Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt.

En presentation över ämnet: "Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt."— Presentationens avskrift:

1 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt

2 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt Analogt och Digitalt Bertil Larsson, Viktor Öwall

3 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt Analoga och Digitala Signaler Analogt 001100101010100000111110000100101010001011100010001000100 Digitalt

4 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt 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

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

6 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt 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.

7 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt Digitala Signaler Kontinuerlig Analog signal Digital Signal = Diskret tid och amplitud Kvantisering = Begränsat antal nivåer = Diskret Amplitud 111 001 000 Samplad Signal = Diskret tid

8 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt Dynamik och Upplösning AntalAntalUpplösningDynamik bitarIntervallV fs =0.5Vi dB 4160.03125V24dB 82562mV48dB 1240960.12mV72dB 1665 5367.6  V96dB 2416 777 21629.8nV144dB

9 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt Blockscheman AD- och DAomvandlare

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

11 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt Spektrum vid sampling

12 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt 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.

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

14 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt 012345678910 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Sampling – f s > 2f signal

15 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt Sampling – f s < 2f signal 012345678910 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

16 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt Signalerna kan förväxlas - vikning 012345678910 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

17 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt Filterkrav

18 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt 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

19 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt Sample & Hold

20 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt 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

21 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt Sample & Hold hold sample Spara ett analogtvärde Kondensator hold sample Droop rate = Kondensatorn laddas ur RLRL

22 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt Sample & Hold med Buffer RLRL Hög R in Liten ström

23 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt Sample & Hold med Buffer RLRL Buffert för att inte lasta insignalkällan

24 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt Definitioner av osäkerhet i samplingen

25 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt Analog till Digital omvandling

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

27 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt 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

28 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt 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

29 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt Analog till Digital omvandlare

30 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt 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 = 255 16 bitar = 65 535

31 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt Succesivapproximation Register DAC X LSB X MSB V IN StyrLogik V fs V IN Fyra Bitar Utvärde Test Förslag 1000 1100 1010 1001 Binär Sökning Alltid samma Omvandlingstid N bitar N jämförelser OK 1000 NEJ 1000 NEJ 1000 OK 1001

32 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt 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

33 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt 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

34 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt 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

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

36 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt OSR = Over Sampling rate Hastighet och antal bitar 15 10 20 5 1k10k100k1M10M100M1G 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

37 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt Digital till Analog omvandling

38 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt 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

39 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt 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.

40 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt R-2R stegen

41 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt DA-omvandling - R/2R Stege 2R R Parallellkoppling av motstånd

42 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt 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

43 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt DA-omvandling - R/2R Stege V ref V out RfRf msb lsb 2R R R

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

45 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt FEL BESKRIVNA I DATABLAD

46 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt 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 111 001 000 V fs 0 Analog Signal

47 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt Skalfaktorfel Digital Signal V LSB 111 001 000 V fs 0 Analog Signal Skalfaktorfel Metod: Korrigera förstärkningen

48 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt Offsetfel Digital Signal V LSB 111 001 000 V fs 0 Analog Signal Offsetfel Metod: Addera likspänning

49 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt Linjäritetsfel Digital Signal V LSB 111 001 000 V fs 0 Analog Signal Linjäritetsfel Metod: Svårt! Bästa passning Ev. Korrigera efter tabell

50 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt Differentiellt olinjäritetsfel, DNL

51 Elektronik Viktor Öwall, Digital ASIC Group, Dept. of Electroscience, Lund University, Sweden-www.es.lth.se/home/vikt