Analogt och Digitalt.

En presentation över ämnet: "Analogt och Digitalt."— Presentationens avskrift:

1 Analogt och Digitalt

2 Analoga och Digitala Signaler
Analogt Digitalt

3 Analogt kontra Digitalt
få komponenter låg effektförbrukning ”verkliga” signaler Digitalt Hög precision Komplexare algoritmer Lagringskapacitet CD/DVD, MP3, Digitalkamera, GSM, datorer, etc, etc

4 Muzak Digital Storage Analog Processing Processing AD-Conversion
DA-Conversion Amplification Filtering Amplification Filtering Muzak

5 AD/DA i Radio Gränssnitt Analogt/Digitalt Radiosändare Analog Digitalt
Trenden idag är att flytta Analog/Digital gränsnittet så nära antennen som möjligt. Digitalt Analog DA j Coder FFT LO DA RF Digitalt Analog AD j De- Coder FFT SYNC LO RF AD Radiomottagare

6 Digitala Signaler Kontinuerlig Analog signal Kvantisering =
Begränsat antal nivåer = Diskret Amplitud 111 001 000 Samplad Signal = Diskret tid Kontinuerlig Analog signal Digital Signal = Diskret tid och amplitud

7 (Med denna definition kan inte Vfs nås)
Binära Talsystemet MSB = Most Significant Bit LSB = Least Significant Bit Minsta förändringen 0 0 0 (0) 0 0 1 (1) 0 1 0 (2) 0 1 1 (3) 1 0 0 (4) 1 0 1 (5) 1 1 0 (6) 1 1 1 (7) Vfs = V full scale = 1LSB*2N (Med denna definition kan inte Vfs nås) Voutmax = VLSB(2N-1) N bitar 2N ord

8 Dynamik och Upplösning
Antal Antal Upplösning Dynamik bitar Intervall Vfs=0.5V VLSB= V 0.5V mV 8V mV 128V mV V

9 Värden approximeras antingen upp eller ner
Kvantiseringsfel Nivå X+1 Nivå X Nivå X+1 Avrundning Värden approximeras antingen upp eller ner Maximalt fel = 1/2 LSB Nivå X Trunkering Alla värden mellan två nivåer approximeras åt samma håll Maximalt fel = 1LSB

10 2+2=5 ( =4.8) (2±0.5+2±0.5=4±1.0)

11 Nyquists Samplingsteorem
Om man samplar en analog signal med en bandbredd, BWsignal , med en samplingsfrekvens kan den analoga signalen återskapas. Mer om detta i Digital Signalbehandling

12 Sampling : fs > 2fsignal
1 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

13 Sampling : fs < 2fsignal
1 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

14 Signalerna kan förväxlas - vikning
1 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

15 Exempel: Digitalt ljud, CD/DVD
Storage- CD Home Studio Read CD Coding for error correction Error correcting decoding AD-conv. DA-conv. Amplification Filtering Amplification Filtering

16 CD kontra DVD audioformat
Specification CD Audio DVD Audio Sampling Rate 44.1 kHz 192 kHz Samples Per Second 44,100 192,000 Sampling Accuracy 16-bit 24-bit Number of Possible Output Levels 65,536 16,777,216

17 CD/DVD Om man sträcker ut spåret på en CD blir det nästan 5 km.
0.5microns 1.6microns Track Pitch: 1.6mm mm Bump width: 0.5mm mm

18 ”Hålen” passerar lasern med konstant hastighet
CD spelaren Lasern flyttas från centrum och utåt och hastigheten reduceras från 500rpm to 200 rpm ”Hålen” passerar lasern med konstant hastighet

19 Felkorrigerande koder
Data kodas så om ett ”begränsat” antal fel uppstår kan de korrigeras. Felkorrigerande koder ger fler bitar. Mer om detta i kursen ”Kodningsteknik” Man kan borra ett ”litet” hål och fortfarande spela CDn. ”fel” längs spåren är värre än diagonala.

