Signaalien datamuunnokset

Esitys aiheesta: "Signaalien datamuunnokset"— Esityksen transkriptio:

1 Signaalien datamuunnokset
Muunnoskomponentit Näytteenotto ja pitopiirit Multiplekserit A/D-muuntimet Jännitereferenssit D/A-muuntimet Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

2 Näytteenotto ja pito -piirit
Näytteenotto ja pito -piirin toimintaperiaate Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

3 Näytteenotto ja pito -piirien käytännön toteutuksia
Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

4 Näytteenotto ja pito -piirien ominaisuuksia
Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

5 Näytteenotto ja pito -piirit
Sample/hold amplifier Erilliskomponentteja tai integroitu A/D-muuntimeen Kondensaattori joko integroitu tai erilliskomponentti Valintakriteerejä: epälineaarisuus, apertuuriviive ja sen toistuvuus, ylikuuluminen, jännitteen laskeminen, asettumisaika, sample-to-hold offset, sample-to-hold transientti, sisäänmenon resistanssi (kuormitus). Asettumisaika (acquisition time) tyypillisesti välillä 10 µs (fast)…50 ns (ultra fast). Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

6 Tyypillinen näytteenotto ja pito -piiri
Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

7 Analogiset multiplekserit
Jakaa A/D muuntimen useamman signaalin kesken ->kustannussäästö (A/D-muunnin kallein komponentti) Tyypillisesti 4, 8 ja 16 kanavaisia, single-ended tai differential Valintakriteerejä: Sarjavastus (tyypillisesti 50  - 2 k), siirtovirhe, vaihevirhe, asettumisaika (settling time), vaihtotaajuus (throughput rate), ylikuuluminen (crosstalk) Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

8 16-bittinen analoginen multiplexeri
Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

9 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset
A/D-muuntimet Muuntavat analogisen signaalin digitaaliseksi sanaksi Vertaa sisääntulevaa jännitettä referenssijännitteeseen Sarjamuotoinen tai rinnakkaismuotoinen Tärkeimmät A/D-muunnintyypit integroivat, takaisinkytketyt ja rinnakkaismuuntimet Valintakriteerinä resoluutio ja nopeus Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

10 Kaksoisintegroiva A/D-muunnin
Muuttaa jännitteen mittauksen kahden ajan suhteen mittaamiseksi [Uin=(T2/T1)*Uref] Tarkkuus riippuu kellotaajuuden stabiilisuudesta ja referenssijännitteen tarkkuudesta Tarkka, mutta suhteellisen hidas menetelmä Käytössä lähinnä yleismittareissa Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

11 Laskuri- ja seuraajatyyppiset takaisinkytketyt A/D muuntimet
Laskurityyppisessä (counter-type) muuntimessa askelletaan digitaali-sanaa, takaisinkytketään se D/A-muuntimella, verrataan alkuperäiseen signaaliin ja lopetetaan askellus kun haluttu arvo on saavutettu Suoraviivainen, hidas, muunnosaika riippuu signaalista Seuraava (tracking-type) muunnin voi askeltaa kumpaan suuntaan hyvänsä Nopeampi, käytetään säätötekniikassa 8-bittinen seuraava A/D-muunnin. Hitaissa muutoksissa digitaalinen ulostulo seuraa tulevaa signaalia Vin lähes reaaliajassa. Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

12 Punnitseva A/D-muunnin
Yksi tärkeimmistä muunnintyypeistä Nopea, tarvitaan bittien lukumäärän verran kellojaksoja riippumatta sisääntulosignaalin tasosta 18-bittinen muunnos jopa 5 micro-sekunnissa “Successive Approximation Register” SAR 8-bittinen punnitseva A/D muunnin ja ulostulon kehittyminen muunnoksen aikana Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

13 Rinnakkais A/D-muunnin
Rinnakkais (parallel, flash, simultaneous) muuntimessa kaikki bitit muunnetaan samanaikaisesti Vertailu 2N-1 jännitetasoon Koodaus digitaalisanaksi Erittäin nopea (muutama ns) mutta vaatii valtavasti komponentteja Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

14 Useampivaiheiset Flash A/D-muuntimet
Tarvittavien komponenttien määrää voi pudottaa radikaalisti tekemällä muunnoksen useassa vaiheessa Esim. 8-bittinen flash A/D-muunnin vaatii 255 komparaattoria, kun taas 4-bittinen vain 15 Pudottaa nopeutta likimain tekijällä 3…5 Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

15 A/D-muuntimen valintakriteerit
Tärkeimmät valintakriteerit ovat bittien lukumäärä instrumentointi 6…16 audio/video/kommunikointi/ym. 16…18 erikoissovellukset 20…22 Tarvittava nopeus hidas > 100 µs (<10 kHz) nopea 10…100 µs (10 kHz…100 kHz) erittäin nopea >100 kHz (<10 µs) Ei kannata ylimitoittaa koska hinta nousee. Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

16 Tyypillinen A/D-muunnin (SAR)
Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

17 2-vaiheinen flash A/D-muunnin
Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

18 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset
Jännitereferenssit Tärkeä osa A/D- ja D/A-muuntimissa Voi olla sisäänrakennettu tai voidaan tehdä erilliskomponenteista Tavallisin lämpötilakompensoitu Zener-diodi Jännitereferenssidiodit: 1,2…10 V, 1…100 ppm/°C Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

19 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset
10 V jännitereferenssi Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

20 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset
D/A-muuntimet Muuttavat digitaalisen sanan analogiseksi signaaliksi Tarvitsee referenssijännitteen, joka voi olla integroitu tai ulkoinen Useimmiten rinnakkaismuotoisia, mutta joskus sarjamuotoisia Monelta osin helpompia tehdä kuin A/D-muuntimet (esim. nopeus) Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

21 Vastussuhde D/A-muunnin
Edut: yksinkertainen, nopea Rajoitukset: vastusten epätarkkuus, vastusten lämpötilariippuvuus komponenttisen absoluuttiarvot vaikuttavat lopputulokseen Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

22 R-2R tikapuuverkkomuunnin
Vain vastusten suhde vaikuttaa lopputulokseen ->helpompi toteuttaa Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

23 “Glitchien” eliminointi D/A-muuntimesta
Tilan vaihdos saattaa joskus näkyä D/A-muuntimen ulostulossa Voidaan estää näytteenotto- ja pitopiirillä Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

24 D/A-muuntimen valintakriteerejä
Paljolti samat valitakriteerit kuin A/D muuntimissa, tärkeimmät bittien lukumäärä ja nopeus. Muita kriteerejä (myös A/D-muuntimille) Tehonkulutus Käyttöjännite Tarvittavat lisäkomponentit Lineaarisuus Särö ja kohinaominaisuudet Lämpötila alue (COMMERCIAL 0…+70 °C, INDUSTRIAL -25…+85 °C, MILITARY -55…125 °C) Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

25 Tyypillinen D/A-muunnin
Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

26 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset
Muunninvirheitä Offset-virhe Vahvistusvirhe Epälineaarisuus Puutuva koodi Epämonotonisuus Differentiaalinen epälineaarisuus Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset

27 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset
Yhteenveto Petri Kärhä 29/12/2018 Luento 9b: Signaalien datamuunnokset