A3M38ZDS Zpracování a digitalizace analogových signálů Doc. Ing. Josef Vedral, CSc

Transkript

1 A3M38ZDS Zpracováí a digializace aalogových sigálů Doc. Ig. Jose Vedral, CSc Evropský sociálí od Praha & E: Ivesujeme do vaší budoucosi A3M38ZDS_9

2 Zpracováí a digializace aalogových sigálů Osovy předášek: 9. Digializace rychlých sigálů, vzorkováí, kvaováí, paralelí, kaskádí, aproximačí A/Č převodíky. Digializace sigálů s vysokou rozlišielosí, iegračí a dela sigma A/Č převodíky, rozmíáí sigálu. ekosrukce spojiých sigálů, přímá číslicová syéza. Tesováí digializáorů v časové, kmiočové a ampliudové oblasi 3. Zásady ávrhu a aplikace A/Č obvodů, zeměí, síěí, polačeí šumu Lieraura: Vedral, J., Fischer, J.: Elekroické obvody pro měřicí echiku, ČVT, Praha, 4, ISBN Ďaďo, S., Vedral, J.: Číslicové měřeí přísroje a meody. ČVT Praha 6, ISBN8--49-X Dosál, J.: Operačí zesilovače, BEN 5, ISBN Pallas Arey,., Webser, J.G.: Sesor ad sigal codiioig. Joh Wiley & Sos,, ISBN Garre, P.H.: Mulisesor Isrumeaio, Joh Wiley & Sos,, ISBN A3M38ZDS_9

3 Digializace rychlých sigálů Vzorkováí sigálu Vzorkováí sigálu s omezeým kmiočovým rozsahem Sekvečí (sroboskopické) vzorkováí Kvaováí sigálu Závislos doby odběru vzorku a kmioču siusového sigálu Kódováí sigálů Saické paramery A/Č převodíků Dyamické paramery A/Č převodíků v kmiočové oblasi Kaskádí A/Č převodíky Kompezačí A/Č převodíky Muliplexí A/Č převodíky- sysém sběru da (DAQ) Auomaická korekce chyb A/Č sysémů Meody zvýšeí rozlišielosi rychlých A/Č převodíků A3M38ZDS_9 3

4 Vzorkováí sigálu Vzorkováí sigálu v reálém čase s > a u() 6 5 F() [db] 3 7 u( k i ) u( ) δ ( kts ) k k k F ( ω) ω F( δ ( kt ) v a s - () T a 4 8 F v π π δ ω a k Ts k Ts T s a s / s - a s s + a Podvzorkováí s < a vzik zázějových sigálů a ± k s, k,, s - a s s + a Fv ( ω) T s k k F( ω ± kω ) a s s a A3M38ZDS_9 4

5 Vzorkováí sigálu s omezeým kmiočovým rozsahem F() [db] spekrum vsupího sigálu s > m kopie zázějových speker u( k i ) u( ) δ ( kts ) k m s / s - m s - s s + s + m 3 s / s - m s - s F k v ( ω ) F( ω ) F( δ ( kts ) k F() [db] spekrum vsupího sigálu s < m kopie zázějových speker F v π T s k δ ω k π Ts D D s - m m s s - m s + m s 3 s - m s + m s / 3 s / 5 s / 3 s k F v( ω ) F( ω ± kω s ) T k s m s BW s redukce dyamického rozsahu D D m m s / Př.: s MS/s, m 5,5 MHz, MHz, D/D,, j. - 9, db ( 3, biu) A3M38ZDS_9 5

6 Sekvečí (sroboskopické) vzorkováí ekvivaleí vzorkovací kmioče u() ' 3' 4' vzorkovaý sigál rekosruovaý sigál 3 4 se T s ' ekvivaleí kmiočový rozsah T s T s T a T s T s 3 T s EFBW se Sekvečí áhodé vzorkováí Adapiví vzorkováí vzorkovaý sigál vzorkovaý sigál T spoušěcí sigál vzorkovací sigál spoušěcí sigál vzorkovací sigál T T T 3 T 4 T 5 A3M38ZDS_9 6

7 Kvaováí sigálu,875,75,65,5,375,5,5 q/ -q/ q / Kvaovací chyba ideálí ADC q x dx převodí charakerisika kvaizáoru q q / q q,5,5,375.5,65,75,875 kvaovací chyba q Eekiví hodoa si. průběhu Odsup sigál šum ideálího ADC [ db] log SN 6., 76 SN + Dyamický rozsah si si SN q [ ] log 6, D db,5 u T a Vliv doby odběru vzorku T a / S du/d u,5 siω π u ( du / d) / T a πt a T a u (/)siω du / d ω,5 siω π Mezí kmioče m πt a -/ Př.: 8 biový ideálí ADC má MS q,3. -3, SN 49,9 db. Pro T a s je m,4 MHz A3M38ZDS_9 7

8 Závislos doby odběru vzorku a kmioču siusového sigálu µs T a m πt a FS MS si FS rozsah ADC s MS si e. hodoa siusového sigálu s 4 6 Př.: 8 biový ideálí ADC FS V, T a s MS, V, m, MHz. 8 s ps 4 ps 6 ps khz khz khz MHz MHz MHz m N SN [db] D [db] 4 6 5,8 4, ,9 36, ,9 48, 4 6,6 6, , 7, , 84, , 96, , 8, ,, , 3, , 45, A3M38ZDS_9 8

9 Kódováí sigálů dvojkový číslicový sigál dvojkové kódováí přímý dvojkový kód D BIN dvojkový kód s posuuím a D i OFF i i D B a / r a [V] přímý dvojkový kód D BIN MSB LSB dvojkový kód s posuuím D OFF MSB LSB dvojkový doplňkový kód D BC MSB LSB + - LSB + 4,96 +3/4 + 3,75 + ½ +,5 + ¼ +,5, -/4 -,5 -/ -,5 - ¾ - 3, LSB - 4,96-5, - - 5, +, A3M38ZDS_9 9-3,75 -,5 -,5,5,5 3,75 [V] dvojkový doplňkový kód 5 D a MSB (Mos Sigiica Bi) váha / a LSB (Leas Sigiica Bi) váha - BCD kódováí D BCD a a / r a [V] přímý BCD kód MSD LSD + LSD + 9,99 + ¾ + 7,5 + ½ + 5, + ¼ +,5 + /8 +,5 + LSD +, m 4 i j ij m poče dekád MSD (Mos Sigiica Digi) LSD (Leas Sigiica Digi) i BC + j D B

10 Saické paramery A/Č převodíků D BIN D BIN LSB/ G ideálí převodí charakerisika LSB/ skuečá převodí charakerisika skuečá převodí charakerisika ideálí převodí charakerisika Chyba uly o / r (Ose Error) Chyba zesíleí G / r (Gai Error) Teploí, časové, apájecí driy Iegrálí eliearia INL INL / r [V] [V] Diereciálí eliearia DNL DNL / r,5,5 3,75 5, 6,5 7,5 8,75,5,5 3,75 5, 6,5 7,5 8,75 Nemooóos (Nomoooiciy) a) chyba uly b) chyba zesíleí Chybějící kódové slovo (Missig Code) D BIN D BIN Hysereze př. Charakerisiky ideálí převodí charakerisika INL skuečá převodí charakerisika chybějící kódové slovo ideálí převodí charakerisika skuečá převodí charakerisika emooóos DNL i rčeí paramerů lieárí regresí j DNL i j i INL i DNL+ LSB,5,5 3,75 5, 6,5 7,5 8,75 [V] [V],5,5 3,75 5, 6,5 7,5 8,75 c) iegrálí a diereciálí eliearia d) chybějící kódové slovo a emooóos A3M38ZDS_9

