Verze 1 Analogově číslicové převodníky Doplněná inovovaná přednáška Zpracoval: Vladimír Michna Pracoviště: Katedra textilních a jednoúčelových strojů TUL Tento materiál vznikl jako součást projektu In-TECH 2, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.
In-TECH 2, označuje společný projekt Technické univerzity v Liberci a jejích partnerů - Škoda Auto a.s. a Denso Manufacturing Czech s.r.o. Cílem projektu, který je v rámci Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost (OP VK) financován prostřednictvím MŠMT z Evropského sociálního fondu (ESF) a ze státního rozpočtu ČR, je inovace studijního programu ve smyslu progresivních metod řízení inovačního procesu se zaměřením na rozvoj tvůrčího potenciálu studentů. Tento projekt je nutné realizovat zejména proto, že na trhu dochází ke zrychlování inovačního cyklu a zkvalitnění jeho výstupů. ČR nemůže na tyto změny reagovat bez osvojení nejnovějších inženýrských metod v oblasti inovativního a kreativního konstrukčního řešení strojírenských výrobků. Majoritní cílovou skupinou jsou studenti oborů Inovační inženýrství a Konstrukce strojů a zařízení. Cíle budou dosaženy inovací VŠ přednášek a seminářů, vytvořením nových učebních pomůcek a realizací studentských projektů podporovaných experty z partnerských průmyslových podniků. Délka projektu: 1.6.2009 31.5. 2012
Rozdělení signálů podle jejich spojitosti v čase
Aby bylo možno hodnoty naměřené veličiny, získané v analogové formě, používat také v číslicovém vyjádření (zpracování výpočty, komunikace...), je nutné je do číslicové formy převést analogově číslicové převodníky (AČP), tedy časově spojitý signál převést na diskrétní číslicový A jak? Vzorkováním, t.j. odebíráním vzorků (hodnot signálu) v (pravidelných) časových intervalech délky T s a jejich převedením na čísla, která se dále zpracovávají (paměťují, zobrazují...) Pro korektní převod, t.j. takový, aby z jeho výsledku bylo možno zpětně získat (zrekonstruovat) původní signál, musí být splněna t.zv. vzorkovací věta (Shannon Kotělnikův teorém), určující minimální frekvenci vzorkování (samplování používaná jednotka S/s nebo Sa/s): 1 fs 2 fm ( fs ) Ts rovnost pro nekonečnou dobu vzorkování fm kmitočet nejvyšší harmonické, která má ještě pro přenos informace význam (př. pro akustický signál je f m = min. 20 khz)
Aby byla podmínka vzorkovací věty vždy splněna, používá se na vstupu AČP DOLNOFREKVENČNÍ PROPUST (antialiasingový filtr) oříznou se vyšší frekvence, které by se v periodě samplování T s opakovaly.
Analogově číslicové převodníky (AČP, ADC) převádí spojitě proměnný vstupní signál na posloupnost číselných hodnot Přímé AČP výstupem je počet kvant q měřené veličiny Nepřímé AČP pracují s mezipřevodem měřené veličiny na čas (nebo frekvenci), výstupem je počet kvant q v časové oblasti
POZNÁMKA: teoretický vztah mezi počtem bitů převodu a přesností (rozlišením) převodu: pro 8-mi bitový převod 2 8 = 256; 100% : 256 0,4 % pro 10-ti bitový převod 2 10 = 1 024; 100% : 1024 0,1 % pro 16-ti bitový převod 2 16 = 65 536; 100% : 65 536 0,0015 % pro 24-ti bitový převod 2 24 =... 100% :... 6.10-6 % Schodovitý průběh převodní charakteristiky způsobuje odchylku od ideálního průběhu a projevuje se jako kvantizační šum SNR (Signal-to-Noise Ratio). Pro sinusový signál je teoretické SNR dáno vztahem: SNR 6,02n 1,76 kde n je počet bitů datového slova (rozlišení). Vlivem chyb převodníku je však skutečné SNR odlišné od ideálního, a proto pro porovnání kvality A/D převodníků zavádíme efektivní počet bitů ENOB (Effective Number Of Bits): ENOB SNR 1,76 6,02 db n