20 Digital -> Analog domän
DA-omvandlare

21 Digital till Analog Konvertering
Inverterande OP-koppling = Summatorn msb Rf R Vref 2R Vout lsb 2N-1R

22 Digital till Analog Konvertering
Inverterande OP-koppling = Summatorn msb Rf R Vref 2R Vout lsb 2N-1R

23 Digital till Analog Konvertering
Inverterande OP-koppling = Summatorn msb Rf R Vref 2R Vout lsb 2N-1R

24 Digital till Analog Konvertering
Inverterande OP-koppling = Summatorn msb Rf R Vref 2R Vout Digitalt ord styr switcharna lsb 2N-1R

25 Digital till Analog Konvertering
msb Rf R Vref 2R Vout Om 16 bitar lsb 2N-1R Svårt med så stora motståndsvärden! Litet antal bitar med relativt låga krav.

26 DA-omvandling - R/2R Stege
Börja analys från detta hållet R R 2R Varje gren en inverterande OP-koppling Vref 2R 2R 2R lsb Rf msb Vout

27 DA-omvandling - R/2R Stege
Parallellkoppling av motstånd

28 DA-omvandling - R/2R Stege
Spänningshalvering i varje steg

29 DA-omvandling - R/2R Stege
Matchade motstånd Ej större än 2R Vref 2R 2R 2R lsb Rf msb Vout

30 Fel i DA-omvandling Skalfaktorfel Analog Signal Metod: Korrigera
Digital Signal VLSB 111 001 000 Vfs Analog Signal Skalfaktorfel Metod: Korrigera förstärkningen

31 Fel i DA-omvandling Offsetfel Analog Signal Metod: Addera likspänning
Digital Signal VLSB 111 001 000 Vfs Analog Signal Offsetfel Metod: Addera likspänning

32 Fel i DA-omvandling Linäritetsfel Analog Signal Metod: Svårt! Ev.
Digital Signal VLSB 111 001 000 Vfs Analog Signal Linäritetsfel Metod: Svårt! Ev. Korrigera efter tabell

33 Analog -> Digital domän
AD-omvandlare

34 Analog till Digital omvandling
Filtrerad analog signal Samplad signal Analog In Digital ut Lågpass filter Sample & Hold A/D omvandling Antiviknings- filter Klocksignal

35 Sample & Hold Under AD-omvandlingen får inte det analoga värdet ändras
Sample & Hold krets Acquisition time = tid för utsignalen att följa insignalen när man går från HOLD till SAMPLE sample hold sample hold sample

36 Drop rate = Kondensatorn laddas ur
Sample & Hold Spara ett analogtvärde Kondensator sample Drop rate = Kondensatorn laddas ur RL sample hold hold

37 Sample & Hold med Buffer
Hög Rin Liten ström RL

38 Sample & Hold med Buffer
RL Buffert för att inte lasta insignalkällan

39 Flash-omvandlare Vfs 3R/2 Analog Sample Digitala R Utgångar D E R C O
Snabb men kräver mycket hårdvara Antal Komp. 8 bitar = 255 16 bitar = R/2 2N-1 Komparatorer

40 Succesivapproximation
VIN Fyra Bitar Vfs DAC XLSB VIN 1100 1010 1001 1000 XMSB Register StyrLogik Binär Sökning Alltid samma Omvandlingstid N bitar N jämförelser Förslag Test OK 1000 NEJ 1000 NEJ 1000 OK 1001 Utvärde

41 Räknarbaserad AD-omvandlare
Räknare DAC XLSB XMSB VIN Klar Komparator jämför det DA-omvandlade värdet med insignalen Två-typer: Trappstegs- och Följande-omvandlare

42 Trappstegsomvandlare
VIN VIN Klar DAC XLSB Klar/ Nollställning XMSB Räknare Klar Omvandlingstid beror på Insignalsnivån

43 Utsignalen följer Insignalen Snabbare än Trappstegs
Följandeomvandlare VIN VIN DAC XLSB XMSB UPP/NER Räknare Utsignalen följer Insignalen Snabbare än Trappstegs

44 Räknaren begränsas av en bit per klockcykel
Följandeomvandlare VIN Insignalen variera för snabbt DAC VIN XLSB XMSB UPP/NER Räknare Räknaren begränsas av en bit per klockcykel

45 Men snabbare omvandling betalas med extra hårdvara
Omvandlingstid Trappstegsomvandlare 2N -1 Succesiv approximation N Flash 1 Men snabbare omvandling betalas med extra hårdvara

46 Sigma-Delta

47

48

49

50

51 1-bit MHz Sampling