11 Dyamické paramery A/Č převodíků Časová oblas: doba odběru vzorku, ejisoa doby odběru, sběrá doba, doba převodu Kmiočová oblas: SINAD odsup sigál šum a zkresleí Sigal - Noise ad Disorio) SNH odsup sigál šum bez harmoických složek (Sigal - Noharmoic Disorio) SFD odsup ejvyšší rušivé složky od zákl. složky (Spourius Free Dyamic age) ENOB eekiví poče biů (Eecive Number o Bis) THD zkresleí vyššími harmoickými (Toal Harmoic Disorio) IMD iermodulačí zkresleí (Iermodulaio Disorio) E eekiví rozlišielos (Eecive esoluio) THD k i i SNH SINAD THD + SNH SINAD db [ ] 6.ENOB +, 76 IMD + ( + ( ) + ) + ( ( ) ) A3M38ZDS_9

12 r a / K 7 k 7 D C regisr D Q Paralelí A/Č převodíky MSB a vsup sav komparáorů dvojkový kód Greyův kód a / r k 7 k 6 k 5 k 4 k 3 k k a a a 3 a a a 3 K 6 K 5 k 6 k 5 D C D C D D Q Q dekodér7-3 a a 3 LSB /8 /4 3/8 / 5/8 3/4 7/8 Greyův kód - odsraí hazardy při kódováí / K k D C D Q s u a T s Vzorkováí - zápisem savu komparáorů do regisru Kvaováí - v paralelě řazeých komparáorech yp výrobce poče biů s T s [MSa/s] C IN [pf] T a [ps] T a DATA 3 Sdíleí času (Pipelig) - současé vzorkováí, kvaováí a kódováí po sobě jdoucích vzorcích MAX M MAX4 M 8,5,5 MAX6 M MAX8 M 8 5,5,5 D - D D T p A3M38ZDS_9 T p T s s Paralelím řazeím více ADC lze zvýši vzorkovací kmioče - prokládaé vzorkováí

13 Kaskádí A/Č převodíky Sériový A/Č převodík Sériově - paralelí A/Č převodík r S S 6 u a s IN S/H S/H C H A/Č Č/A i A/Č i+ Č/A a a a regisr A/Č Č/A IN S/H C H Z A/Č 4 Č/A 4 T T p s s S řídící jedoka Sériově - paralelí A/Č převodík s korekci Korekce emoooosi převodí charakerisiky regisr IN A/Č 4 S/H 4 S C H I Č/A 4 I Z + z A/Č 4 (5) 4 (5) 4 LSB Σ MSB S S 3 S 4 8 Překrýváí rozsahu (Overagig) Sdíleí času (Pipelig) MSB LSB před korekcí A yp poče biů s [MSa/s] T a [s] T a [ps] AD ,5,5 AD93 5, AD ,8, B po korekci / / AD ,5,5 A3M38ZDS_9 3

14 Kompezačí A/Č převodíky Aproximačí A/Č převodík Sledovací A/Č převodík a I a K D D CC CC a - a 7 aproximač í regisr C s D D a a ak a I a I k K k vraý číač /D C D Č/A s D I m i k I k Č/A a a 3 I I k a 4 I a I a I m / a 5 a 6 T s I a 7 G ak T ( + ) p s k yp poče biů poče kaálů s [ksa/s] spořeba výsup AD mw sériový AD mw paralelí AD mw sériový AD mw paralelí A3M38ZDS_9 m u a( ) si π a m s Př.: 8, g MHz, m,5 khz 4 m π g

15 Muliplexí A/Č převodíky- sysém sběru da (DAQ) MX MZ S/H C H AG K Č/A A G daa Poče kaálů: 8 až 64 (Sigle, Di.) Zesíleí MZ až 4 ozlišielos: 8 až 6 biů Vzorkovací rekvece: až Msa/s Samosaé izolačí zesilovače MX G G ŘÍZENÍ EOC STAT Samosaé S/H volba kaálu volba zesíleí DG Způsoby sběru da: yp poče biů poče kaálů s [ksa/s] výsup spořeba [mw] AD paralelí AD paralelí 45 AD paralelí AD paralelí 45 AD sériový i paralelí AD sériový i paralelí 5 posupé přepíáí kaálů selekiví přepíáí kaálů užií S/H obvodů v každém kaálu umožňuje současý odběr vzorků sigálů ve všech kaálech v jedom časovém okamžiku (měřeí časových souvislosí) AD paralelí 3 AD paralelí 3 AD sériový i paralelí AD sériový i paralelí A3M38ZDS_9 5

16 Auomaická korekce chyb A/Č sysémů Korekce chyby uly a zesíleí Korekce elieariy D D D m r x S A/Č sysém počíač D m D r D x korigovaá ch. D 3i korigovaá ch. ekorigovaá ch. ekorigovaá ch. D i. Vsup uzemě D K D K převodí kosaa, adiiví chyba. Vsup r 3. Vsup x D D r r + K( ) x x + x K( ) D D x r D D r r x A3M38ZDS_9 D i D ierí kalibráor apěí r r r3 m zpracováí da v mikroprocesoru - výpočem - abulkou možos adapiví změy rozsahu a vzorkovacího kmioču sysému - úspora paměi Číslicová ilrace sigálu - redukce šumu / N N poče ezávislých odměrů éže veličiy 6

17 Meody zvýšeí rozlišielosi rychlých A/Č převodíků Paralelí řazeí A/Č převodíků IN D A/Č A/Č D D D N N i D i saisická ezávislos kvaovacího šumu A/Č redukce kvaovací chyby a / N, N poče A/Č Zvěšeí poču eekivích biů o e log N A/Č 3 D 3 σ v N N i σ i σ N Např. pro N 4 vzrose poče e. biů o bi A/Č N D N ozmíáí vsupího sigálu (Diherig) ozmíáím vsupího sigálu A/Č převodíku áhodým ebo pseudoáhodým sigálem s ampliudou věší ež LSB a ásledou číslicovou ilrací výsupího sigálu převodíku se zvýší rozlišielosi o e log N N je poče průměrovacích cyklů. Např. pro N 56 vzrose eoreická rozlišielos o 8 biů, ale eekiví rozlišielos je o 4 biy žií zejméa u Σ převodíků A3M38ZDS_9 7

18 Digializace sigálů s vysokou rozlišielosí Iegračí A/Č převodíky s dvou a říakí iegrací Iegračí A/Č převodík se čyřakí iegrací Polačeí sériového rušeí Převodíky apěí kmioče Sychroizovaý převodík apěí kmioče A/Č převodík s Dela Sigma modulací Převzorkováí a redukce kvaovacího šumu Sigma Dela převodíky s moduláory. a 3. řádu Odsup SN moduláorů vyšších řádů Kaskádí srukury moduláorů vyšších řádů MASH ušivé sigály v sigma-dela převodících Polačeí rušivých sigálů rozmíáím sigálu Obvodová realizace sigma-dela převodíků A3M38ZDS_ 8

