Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Analogt och Digitalt Bertil Larsson, Viktor Öwall

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Analoga och Digitala Signaler Analogt Digitalt

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Analogt kontra Digitalt Analogt få komponenter låg effektförbrukning höga frekvenser ”verkliga” signaler Digitalt Hög precision Komplexare algoritmer Lagringskapacitet Tidsfördröjningar CD/DVD, MP3, Digitalkamera, GSM, datorer, etc, etc

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Amplification Filtering Storage AD-Conversion Processing DA-Conversion Amplification Filtering Digital Analog Exempel som beskriver all Datakonvertering: Automation, hushållsmaskiner, bilar etc.

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Radiomottagare  AD LO Analog SYNC FFT De- Coder FFT Coder Digitalt  DA LO Analog RF Radiosändare AD/DA i Radio, t.ex. i mobilen och i WiFi Digitalt RF Gränssnitt Analogt/Digitalt Trenden idag är att flytta Analog/Digital gränsnittet så nära antennen som möjligt.

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Digitala Signaler Kontinuerlig Analog signal Digital Signal = Diskret tid och amplitud Kvantisering = Begränsat antal nivåer = Diskret Amplitud Samplad Signal = Diskret tid

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Dynamik och Upplösning AntalAntalUpplösningDynamik bitarIntervallV fs =0.5Vi dB V24dB 82562mV48dB mV72dB  V96dB nV144dB

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Blockscheman AD- och DAomvandlare

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Sampling Stickprov (sampling) i vissa tidsögonblick påverkar signalens spektrum Detta medför krav på: –frekvensinnehållet i signalen dvs på ingångsfiltret –samplingstakten

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Spektrum vid sampling

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Nyquists Samplingsteorem Om man samplar en analog signal med en bandbredd, BW signal, med en samplingsfrekvens Mer om detta i Digital Signalbehandling kan den analoga signalen återskapas.

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Det mänskliga örat har en bandbredd 20Hz-20kHz, om kan den analoga signalen återskapas. Nyquists Samplingsteorem - Audio

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden Sampling – f s > 2f signal

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Sampling – f s < 2f signal

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Signalerna kan förväxlas - vikning

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Filterkrav

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- CD kontra DVD audioformat SpecificationCD AudioDVD Audio Sampling Rate44.1 kHz96/192 kHz Sampling Accuracy16-bit24-bit Number of Possible Output Levels 65,53616,777,216

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Sample & Hold

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Sample & Hold Under AD-omvandlingen får inte det analoga värdet ändras Sample & Hold krets hold sample holdsample Acquisition time = tid för utsignalen att följa insignalen när man går från HOLD till SAMPLE

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Sample & Hold hold sample Spara ett analogtvärde Kondensator hold sample Droop rate = Kondensatorn laddas ur RLRL

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Sample & Hold med Buffer RLRL Hög R in Liten ström

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Sample & Hold med Buffer RLRL Buffert för att inte lasta insignalkällan

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Definitioner av osäkerhet i samplingen

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Analog till Digital omvandling

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Analog till Digital omvandling Lågpass- filter Sample & Hold A/D omvandling Klocksignal Analog In Digital ut Filtrerad analog signal Samplad signal Antiviknings- filter

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Ideal ADomvandlare Analoga spänningar grupperas till ett digitalt tal Då uppstår ett fel mellan det analoga värdet och det digitala som kallas kvantiseringsfel. Felet ligger mellan -1/2 LSB och +1/2 LSB Om en växelspänning omvandlas blir detta ett brus SNR=6.02*N+1,78 dB

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Nivå X Nivå X+1 Avrundning Värden approximeras antingen upp eller ner Maximalt fel = 1/2 LSB Kvantiseringsfel Nivå X Nivå X+1 Trunkering Alla värden mellan två nivåer approximeras åt samma håll Maximalt fel = 1LSB

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Analog till Digital omvandlare

