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

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije2 / 25

A/D konverzija

Slika: Prikaz signala u analognom i digitalnom domenu

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije3 / 25

A/D konverzija

Slika: Postupak konverzije signala iz analognog i digitalni oblik

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije4 / 25

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

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije5 / 25

A/D konverzija - sample and hold

Slika: Principijelna sema sklopa ”sample and hold”

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije6 / 25

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

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije7 / 25

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

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije8 / 25

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.

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije9 / 25

Brojacki A/D konvertor

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.

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije10 / 25

Brojacki A/D konvertor

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

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije11 / 25

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.

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije12 / 25

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.

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije13 / 25

Metoda dvostrukog integriranja

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)

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije14 / 25

Metoda dvostrukog integriranja

T1 = 2NTtakt (6)

Zamjenom

Uanalog = UrefT2 − T1

2NTtakt(7)

Vrijeme T2 − T1 je jednako broju signala takta n

Uanalog = Urefn

2N(8)

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije15 / 25

Paralelni AD konvertor

Slika: AD konvertor na bazi paralelnog komparatora

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije16 / 25

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

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije17 / 25

Naponsko frekventni konvertor

Slika: Talasni oblici na naponsko frekventnog konvertora

Zanemaren je interval t1dUC

dt=

UG −UD

t2(9)

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije18 / 25

Naponsko frekventni konvertor

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)

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije19 / 25

Digitalno analogna konverzija

Slika: DA konvertor na bazi sumatora

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije20 / 25

Digitalno analogna konverzija

Slika: DA konvertor na bazi sumatora - talasni oblik

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije21 / 25

Digitalno analogna konverzija

Slika: DA konvertor na bazi skaliranja

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije22 / 25

Digitalno analogna konverzija

Slika: DA konvertor na bazi skaliranja - opis

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije23 / 25

Digitalno analogna konverzija

Slika: DA konvertor na bazi visestrukih strujnih izvora

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije24 / 25

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.

Fakultet elektrotehnike Univerziteta u Tuzli

Laboratorij za informacijsko-komunikacijske tehnologije25 / 25