19 Převodíky apěí kmioče max ideálí ch. skuečá ch. max mi k / max mi NL max mi [ Hz V ] Z C i - m K k MKO S Q T k mi r S mi max i Nevýhody: T r T k - m esabilia doby kyvu T k asychroos výsupích impulsů převodíku vzhledem ke kmioču geeráoru T T k p doba kyvu MKO T + T k T r T k k T k T T p Údaj číače N T ± A3M38ZDS_ 9

20 Převodíky apěí kmioče Sychroizovaý převodík / Převodík / se symerickým výsupím apěím iegráoru + C Schmiův klopý S obvod i S Q - SKO H i Q C H T T C H T T T C H T P C H T P yp max. [MHz] NL [%] s [MHz] ADVF3,5-3 - AD537,5, AD654, AD AD A3M38ZDS_ Aplikace převodíků kmiočová modulace sysémy s vysokým rozlišeím (4 bi) izolačí FM přeos elemerické sysémy

21 a r C S Z řídící jedoka G i & C CT Iegračí A/Č převodíky Iegračí A/Č převodík s dvouakí iegrací (Dual Slope) u i im K k im / G T T p T / T im T u C N T kos. g as as T T T r a ( ) d T r N N T C T r r N g Iegračí A/Č převodík s říakí iegrací (Triple Slope) polačeí kvaovací chyby r a r /k P ř iegráor C S řídící jedoka komparáor im i G u i T im ua ( ) d C T T T 3 T / g A3M38ZDS_ i T N T C T3 k T T ± g g g N r N N k g k as r N 3 3 r T 3 C N

22 Iegračí A/Č převodík se čyřakí iegrací S r S - r S 3 a S 4 - a C o Z S o řídící jedoka i K. T sepu S áboj a C ulová. T sepu S iegrováo apěí r + 3. T sepu S iegrováo apěí - r T T r r + i i3 4. T 3 sepu S 3 iegrováo apěí a + 5. T 4 sepu S iegrováo apěí r - i T o T T T 3 T 4 yp výrobce rozlišeí v [Sa/s] výsup CM [db] apájeí [V] ICL77 Iersil 3 / d 5 LED 7 ± 5V ICL76 Iersil 3 / d 5 LCD 7 9V ICL79 Iersil b 5 BIN 7 ± 5V MAX34 Maxim 3 ¾ d 5 BIN. 7 ± 5V MAX3 MAX 8 b BCD 76 ± 5V ICL735 I, M, T 4 ½ d 5 BCD 75 ± 5V A3M38ZDS_ a T 4 ( r ) T T T + T T 3 r Při je T T a a r T 4 /T 3 Symerické přepíáí vsupích apěí iegráoru elimiuje jeho elieariu a dyamické chyby.

23 Polačeí sériového rušeí u ( ) u ( ) + cos(π + ϕ) i a u() is T i T i Ti u ( ) + π si π + ϕ v d as m siϕ Ti T T s T T si π T i i πt + ϕ siϕ T T i Čiiel polačeí sériového rušeí SM (Series Mode ejecio aio) SM( db) log pro Ti ϕ π T Ti π T log T i si π T 4 3 SM[dB] T Při T i /T, je SM 3dB, při T i /T, je SM 7 db. db/dek,,,3,4 3 5 T i /T A3M38ZDS_ 3

24 A/Č převodík s Dela Sigma modulací ( biový kvaizáor) v v u i u i k k Q T T Q T T r T T + T T A3M38ZDS_ 4

25 Převzorkováí a redukce kvaovacího šumu (Oversamplig) Nyquisovo vzorkováí s v / s() Spekrum vzorkovaého sigálu Kopie speker vzorkovaého sigálu Kvaovací chyba ideálí ADC v pásmu v / q q / x q q / dx v / v v 3 v Převzorkováí s k v / Kopie speker vzorkovaého sigálu s() Eekiví hodoa vsupího si. sigálu s rozkmiem FS převodíku Odsup sigál šum SIN SIN SN log 6, +,76( db) q v / v k v edukovaý výko kvaovacího šumu při k ásobém převzorkováí OS OS qk v Kvaovací chyba ideálí ADC v pásmu v / při převzorkováí (OS) Odsup sigál šum při převzorkováí SN k qk log OS SIN 6, +,76 + logos( db) qk OS 4 SN 6, db bi OS 6 SN,4 db biy OS 56 SN 4,8 db 4 biy Zvýšeí odsupu sigál šum při převzorkováí SN SNk SN logos( db) A3M38ZDS_ 5

26 Tvarováí kvaovacího šumu (Noise Shapig) Blokové schéma moduláoru v roviě Z Charakerisická rovice Y(z) H(z) (X (z) Y(z))+ N(z) Přeosová ukce šumu NTF X(z) (Noise Traser Fucio) ( z) ( z) + H ( z) Y NTF z N Přeos horí propusi. řádu s mezím kmiočem k v / Složky šumu pod ímo kmiočem jsou polačey Složky šumu ad ímo kmiočem jsou zvýrazěy Kvaizačí šum N(z) Přeos iegráoru H z ( z) + z Přeosová ukce sigálu STF N(z) (Sigal Traser Fucio) ( z) ( z) Y H STF z X + H ( z) ( z) Přeos sigálu je zpoždě o ak Účiější polačeí kvaovacího šumu se dosahuje užiím iegráorů vyšších řádů,. a 3. řádu Problémy se sabiliou obvodů A3M38ZDS_ 6

27 Sigma Dela převodíky s moduláory. a 3. řádu X(z) + Iegráor + G(z) - - N(z) Iegráor + + H(z) kvaizáor Y(z) Přeosová ukce sigálu STF N(z) (Sigal Traser Fucio) STF ( z) G z) H ( z) ( z) + G( z) [ a + H ( z) ] Y z X ( a Přeosová ukce šumu NTF X(z) (Noise Traser Fucio) NTF Y X ( z) ( z) G( z) [ a + H ( z) ] Sabilia přřeos a a a 3 ( a) 3a( a) 3( a) mod uláoru STF Y X ( z) F( z) G( z) H ( z) ( z) + H ( z) [ a + G( z)( a + a F( z) )] opimum a,5 a,5, a,375, a,5 A3M38ZDS_ 7

28 Odsup SN moduláorů vyšších řádů Přeosová ce šumu k řád iegráoru Eergie šumu v pásmu B s / Koeicie převzorkováí Spekrál í husoa šumu P NTF( z) z e j / v ( z ) NTF( ) si π v σ B σ ( ) NTF OS v B OS B k ( ) d k Eergie šumu v pásmu B P k k π + ( k + ) OS Odsup sigál šum moduláoru s biovým kvaizáorem siπ π s s pp s SN 3 π P P Si / P (k + ) k OS k + A3M38ZDS_ 8