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Flash-omvandlare V fs 3R/2 R R R/2 Analog Sample DECODERDECODER 2 N-1 Komparatorer Digitala Utgångar Snabb men kräver mycket hårdvara Antal Komp. 8 bitar = bitar =

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Succesivapproximation Register DAC X LSB X MSB V IN StyrLogik V fs V IN Fyra Bitar Utvärde Test Förslag Binär Sökning Alltid samma Omvandlingstid N bitar N jämförelser OK 1000 NEJ 1000 NEJ 1000 OK 1001

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Integrerande Omvandlare, Dual Slope Clock Analog In -V Ref R C Komparator Digitalt UT Control 1. Kondensatorn laddas upp med Analog IN medan räknaren går till max 2. Kondensatorn laddas ur med V ref, räknarvärdet vid omslag mått på analoga spänningen Counter

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Integrerande Omvandlare, Dual Slope Clock Analog In -V Ref R C Komparator Digitalt UT Control Utsignalen är beroende av både upp- och urladdning men EJ av C och R. Ej känslig för drift i klockfrekvens och variationer i R och C Counter

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Kort om  -omvandlare Bygger på att vi översamplar signalen och får en bitström med betydligt högre takt än vår Nyqvist-samplingstakt. Därefter filtreras och decimeras (minskas) sampeltakten och vi får ut digitala ord med hög upplösning och mindre brus. Antalet bitar beror på översamplingen. Integrator Kvantisering  Analog in Digital ut Filtrering och Decimering Klocka Digital bitström, f=f(v) Digital ord i lägre takt  -modulatorn

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Delta-Sigma omvandlare (1-bits omvandlare) Vanlig i audio, telefoner, etc. Medelsnabb, hög noggrannhet > 20 bitar (mkt. signalbehandling)

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- OSR = Over Sampling rate Hastighet och antal bitar k10k100k1M10M100M1G INTEGRATING DELTA SIGMA CONVERTERS SUCCESSIVE APPROXIMATION ALGORITHMIC FLASH #bits f S 1 nivå / T clk 1 ord / (OSR T clk ) 1 bit / T clk 1 ord / T clk Original från Piero Andreani

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Digital till Analog omvandling

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Digital till Analog Konvertering V ref V out R RfRf 2R 2 N-1 R msb lsb Digitalt ord styr switcharna Inverterande OP-koppling = Summatorn

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Digital till Analog Konvertering V ref V out R RfRf 2R 2 N-1 R msb lsb Om 16 bitar Svårt med så stora motståndsvärden! Litet antal bitar med relativt låga krav.

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- R-2R stegen

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- DA-omvandling - R/2R Stege 2R R Parallellkoppling av motstånd

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- DA-omvandling - R/2R Stege 2R R Spänningshalvering i varje steg R R 2R V´ Samma ström i varje gren Strömmen halveras efter varje steg

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- DA-omvandling - R/2R Stege V ref V out RfRf msb lsb 2R R R

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- DA-omvandling - R/2R Stege V ref V out RfRf msb lsb 2R R R Matchade motstånd Ej större än 2R I -> V

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- FEL BESKRIVNA I DATABLAD

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- AD- och DA-omvandling Överföringen skall vara linjär dvs. y = k*x där k är konstant, y är den digitala och x är den analoga signalen En verklig omvandlare har fel i överföringen: y = k(x)*x + m där k(x) varierar och m är nollfel Digital Signal V LSB V fs 0 Analog Signal

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Skalfaktorfel Digital Signal V LSB V fs 0 Analog Signal Skalfaktorfel Metod: Korrigera förstärkningen

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Offsetfel Digital Signal V LSB V fs 0 Analog Signal Offsetfel Metod: Addera likspänning

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Linjäritetsfel Digital Signal V LSB V fs 0 Analog Signal Linjäritetsfel Metod: Svårt! Bästa passning Ev. Korrigera efter tabell

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden- Differentiellt olinjäritetsfel, DNL

Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-