Přímé AČP: Kompenzační s postupnou aproximací: porovnává měřené napětí U M s kompenzačním napětím U K, vzniklým jako úbytek napětí na (přesném) kompenzačním rezistoru R K proudem procházejícím postupně spínanými rezistory (R, 2R, 4R, 8R) pro každý řád vyžaduje přesné referenční napětí U REF. V průběhu jednotlivých taktů (připojování váhových rezistorů R, 2R,...) je na vstupu komparátoru jeden ze stavů: 1.U K < U M posledně připojený váhový rezistor je sepnutý, odpovídající váhový bit = H, spíná se další nejlíže vyšší váhový rezistor 2.U K U M posledně připojený váhový rezistor se odpojí, odpovídající váhový bit = L, spíná se další nejlíže nižší váhový rezistor 3.U K = U M převod je ukončen Výstup AČP (číselný údaj o měřeném napětí U M ) je dán kombinací spínačů spínajících váhové rezistory (viz. následující obrázek pro jednu dekádu)
Dekáda kompenzačního AČP princip funkce
Blokové schéma kompenzačního analogově číslicového převodníku
Základní vlastnosti kompenzačních AČP: Analogově číslicové převodníky (AČP) vyrábějí se 8-mi až 16-ti bitové (přesnost převodu 0.4 až 0,0015 %) doba převodu asi 10 μs (10 000 měření /sek) pro jedno měření je třeba více taktů (hodinových impulzů) vzorkovací frekvence 10 až 100 khz vyžadují konstantní vstupní napětí během doby převodu na vstup vzorkovač s pamětí nejsou odolné vůči seriovému rušení
Komparační AČP: je rychlejší než kompenzační, měřené napětí U M se v průběhu jednoho taktu porovnává s řadou napěťových úrovní, vytvořených z referenčního napětí U REF na odporovém děliči. Každé úrovni napětí je přiřazen jeden komparátor (paralelní převod) Základní vlastnosti: vyrábějí se 6, 8, 10-ti bitové (pro 8-mi bitový je potřeba 256 komparátorů), pro vícebitové převodníky vícestupňové (tandemové) uspořádání doba převodu (taktu) 0,5 až 100 ns vzorkovací frekvence stovky MHz až jednotky GHz
Nepřímé AČP: AČP s dvoutaktní integrací: je základním typem integračních AČP, při obvodové jednoduchosti je poměrně přesný. V 1. taktu se po definovanou dobu T 1 (danou počtem period vnitřních hodin CLK) nabíjí integrační kondenzátor C konstantním proudem (po přímce) měřeným napětím U M Ve 2. taktu se pomocí opačně orientovaného referenčního napětí U REF vybíjí integrační kondenzátor C (opět konstantním proudem). Doba T 2 vybíjení kondenzátoru C (U C = 0) je přímo úměrná průměrné hodnotě měřeného napětí U M během doby T 1 Základní vlastnosti: vyrábí se až 18-ti bitový přesnost převodu 0,0004 % doba převodu asi 100 až 200 ms (jsou pomalé) rozlišovací schopnost asi 0,1 μv velmi odolné vůči seriovému rušení (síťová frekvence a její násobky) jako u všech převodníků požaduje přesné a stabilní referenční napětí U REF
Funkční schéma a princip funkce dvoutaktního AČP
V současné době se velice rozšířily A/D převodníky typu sigma-delta. Jádrem tohoto synchronního převodníku je integrátor a komparátor, který generuje sled pulzů, jejichž střední hodnota počtu za určitý interval odpovídá vstupnímu napětí. Střední hodnota se vytváří v číslicovém filtru. Srovnání hlavních parametrů analogově číslicových převodníků: Typ Rozlišení [bit] Rychlost převodu [Hz] Komparační 6 až 10 10 7 až 3*10 9 Kompenzační 8 až 16 3*10 4 až 3*10 6 Integrační 10 až 18 (27?) 10-1 až 10 3 Sigma - delta 16 až 24 10 1 až 10 5