29 Kaskádí srukury moduláorů vyšších řádů MASH (Muli-Sage Noise Shapig) Klasické sigma-dela moduláory k-ého řádu iegrují rozdílový sigál k po sobě jdoucími iegráory, srukury MASH k omu využívají k samosaých moduláorů. řádu MASH srukury ásledující moduláor zpracovává kvaizačí šum N(z) z moduláoru předchozího. Kvaizačí šum je získá rozdílovými čley, keré odečíají výsup z D/A převodíku od rozdílového sigálu z iegráoru. Zpřesěí převodu dochází opakovaým kvaováím kvaizačího šumu z předchozí sekce moduláoru. Teoreicky je možé zapoji do kaskády libovolý poče sekcí. reálých převodíků MASH se egaivě projevují výrobí odchylky mezi jedolivými obvodovými prvky Obvykle se užívají srukury MASH 4. řádu A3M38ZDS_ 9

30 ušivé sigály v sigma-dela převodících (Idle Toes, Idle Paers) Časové průběhy při sejosměrém vsupím apěí o velikosi,93 EF Nízké kmiočy jsou zdrojem rušivých óů Čím více se vsupí sejosměré apěí bude blíži EF, ím ižší bude opakovací kmioče PDM poslouposi a výsupu moduláoru Může bý ak ízký, že zasáhe až do užiečého pásma převodíku Proože se jedá o obdélíkový sigál, objeví se avíc ve spekru i jeho posraí složky a ásobcích kmioču v ušeí má charaker óů, jejichž rekvece se měí v závislosi a vsupím sejosměrém apěí Jejich příomos je apř. při zpracováí audio sigálů aproso epřípusá, proože lidský sluch je a úzkopásmové sigály velmi cilivý A3M38ZDS_ 3

31 Polačeí rušivých sigálů rozmíáím sigálu (Diherig) Digializovaý sigál rozmíá rozmíacím sigálem, jehož mezivrcholová hodoa je věší ež ěkolik LSB A/Č převodíku a jehož sředí hodoa je ulová. ozmíací sigál periodický s ulovou sředí hodoa, apř šum, sius, rojúhelík. Teoreické zvýšeí rozlišielosi e log N je poče průměrovacích cyklů. Např. pro N 56 vzrose eoreická rozlišielos o 8 bů, ale eekiví rozlišielos je o 4 biy. Kmiočový rozsah sigálu je reduková :56. žií: zvýšeí rozlišielosi digializáorů, odsraěí rušivých óů při digializaci akusických a obrazových sigálů N Irusiví diherig - číslicový sigál z A/Č převodíku odečíá od rozmíacího sigálu. Neirusiví diherig - číslicový sigál z A/Č převodíku eí odečíá od rozmíacího sigálu, časější případ. Dherig zabraňuje výskyu rušivých mezióů (Idle Toes). Diherig sižuje kvaizačí šum převodíku, zmešuje jeho diereciálí elieariu, ale ezlepšuje iegrálí elieariu. A3M38ZDS_ 3

32 Přehled paramerů Dela Sigma A/Č převodíků yp výrobce Jmeovié rozlišeí poče kaálů v [ksa/s] spořeba [mv] aplikace AD775 AD 8/6 D - 5 obecé AD77 AD 6(4) D,- TD símače ermočláky AD77 AD 6(4) D,S,- TD símače ermočláky AD77 AD 6(4) D(D,S),- TD símače ermočláky AD443 AD 6(4) S,- TD símače ermočláky AD774 AD 6() 4 S,- TD símače ermočláky AD773 AD 6(4) D,3,3 5 obecé AD7734 AD 6(4) 4S,3,3 5 obecé AD7738 AD 6(4) 4D(8S),3,3 5 obecé AD773 AD 6 3 obecé AD96 AD 6 5 obecé AD736 AD 6 6S 8-64 obecé 6(4) začí jmeovié rozlišeí 6 biů a zvýšeé rozlišeí 4 biů Eekiví rozlišeí je cca 5 biů a biů S začí jedopólový přepíač, D dvoupólový přepíač AD77 až AD773 mají měřicí zesilovač s přepíaelým zesíleím až 56 A3M38ZDS_ 3

33 yp převodíku dela sigma iegračí aproximačí kaskádí výhody vysoká rozlišovací schopos až 4 biů jedoduché obvodové řešeí epořebuje exerí S/H obvod epořebuje aialiasigový ilr Vysoké polačeí SM (6 db) Vysoké polačeí CM ( db) vysoká rozlišovací schopos až 4 biů Vysoké polačeí SM ( db) Vysoké polačeí CM ( db) dobrá rozlišovací schopos až 8 biů malá plocha čipu ízká spořeba Vlasosi A/Č převodíků dobrá rozlišovací schopos až 6 biů vysoký vzorkovací kmioče řádově sovky MSa/s evýhody ízký vzorkovací kmioče řádově sovky ksa/s ízký vzorkovací kmioče řádově sovky khz uos velkých kapaci v iegráoru uos užií vzorkovací jedoky vzorkovací kmioče řádově jedoky MSa/s přesos závislá a přesosi ierího DAC uos užií pricipu sdíleí času a korekce da přesos převodu závisí a přesosi prvích bloků paralelí ejvyšší vzorkovací kmioče až,5 GSa/s ízké rozlišeí do 8 biů při vyšším rozlišeí velká plocha čipu vysoká spořeba Hraičí rozlišielos cca 3 biů je určea šumem přechodů chlazeí 4, K Hraičí vzorkovací kmioče GSa/s je urče rychlosí pohybu osielů áboje v přechodech Si GaAs srukury jsou cca x rychlejší ež Si srukury Elekroopické srukury jsou cca x rychlejší ež Si srukury A3M38ZDS_ 33

34 ekosrukce spojiých sigálů ekosrukce kmiočově omezeého sigálu Paramery Č/A převodíků Číslicově aalogové převodíky se spíaými odporovými síěmi Číslicově aalogové převodíky se spíaými proudovými zdroji Násobící Č/A převodíky Číslicově aalogové převodíky se zvýšeou přesosí Modulačí číslicově aalogové převodíky Č/A převodíky se spíaými kapaciory Přímá číslicová syéza DDS Kmiočová syéza A3M38ZDS_ 34

35 ekosrukce kmiočově omezeého sigálu F() [db] F v () H o () si(π/s)π//s kopie kmiočových speker H ( ω ) si( πω / ω s ) πω / ω s m s / s - m s s + m 3 s / s - m s F si( πω / ω ) s r ( ω ) δ ( ω ± kω s ) πω / ω s k Př.: s / pokles ampliudové charakerisiky -,636, j 3,9 db + ekosrukce siusového sigálu u() THD log i i [ db] T s Poče vzorků v periodě M Prví pár vyšších harmoických THD [db] bez ilru THD [db] s ilrem. řádu 4 3, 5-6,5-8,3 8 7,9-3,3-3,4-6 5, 7 -, - 44,7 T a MT s 3 3, 33-7,3-57, 64 63, 65-3,7-68,9 k ( k / M ) si π k π / M 8 7, 9-38, - 8, , 57-45, - 94, A3M38ZDS_ 35

