Analogna integrisana elektronika

Analogna integrisana elektronikaAnalogno-digitalna i digitalno-analogna konverzija signala

Prof. dr. Aljo Mujcic

maj 2011

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije1 / 25

Analogno-digitalna i digitalno-analogna konverzija signala

I Primjena analognih elektronskih kola

I Analogni signali - kontinualni signali

I Mogucnosti obrade signala u digitalnom obliku

I Pohranjivanje informacija u digitalnom obliku

I Uzorkovanje, kvantizacija i kodovanje



A/D konverzija

Slika: Prikaz signala u analognom i digitalnom domenu



A/D konverzija

Slika: Postupak konverzije signala iz analognog i digitalni oblik



A/D konverzija

I Uoblicavanje analognog signalaI Prilago�avanje naponskog nivoaI Analogni signal se uzima u ekvidistantnim vremenskim trenucimaI Frekvencija uzorkovanja mora zadovoljiti Nyquist-ovu teoremuI ”aliasing” izoblicenja, odnosno izoblicenja preklapanja spektra

Slika: Postupak konverzije signala iz analognog i digitalni oblik



A/D konverzija - sample and hold

Slika: Principijelna sema sklopa ”sample and hold”



A/D konverzija

I Elektronsko kolo je realizirano koristenjem tranzistora MOSFET koji radi urezimu obogacenja i operacionih pojacavaca.

I Tranzistor u ovom slucaju izvrsava ulogu prekidaca.

I Kondenzator nije opterecen i s druge strane te se i na izlazni dio kola dodajeoperacioni pojacavac.

Slika: Prakticna realizacija kola sample and hold



A/D konverzija - kvantizacija

I Signal je potrebno prevesti i zapisati u digitalom obliku

I Obzirom da je broj bita u digitalnom zapisu ogranicen, to znaci da ce i brojanalognih nivoa, kada se prebace u digitalni oblik tako�e biti ogranicen.

I Ako koristimo digitalni zapis koji podatke pohranjuje s 8 bita, to mu omogucujeda zapise 256 nivoa analognog signala.

Slika: Kvantizacija analognog signala



Brojacki A/D konvertor

Slika: Brojacki A/D konvertor

I Ulazni signal se dovodi na komparator koji poredi ulazni napon sa naponom izD/A konvertora.

I Ako je Uanalog > Ud izlaz komparatora ima vrijednost 1 te ce se po dobijanjusignala takta brojac inkrementirati za jednu vrijednost unaprijed odnosnoimamo stanje na brojacu povecano za jedan nivo.

I Preko D/A konvertora na komparator se dovodi trenutna vrijednost stanjabrojac odnosno nivoa u analognom obliku.




Slika: Brojacki A/D konvertor

I Sve dok je Uanalog veci od Ud na izlazu komparatora ce biti logicka jedinica isignal takta ce da omoguci da izlaz brojaca inkrementira svoju vrijednost.

I Ovaj proces ce se izvrsavati sve dok je vrijednost napona na izlazu D/Akonvertora ne bude veca od ulaznog napona Uanalog .

I Poslije toga ce se ponovo se izvrsiti resetovanje brojaca pomocu Uclear i ponovitiisti maprijed opisani postupak.

I Mana predstavljenog A/D konvertora je ta da se brojac resetuje na nulu za svakiuzorak.




Slika: Brojacki A/D konvertor sa brojacem gore-dole

I Brojac je zamijenjen brojacem ’gore-dole’ (up-down) i izlaz komparatorakontrolise smjer brojanja.

I Na taj nacin se vrsi pracenje ulaznog signala i potrebno je manje periodataktnog signala da se dobije vrijednost signala Ud koja je jednaka vrijednostiulaznog signala.

I Vrijeme konverzije u najgorem slucaju mora biti definisano sa dt = dU /S gdje jedU razlika izme�u dva nivoa kod D/A konvertora a S brzina promjene ulaznogsignala



A/D konvertor sa uzastopnim aproksimacijama

Slika: A/D konvertor sa uzastopnim aproksimacijama

I Na pocetku mjerenja najznacajniji bit (MSB) je postavljen na nivo logickejedinice a ostali biti se postavljaju na nivo logicke nule.

I Izlaz D/A konvertora se upore�uje sa analognim ulazom.I Ako je Ud > Uanalog onda je broj 1000 prevelik i MSB bi trebao biti logicka nula.

Ako je Ud < Uanalog onda je MSB logicka jedinica. Prema tome MSB se dobijaposlije prvog mjerenja. Proces se ponavlja sa D2 onda sa D1 i D0. Proces seponavlja i upore�uje poslije svakog pokusaja tako da se moze odrediti MSB.

I Vrijeme konverzije sa N bita je N perioda signala takta.



Metoda dvostrukog integriranja

Slika: Metoda dvostrukog integriranja

Uint = − 1

RC

∫ t

0

Uanalogdt = −Uanalog t

RC(1)

Uint(T1) = −UanalogT1

RC(2)

Prebacivanje prekidaca Sw1.




Slika: Metoda dvostrukog integriranja

U trenutku T1 se integrira poznati napon Uref

Uint = −UanalogT1

RC− 1

RC

∫ t

0

−Uref dt = −UanalogT1

RC− Uref (t − T1

RC(3)

Kada napon dostigne vrijednost nula izlaz komparatora postaje negativan

0 = −UanalogT1

RC+

Uref (T2 − T1)

RC(4)

Odakle slijedi

T2 − T1 =Uanalog

UrefT1 (5)




T1 = 2NTtakt (6)

Zamjenom

Uanalog = UrefT2 − T1

2NTtakt(7)

Vrijeme T2 − T1 je jednako broju signala takta n

Uanalog = Urefn

2N(8)



Paralelni AD konvertor

Slika: AD konvertor na bazi paralelnog komparatora



Naponsko frekventni konvertor

Slika: Naponsko frekventni konvertor

I Analognisignal se konvertuje u povorku impulsa cija se frevencija mijenja sapromjenom ulaznog analognog signala

I U odnosu na generator trougaonih impulsa u povratnu vezu je ukljucena dioda




Slika: Talasni oblici na naponsko frekventnog konvertora

Zanemaren je interval t1dUC

dt=

UG −UD

t2(9)




i =uul

R(10)

Obzirom da je i = CdU /dt

CdU

dt=

uul

R(11)

CUG −UD

t2=

uul

R(12)

t2 =RC (UG −UD)

uul(13)

Ako je UG = −UD = (R2/R1)Uzas dobija se

f ≈ 1

t2=

R1

2R2RCUzasuul (14)



Digitalno analogna konverzija

Slika: DA konvertor na bazi sumatora




Slika: DA konvertor na bazi sumatora - talasni oblik




Slika: DA konvertor na bazi skaliranja




Slika: DA konvertor na bazi skaliranja - opis




Slika: DA konvertor na bazi visestrukih strujnih izvora



Literatura

T. E. Price,Analog Electronics,Prentice Hall, 1997.

T. Brodic,Analogna integrisana elektronika,Svjetlost, Sarajevo, 1989.

A.S. Sedra, K.C. Smith,Microelectronic Circuits, 4th ed.,Oxford University Press 1998.

P. R. Gray, P. J. Hurst, S. H. Lewis, R. G. Meyer,Analysis and Design of Analog Integrated Circuits,,John Wiley & Sons, 2001.

P.Biljanovic,Elektronicki sklopovi,Skolska knjiga, Zagreb, 1995.



Documents

Analogna integrisana elektronika