealnej
Nieliniowość różniczkowa – określana przez
różnice między sąsiednimi wartościami napięcia
wejściowego powodującymi zmianę słowa
wyjściowego o wartość 1 LSB
Błąd wzmocnienia lub skalowania – wynika ze
zmiany nachylenia ch-ki rzeczywistej
przetwarzania w stosunku do ch-ki idealnej
Parametry przetworników A/C (4)
●
●
●
Błąd przesunięcia zera – (niezrównoważenia) –
wartość przesunięcia rzeczywistej ch-ki w
stosunku do idealnej przechodzącej przez
punkt zerowy
Współczynniki cieplne zmian przesunięcia zera,
nachylenia ch-ki przetwarzania i liniowości
Współczynnik tłumienia wpływu zasilania
Parametry przetworników A/C (5)
●
●
Czas przetwarzania – czas konieczny do
jednego całkowitego przetworzenia na wielkość
cyfrową z określoną rozdzielczością sygnału
analogowego o wartości równej pełnemu
zakresowi przetwarzania
Częstotliwość przetwarzania – maksymalna
częstotliwość z jaką mogą następować kolejne
przetworzenia sygnału wejściowego z
zachowaniem określonej rozdzielczości i
dokładności w pełnym zakresie przetwarzania
Parametry przetworników A/C (6)
●
●
Szybkości bitowa – określana przez liczbę
bitów rezultatu przetwarzania uzyskanych w
jednostce czasu (b/s)
Błąd dynamiczny – zmiana wartości sygnału
wejściowego następująca w czasie
przetwarzania
Parametry przetworników A/C (7)
●
Zakres i polaryzacja napięcia wejściowego
●
Impedancja (rezystancja) wejściowa
●
Przeciążalność wejścia (max. napięcie wej.)
●
Forma słowa wyjściowego (rodzaj kodu,
poziomy logiczne)
●
Obciążalność wyjścia (liczba bramek)
●
Rodzaj zasilania i pobór mocy
●
Zakres temperatury i wilgotności pracy