36 Paramery Č/A převodíků [V] 8,75 7,5 6,5 skuečá převodí charakerisika [V] 8,75 7,5 6,5 ideálí převodí charakerisika G poče biů a D r DBIN ai i i 5, 5, a bi s váhou / (MSB Mos Sig Bi) 3,75,5 ideálí převodí charakerisika 3,75,5 skuečá převodí charakerisika a bi s ejižší váhou - (LSB leas Sig Bi),5 D BIN,5 D BIN INL j INLj q [ LSB ], j,,.. 8,75 7,5 [V] a) chyba uly 8,75 7,5 [V] b) chyba zesíleí DNL INL j j DNLj j q DNL i [ LSB], j,,.. i [ LSB] 6,5 5, ideálí převodí charakerisika INL 6,5 5, ideálí převodí charakerisika Zákmiy výsupího sigálu (Gliches) 3,75,5 DNL + LSB 3,75,5 emooóos m u a,5 skuečá převodí charakerisika,5 skuečá převodí charakerisika m / D BIN D BIN c) iegrálí a diereciálí eliearia d) emooóos převodí charakerisriky A3M38ZDS_ 36

37 Číslicově aalogové převodíky se spíaými odporovými síěmi váhová síť - síť kombiovaá síť MSB a a LSB a r S S S k z a MSB a a LSB a r S S S k z a s z a s j j j ( ) i i,i,,..., I r I r a r z ai i i a r z ai i i 8 8 vysoká přesos ejsou proudové ierakce velký rozsah odporů pouze odpory rezisorů meší časové kosay proudové ierakce BIN G k s 7,5, z a k 8 rozdílé časové kosay rezisorů meší dosažielá přesos A3M38ZDS_ BCD s 4,3, z,8 a k 4,8 37

38 Číslicově aalogové převodíky se spíaými proudovými zdroji Číslicově aalogový převodík se spíaými proudovými zdroji r a a - a a a Iz i Z Z - Z Z I I I I S z a a Předosi: i i vysoká přesos, shodé proudy proudových zdrojů euplaňují se parazií časové kosay rezisorů Číslicově aalogový převodík s proudovými sběricemi p proudový zdroj I p + B I r MSB LSB a a a 8 převodík úroví T r T S S T T 8 T 9 S 8 zesilovač proud apěí z a I r a a I I p r r I r z i a i z i i a i i polarií proud uipolárí bipolárí a a r Z yp INL, DNL T u DAC8 8,5 () 5 s AD565 () s - B spíaé váhové proudové zdroje A3M38ZDS_ AD768 6 (, (4) 45 s 38

39 Základí zapojeí Násobící Č/A převodíky Siusový Č/A převodík zesilovač proud apěí + r 5V r S S S z dekodér k 56k 9k 4k z a S 7 S 6 S 5 S 4 k a a převodík úroví a 3 S 3 S S S a MSB a a a Násobící a dělící Č/A převodíky r -5V 3 5k 56k 9k 4k D MDAC a r D r 3 / z a N r a D D MDAC D a r D - r 7 / z S pořadí spíáí spíačů N MDAC r a A3M38ZDS_ 39

40 Číslicově aalogové převodíky se zvýšeou přesosí Převodíky se shodými rezisory KombiovaéČ/A převodíky + r Z +EF s Z 3 +EF s3 a r S S S 6 Č / A biů z +SNS +SNS I 56 S S 56 dekodér a S 55 S 55 a a a 3 a 4 MSB a 5 a 6 a 6 LSB S S Převodíky s cyklickým přepíáím rezisorů G - r Z s S dekodér MSB 8-56 Z 4 s4 dekodér LSB vsupí regisr 6 bi a řídící obvody Zaručeá mooóos převodí charakerisiky (AD569) S G r A3M38ZDS_ () + () + s () + r r () Dělicí poměr eí urče hodoami rezisorů, ale pouze jejich počem 4

41 Modulačí číslicově aalogové převodíky Převodíky s jedou PWM Převodíky se dvěmi PWM D r g & Číač Vraý číač S T r C g ŠM s S D D T T T T D T p g ŠM s S C a T D g D ( T + T ) as r r + T T r ( ) ( ) T T + T as r T p D r s s r r + r r + max e e T / τ T / τ + r a u a ( D + ) D r as r Předosi: vysoká liearia až -6 zaručeá mooóos Nevýhoda: velká doba usáleí, až s T T T T Zkráceí doby T a / / g Meší ároky a ilraci sigálu Aplikace: číslicově řízeé zdroje, kalibráory A3M38ZDS_ 4

42 Č/A převodíky se spíaými kapaciory IverujícíČ/A převodík NeiverujícíČ/A převodík Q C r a i i i i a r ai CZ CZ i Sigma dela Č/A převodíky Q C Nízkopříkoové obvody ozlišielos 8 až biů Vzorkovací kmioče: ksa/s až MSa/s D Ierpolace. řádu (schodoviá) Ierpolačí ilr -ierpolace. řádu (schodoviá) T s - ierpolace. řádu (lieárí) -ierpolace vyšších řádů (plolyomy až 8. řádu) A3M38ZDS_ 4

43 Přímá číslicová syéza DDS (Digial Direc Syhesis) C Č/A POM číač I g Z a m a T T p - m S C I T m p g I m m m g T p g m / a T v T v Číslicový syezáor akumuláor áze A( i ) M T v F Σ S Φ SIN X Σ Č/A u a - m / T MT v s GPS NM +,N T N p F ( ) π si v π v,,.. u a π ( ) iω( ),i,,... ϕ i i ( i ) A( i )si [ ω ( ) + ϕ( )] i i A3M38ZDS_ 43

44 Fázový závěs Kϕ K F K ϕ F FD F VCO φ φ K ϕ ϕ ( p) ϕ ϕ p + [ V, ] rad K ϕ K F K K ϕ K F K ( p) ( p) K F + K F K, φ K F K/( + jω/ω ), φ o F o ϕ rozsah sychroizace s (Log age) rozsah zachyceí z (Capure age). z ϕ doba zavěšeí Tz (Lock-up-Time), s ϕ T z o A3M38ZDS_ 44

45 Aalogový ázový deekor C C + B Zapojeí podobé aalogové ásobičce T T T 3 T 4 u ( ) cos m ω ( ) ) si ω +ϕ u( m ϕ K ϕ m m{ si [( ω + ω ) + ϕ] si [( ω ω ) ϕ] } φ B T 5 T 6 I B ω ω ϕ K ϕ m m [ siϕ] - B Kmiočový syezáor obvod PLL /N KO N FFD DP VCO /N N N N KO krysalový osciláor, sabilia až -7 / C FD ázový deekor VCO apěťově řízeý osciláor DP dolí propus N, N dělicí poměry kmiočových děličů A3M38ZDS_ 45

46 Geeráor pseudoáhodého sigálu Syéza áhodých sigálů D D T p Kruhový posuvý regisr M délka poslouposi (opakovaelosi) M ovoměré rozložeí pravděpodobosi výskyu slov ovoměré rozložeí pravděpodobosi výskyu slov k Nerovoměré rozložeí pravděpodobosi výskyu slov abulkovou korekcí Kmiočový rozsah v / A3M38ZDS_ 46

47 Tesováí dyamických vlasosí digializáorů Tesovací meody: - meoda ejlépe proložeé siusovky (Sie Wave Fi Tes) - meoda spekrálí aalýzy (Discree Fourier Trasorm Tes) - meoda měřeíčeosi výskyu kódových slov (Hisogram Tes) Tesovací sigály: - jedo, dvou, mulióové - modulovaé sigály (AM, FM) - rozmíaý siusový sigál - impulsí sigály (lumeá siusovka, six/x) - šumové sigály (s kosaí a proměou sředí hodoou) IEEE Sadard , IEEE Sadard or Digiizig Waveorm ecorders IEEE Sadard 4 -, IEEE Sadard ad Termiology ad Tes Mehods or Aalog o Digial Coverers IEEE Sadard 658 -, IEEE Sadard ad Termiology ad Tes Mehods or Digial o Aalog Coverers A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 47

48 Kriické paramery digializáorů využií rozlišielos Vzorkovací kmioče paramery Audio ks/s 96 ks/s SINAD, E, CT, FD, IMD Auomaizace, sezorika, roboika 8-6 MS/s - ks/s SINAD, SNH, INL, DNL, S Sysémy sběru da - 4 MS/S ks/s SINAD, SFD, SNH, E, IMD Osciloskopy 8 - GS/s GS/s BW, SINAD, THD, SFD Spekrálí aalýza 6-4 Ms/s,5 MS/s SINAD, SFD, IMD Přeos da MS/s MS/s SFD, BW, SINAD, D, INL, DNL, SNH Mobilí komuikace MS/s 4 GS/s SINAD, SFD, THD, IMD, ENOB, Geoyzika 6-4 ks/s ks/s THD, SINAD, D, E Medicía 6-4 MS/s - ks/s SFD, BW, INL, D, SNH adary a soary 8-6 GS/s MS/s SINAD, SFD, INL, BW F, Video, elevize 8 - MS/s 5 MS/s INL, DNL, SNH, SFD, BW, THD, SINAD, DG, DF A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 48

49 Jedoóová meoda ejlépe proložeé siusovky (Sigle Toe Fi Tes) Digializáor je buze siusovým sigálem, z jehož vzorků u(i) je 4 paramerovou meodou ejmeších čverců (ampliuda, kmioče, ss. složka, áze) rekosruová siusový průběh ENOB log T MS MS Fi q ( bi ) MS Fi M M k [ ( ) ] u Asi ω + Φ DC k k Vlasosi meody: - vyžaduje malý poče odebraých vzorků M - rychlá ierace - klasická meoda určeí ENOB - použielá i pro víceóové sigály MS SINAD q q / u dx q q / MS / Si T MSq SINAD T ( db) 6, +,76 A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 49

50 Jedoóová meoda spekrálí aalýzy (Sigle Toe Discree Fourier Trasorm Tes) Digializáor je buze siusovým sigálem, jehož vzorky x(i) jsou diskréí Fourierovou rasormací převedey do rekvečí oblasi X( k ) M i u( i ) e jπik / M M poče vzorků s M rekvečí rozlišielos při ekohereím vzorkováí s / k/l dochází k rozmazáváí spekra (leakage) uo uží okékováí (Blacma-Harris 4. řádu) THD T M / i i ENOB T SINAD T SINAD T ( db ), 76 6, M / i i A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 5

51 Dvouóová meoda spekrálí aalýzy (Dual Toe Discree Fourier Trasorm Tes) Digializáor je buze dvěma siusovými sigály o esoudělých kmiočech u( ) si ω + si ω THD T k k, 3.. l, 3, l SINAD T k k, 3.. l, 3,.. l IMD T k± l k, l,,.. + CF m EF SINAD SINAD T T ( db ) 6, ENOB ( db ) 6, ENOB T T + 4, 77 log CF +, 5 A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 5

52 Výsledky esováí a óovým sigálem.5 Sigle-oe 3k -oe Ampliude [V] [s] x -3 Ampliude [V] [s] x -3 Mag [db] -5 Mag [db] [Hz] x [Hz] x 4 A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 5

53 Mulióová meoda (Muli Toe Discree Fourier Trasorm Tes) Digializáor je buze více siusovými sigály o esoudělých kmiočech u MH m i i si( ω ) i SINAD MT m ( i ) i m + i k,,.. ( k ) i ENOB MT SINAD MT ( db) 76, + log m 6, m MT 4 8 CF MT 4 SINAD - 3dB - 6dB - db ENOB -,5 - -,5 i MTD / m CT MH m m i k,,.. m ( k ) ( ) i i i A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 53

54 Výsledky esováí 3 a 4 óovým sigálem 3-oe 4-oe Ampliude [V] Ampliude [V] [s] x -3 3 oe FFT Tes [s] x -3 Mag [db] -5 Mag [db] [Hz] x [Hz] x 4 A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 54

55 Tesováí AM sigálem Digializáor je buze AM sigálem s hloubkou modulace m AM m / u AM ( + cosω ) m m siω + m siω [ si( ω ω ) + si( ω + ω ) ] m m SINAD AM + m AM m i i km /, k,,.. m AM m AM,5,5 ENOB AM SINAD AM 4, 74 + log CF 6, AM ( bi ) CF AM,74,,3 SINAD -,8-3dB - 4,3dB ENOB -,3 -,5 -,7 CF AM ( + m ) + m AM AM A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 55

56 Výsledky esováí AM sigálem AM FFT Tes m.5 c7785hz AM FFT Tes m.5 c7785hz -5-5 Mag [db] - Mag [db] [Hz] x 4 AM FFT Tes m.5 c385hz [Hz] AM FFT Tes m c385hz x 4 Mag [db] -5 - Mag [db] [Hz] x [Hz] x 4 A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 56

57 Tesováí FM sigálem Digializáor je buze FM sigálem s modulačím idexem m FM ω/ω m m FM,5 SINAD FM + k m k,,.. m i km i km /, k,,.. k,,.. u FM ω ( ) ω si ω + ω ω m + ω.cos ω siω m m u FM ( ) si ω( ).cos cosω( ).si ( mfm si ωm) + ( m si ω ) FM m m FM ω ω ±ω m ω ±ω m,5,98, <,,5,94,4,3,,77,44, ENOB FM CF FM ( db) SINADFM 6, 4, 77 A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 57

58 Výsledky esováí FM sigálem FM FFT Tes m.5 FM FFT Tes m Mag [db] - Mag [db] [Hz] FM FFT Tes m x [Hz] x 4 FM FFT Tes m Mag [db] -5 - Mag [db] [Hz] x [Hz] x 4 A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 58

59 Tesováí rozmíaým sigálem Digializáor je buze lieárě rozmíaým siusovým sigálem s kosaí ampliudou v kmiočovém rozsahu až u ( ). si m π ( ) + + ϕ daa subsreams I-N Čyřparamerovou meodou ejmeších čverců se určí rozpyl, kerý se zooží s MS FIT sampled daa sream POC POC I POC II POC III POC N ENOB() MS Fi M X M k k m. si π k ( ) + ENOB log MS Fi / 3... N A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 59

60 Tesováí lumeou siusovkou Digializáor je buze lumeou siusovkou s čiielem úlumu d.5 d.6, 5kHz, khz π d u( ) e si π ( ) Samples CF DSW e π d -4 π d e π d (khz) (khz) d CF DSW 5,6,74 5,3,5 5,64,59 5,7 3,33 5,55 4,4 ENOB DSW SINAD DSW ( db) 6, 4, 77 Změou d lze měi čiiel výkyvu CF DSW obsah harmoických složek v esovacím sigálu a ím i A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 6

61 Výsledky esováí lumeou siusovkou Mag [db] d.6, 5kHz, khz Mag [db] Damped Sie Wave FFT Tes D c5khz d.64, 5kHz, khz [Hz] x [Hz] x 4 - d.3, 5kHz, khz - d.6, 5kHz, khz -4-4 Mag [db] Mag [db] [Hz] x [Hz] x 4 A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 6

62 Tesováí sigálem six/x Digializáor je buze impulsím sigálem six/x se sřídavou polariou impulsů V u ( ) ( π / T ) T + si Η π / T ( π / T ) T si Η π / T Sic FFT Tes, k,5k,cf5.5 ENOB Six / x SINAD ( db ) Six / x 4, 77 + log CF 6, Aalyické určeí CF SINC je emožé si x / x Mag [db] -5 T /T poče óů m CF SINC 5 7 5, , , [Hz] x 4 A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 6

63 Výsledky esováí sigálem six/x SINC CF7.8.5 SINC CF7.3 Ampliude [V] Ampliude [V] [s] x [s] Sic FFT Tes, 5,5k,CF7.8 Sic FFT Tes,5k, CF7 Mag [db] -5 Mag [db] [Hz] x [Hz] x 4 A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 63

64 Porováí výsledků esováí sigál óový, khz óový, khz, khz 4 óové, khz, khz, khz, khz Čiiel výkyvu SINAD (db) ENOB (bi).4 86,6 4,. 86, ,4 3.9 AM sigál c 7.78 khz.7,3 86,6 4, FM sigál, c khz ozmíaý sigál, khz 6 khz Tlumeá siusovka, khz 6 khz Six/x, 7 Hz 7kHz. 85,4 3.9,4 89, 4.5,7-4 86,6 4. 5,6 7,4 84,8 3,8 A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 64

65 i Hisogramová meoda měřeí čeosi výskyu kódových slov D Ideálí ADC q j Skuečý ADC Chybějící kódové slovo Digializáor je buze siusovým sigálem a je měřea poměrá čeos výskyu kódových slov. Diereciálí eliearia Iegrálí eliearia pi DNL( i) p ideal /4 / 3/4 Poměrá pravděpodobos výskyu kódových slov / r r INL j DNL i j i Miimálí poče vzorků p i N k ε mi D poče biů, k iervalový odhad, ε ejisoa určeí DNL 8, k,96(95%), ε 3%, N mi 6 +LSB -LSB Diereciálí eliearia DNL i D A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 65

66 Hisogram Tes INL, DNL Výsledky měřeí hisogramovou meodou ozlišielos ADC 6 biů Poče odebraých vzorků: 56 MB +DNLmax,5LSB -DNLmax,7 LSB + INLmax LSB -INLmax 4, LSB Poče chybějících kódových slov: 34 A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 66

67 Tesováí šumovým sigálem Vsup digializáoru je buze šumovým sigálem u s rozkmiu věším, ež je rozsah digializáoru. Meodou měřeí čeosi výskyu kódových slov p j se určí diereciálí elieariy jeho převodí charakerisiky DNL i w i p i i INL j DNL i σ c + i INL i ENOB log σ c A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 67

68 Měřicí sysém pro esováí šumovým sigálem IEEE 488 HPE363A AD4 HP33A.65 V KH349 HP344A.6 V rms. khz.65 V AD845 Σ HP33A Geeráor pseudoáhodého sigálu HPE363A egulovaelý ss. zdroj apěí KH349 Přeladielý ilr - dolí propus. řádu Buerworh HP344A číslicový mulimer A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 68

69 Předos: ekorelovaelos vzorkovacího a vzorkovaého sigálu, emožos vziku zázějů Nevýhoda: uos užií velkého poču vzorků Miimálí poče vzorků Výsledky esováí šumovým sigálem Diereciálí eliearia N k ε mi. Iegrálí eliearia poče biů, k iervalový odhad, ε ejisoa určeí DNL 8, k,96(95%), ε 3%, N mi 6 A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 69

70 Výsledky esováí šumovým sigálem AD4: 4 bi, 5kS/s, ENOB(kHz),6 bi ENOB [bi] 4 3 ejlépe proložeá siusoida DFT širokopásmové hodoy úzkopásmové hodoy - pokles arim. řadou úzkopásmové hodoy - pokles geom. řadou 9 [khz] A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 7

71 Vlasí šum digializáoru Měří se čeos výskyu kódových slov při uzeměém vsupu digializáoru. Eekiví rozlišielos (Eecive esoluio) E( bi ) log FS MS NOISE Bezšumá kódová rozlišielos (Noise Free Code esoluio) NFC( bi ) log log FS 6, 6MS NOISE FS MS pp E, 7 A3M38ZDS_ Tesováí digializáorů 7

72 Zásady ávrhu a aplikace A/Č obvodů Způsoby buzeí A/Č převodíků ušivé sigály Napájeí A/Č sysémů Impedačí přizpůsobeí Síěí elekroických obvodů Zásady ávrhu išěých spojů Přeos sigálů z hlediska EMC Mikropásková vedeí Odděleí apájecích a sigálových zemi A3M38ZDS_3 7

73 Buzeí A/Č převodíků asymerický vsup, asymerické buzeí A/Č, jedoduché apájeí Převzao: A3M38ZDS_3 73

74 Buzeí A/Č převodíků asymerický vsup, asymerické buzeí A/Č, jedoduché apájeí, ail o ail Převzao: A3M38ZDS_3 74

75 Buzeí A/Č převodíků - vsupy A/Č převodíků SC echologie Převzao: A3M38ZDS_3 75

76 Buzeí A/Č převodíků asymerický vsup, asymerické buzeí A/Č Převzao: A3M38ZDS_3 76

77 Buzeí A/Č převodíků - asymerický vsup, symerické buzeí A/Č Převzao: A3M38ZDS_3 77

78 ozdílový zesilovač s rozdílovým výsupem Převzao: A3M38ZDS_3 78

79 ozdílový zesilovač s rozdílovým výsupem aplikace Převzao: A3M38ZDS_3 79

80 Buzeí A/Č převodíků - asymerický vsup, symerické buzeí A/Č Převzao: A3M38ZDS_3 8

81 Buzeí A/Č převodíků - asymerický vsup, symerické buzeí A/Č Převzao: A3M38ZDS_3 8

82 Buzeí A/Č převodíků - asymerický vsup, symerické buzeí A/Č šumová kalkulace Převzao: A3M38ZDS_3 8

83 Buzeí A/Č převodíků - rasormáorové a kapacií vazby Převzao: A3M38ZDS_3 83

84 84 ušivé sigály z u u C v C z Zdroje elmg. rušeí: přirozeé (sluečí zářeí, amosérické poruchy, blesky) umělé (silové sroje, rasormáory, moory, el. pece, vysílače) Vazebí médium: vodiče (galvaické vazby), izolay (kapacií a idukčí vazby) Ss. rušivé sigály: úbyky apěí a vodičích izolace sigálů (izolačí zesilovače) ermoelekrická apěí - elimiace eploí egalizací, párováím spojů (spoje Cu-Cu, Cu-Ag, Cu-Au, Cu-7Cd3S,3 µv/k, Cu-PbS 3 µv/k, CuCuo mv/k) Sř. rušivé sigály: elekrosaická idukce, elekromageická idukce Elekrosaická idukce Elekromageická idukce ) C ( C e C C u u C 4 C C v z z / v z z v v z + + ± + + τ π τ z max z z z z I Z Z d di M u ) C ( C 4 M π π A3M38ZDS_3

85 Napájeí A/Č sysémů ozvod zemí a apájeí aalogově číslicového sysému Filrace apájecích apěí měřicí zesilovač vzorkovací zesilovač S/H + B µf µf Ω +IN -IN S MZ - G OT IN - G OT C H IN A/Č převodík - AG + DG + EOC SE. DATA STAT 68F 68F + B F F SG 5µF - B - B µf Ω µf µf µf -5V +5V izolovaé apájecí +5V zdroje i u B C změa apěí Filrace apájecí síě Koaxiálí lumivka L S Poj. 6,8mH síěí eriový oroid PE I -I N 6,8mH pp π LC Nulová ss. idukce - edochází k přesyceí jádra a ím k redukci idukčosi A3M38ZDS_3 85

86 Impedačí přizpůsobeí Parazií kapaciy a idukčosi 5mΩ/cm 4H/mΩ H/cm 3H Spoj je uo impedačě přizpůsobi, je-li dvojásobek zpožděí průchodu sigálu věší, ež je doba rváí ásupé hrayt r ebo sesupé hray T obvodu. čip 4H/mΩ 5mΩ/cm H/cm C 3H Př.: cm spoj, I,A, di/d,a/s, mω, L 4 H, I, mv, L L di/d,4 V apěí L překračuje šumovou imuiu obvodů HCMOS,9 V - zkrái přívody k blokovacímu C Obvod I (ma) T r (s) m (V) C (pf) TTL 6 8,4,6 LS 8 5,4,5 CMOS (5V) 7,,3 CMOS (V) 5 3, HCMOS 5 3,5,7,4 A3M38ZDS_3 86

87 Síěí elekroických obvodů Elekrosaického síěí - síící kryy z vodivého maeriálu (ski eek) Elekromageické síěí - ocelový plech, hliík, permalloy PY76 (4Fe + 76Ni) Tloušťka síícího kryu d >> δ (hloubka viku) Hloubka viku Fe, Al a Cu [khz] δ Fe [mm] δ Al [mm] δ Cu [mm],5,88, 8,9,,68 8,5 6,6,,7,,8,84,66,,3,,8,8,8 δ ρ π µ B k exp B µ [ H/m] permeabilia, ρ [ Ωm] ( d / δ ) síící úlum B poče síících kryů měrý odpor Jedoduché síěí: B až, víceásobé síěí B až 3 Akiví síěí: vějším mageickým polem, geerovaým a základě měřeí mageického pole síěého prosoru B 3 až 4 Síěí mageického pole Země: 8 A/m ± 5 A/m Tvar síícího kryu: uzavřeý ažeý ebo svařeý var, oblé hray, malé ovory Maeriál: čisé Fe, Permalloy, Feri A3M38ZDS_3 87

88 Zásady ávrhu išěých spojů Volba ízkopříkoových součásek s maximálí husoou iegrace - miimalizace rušeí ozmísěí součásek směrem od vyšší k ižší šířce pásma Volba miimálího vzorkovacího kmioču - omezeí rušeí ozvod vzorkovacích sigálů harmoickým, příp. lichoběžíkovým průběhem - miimalizace výskyu vyšších harmoických Prokládáí daových spojů uzeměými vodiči - sížeí přeslechu až o db Řazeí vrsev plošých spojů vrsvy Poz. S (G) S (P) 4 (S) S G P S 6 (4S) S G S S3 P S4 6 (4S) S S G P S3 S4 6 (3S) S G S P G S3 8 (6S) S S G S3 S4 P S5 S6 8 (4S) S G S G P S3 G S4 EMC (6S) S G S S3 G P S4 S5 G S6 EMC S sigálová vrsva P apájeí G zem kočeí plošých spojů a okraji desky - pravidlo h A3M38ZDS_3 88

89 Přeos sigálů z hlediska EMC Asymerický přeos sigálu Symerický přeos sigálu koaxiálí kabel IN Z koaxiálí kabel OT +IN -IN Z Z OT G Z G G Z Z G s / L s / L s / s / G p C p Polačeí souhlasé složky sigálu CM Náhradí schéma vedeí s rozprosřeými paramery Symerický kabel (dvojlika) Koaxiálí kabel Z T pd G s p LC + jωl s + jωc p L C yp druh Z [Ω] s p Z Z k C [pf/m] L [µh/m] T pd [s/m] Z Z d B(MHz) [db/m] AWG8 plochý kabel G58 koaxiálí kabel 5 93,3 4,6 4,8 G59 koaxiálí kabel 75 69,39 5,, G6 koaxiálí kabel 44,44 4,4 8,9 AICOM koaxiálí kabel 5,5,7 3,3 A3M38ZDS_3 vodiče izolace D µ D l π ε d 3Ω, 5Ω Z Z C T pd d D πε D l d LC plášť izolace viří vodič µ D l π ε d 5Ω, 75Ω, Ω L 89 µ π D d

90 Mikropásková vedeí Vodič ad plošým spojem Asymerické mikropáskové vedeí Symerické mikropáskové vedeí d vodič akiví vodič w akiví vodič w lamiá h uzeměý vodič h lamiá b h h uzeměý vodič uzeměé vodiče 6 4h Z l ε d ε r, d,6 mm, h,54 mm Z Ω Z 87 6h l ε r +,4,8w + T pd,475 ε r +,67 Z 6 4b l ε r,67πw,8 + T pd,475 ε r +,67 w Z [Ω] w [mm] C [pf/cm] L [H/cm] T pd [s/cm] 5,67,5,86,57 75,7,75 4,3,57,63,59 5,9,57 A3M38ZDS_3 9

91 Odděleí apájecích a sigálových zemi Odděleí apájecích zemí Izolačí přemosěí Izolačí příkop L V cc V DDA izolačí příkop spojeo se síěím izolačí příkop spojeo se síěím 4x DGND AGND I/O imulsí rao (opro) DC/DC I/O AGND DGND Aiparalelě zapojeé Schoky diody chráí aalogově číslicové obvody proi působeí elekrosaického apěí. Izolačí přemosěí sousřeďuje sigály do určiého mísa a evyžaduje jejich galvaickou izolaci. Země AGND a DGND jsou přemosěy lumivkou cca 47µΗ Izolačí příkop galvaicky izoluje aalogově číslicové obvody od číslicových obvodů. Vyžaduje užií izolačích rasormáorů (oproů) a DC/DC měiče. A3M38ZDS_3 9

92 Příklad zapojeí rychlého sysému A3M38ZDS_3 9

93 Vrsvy išěých spojů rychlého sysému A3M38ZDS_3 93