1Convertoare Analog-Numerice

Caracteristica de transfer pt. CAN cu trunchiere/ rotunjire

V(N)=f(UX)

Eroarea de cuantizareeC=UX-V(N)

3/4

1/4

2/4

N

V

1/2V

-1/

2V V V

V

LSB

LSB

LSB

LSB

LSB

R

2 3

V

V

V

LSB

LSB

LSB

)

)

)

)

)

)1/2

-1/2

U

U

U

x

x

x

ec Rotunjire

Rotunjire

Trunchiere

Trunchiere1

2Erori/zgomot de cuantizareEroarea de cuantizare eC = UX-V(N)Media eC : E(eC): trunchiere: E(eC) = VLSB/2 0 rotunjire: E(eC) = 0

Zgomotul de cuantizare are variana:C2 = E(eC E(eC) )2

trunchiere/rotunjire: C2 = Q2/12 (Q = cuanta = VLSB)

Demonstraie!

Numrul efectiv de bii ai CANUn semnal sinusoidal care ocup toat gama dinamica CAN:amplitudinea U=UR / 2, Uef=UR / 22 Q=UR/2n

dem. c: n=log4 2/3 + log4( RSZc )2

introducem RSZtot n locul RSZc obinem nef n locul n:nef = log4 2/3 + log4( RSZtot )2 [1]se obine:nef = n log4(1+a2 / c2 ) a > c nef < n

sau, trecnd la RSZdB = 20 lg RSZ , [1] devine:nef = (RSZdB - 1.75 ) / 6.02

3Numrul efectiv de bii (ENOB)Numrul efectiv de bii = Effective Number Of Bits (ENOB)

ENOB = (RSZdB - 1.75 ) / 6.02

Aplicaie tipic pentru un sistem numeric:lan format din:CAN intrare (ni bii) -sistem de procesare-CNA ieire (n0 bii)n mod intuitiv: ni=n0, dar: scderea RSZ n timpul procesrii (de ex. datorit

zgomotului) scderea ENOB disponibil la ieire noni

Clasificare CAN

Neintegratoare Fr reacie

Paralel (Flash) Paralel-serie Serie

Cu reacie Cu AS Cu ramp n trepte Cu urmrire

Integratoare Convertoare tensiune-

frecven Cu 1 o pant Cu 2 sau mai multe pante

Viteza mare

Viteza mica

Precizieredusa

Preciziemare

4CAN Flash (Paralel)U xV R

R

R

R

R

R

V LSB

N7xLatch +Decodor

V CS

3R/2

R

R

R

R/2Trunchiere Rotunjire

f0 Exemplu: 3 bii

OBS:

2n-1 comparatoare

la ieirea din comparatoare, codul este de tip termometric

decodorul TermoBN este tipic Termo Gray BNde ce ?

CAN Flash Pipeline

T0/4 T0/4T0/4 T0/4T0/4 T0/4

f0 ADRW

CAN Flash 1

CAN Flash 2

CAN Flash 4

CAN Flash 3

Output

Mem 1

Mem 2

Mem 3

Mem 4

u (t)IN

T0/4

Esantionare CAN: 1 2 3 4 1 2 3 4 1

5CAN paralel-serie

b1..b4 b5..b8(msb) (lsb)

+

+-

CAN14b

CNA4b

CAN24b

delay

u(t)

Exemplu:2xCAN 4 bii CAN 8 biiCAN din dreapta prelucreaz semnale mai mici biii mai puin semnificativi ai semnalului de intrare

Q1: la ce servete linia de ntrziere?Q2: comparai timpul de conv. i nr. de comparatoare fa de CAN Flash

CAN AS

CNA

+

_

V(N) V R

N

FCCKSC

RASCMPU x

n

n

n

SC = Start Conversie, FC = Final Conversie

UX > V(N) UCMP > 0 (= 1 logic)

6F.U. CAN AS UX=7.1V UR=16V n=4b

t

t

t

t

V = 8VMSB

V = 1VL SB

4V

N = 0111

SC

CK

FC

U(N) sau RI(N)

U = 7.1 Vx

test b1 test b2 test b3 test b4 final 1 1 1 1000 0 00 01 0 011 0111 8V 4V 6V 7V 7V >7.1V

7CAN AS varianta n curent

Condiia UX > U(N) devine UX-RI(N) > 0Q1: care e rolul diodelor?Q2: de ce se conecteaz (opional) i I*(N) ?

RAS

CNA

+

_

R

N

FCCKSC

CMP

U x n

n

n[z]

R

I(N)

I(N) I

I(N) + I(N)

CAN cu ramp n trepte

CNA

+

_

V(N) V R

N

FC

SC

CMPU x

n

CK

z

NUM

Condiia UX > V(N) numr impulsuri; UX < V(N) stop

Observai similitudinea cu periodmetrul ?

8F.U. CAN cu ramp n trepte

TCONV = (2n-1)TCK Ux/UR

Comparai cu TCONV AS !

t

U(N)

Ux

FC

CAN cu urmrire

Condiia de numrare Up: UCMP > 0 UX > U(N) UX-RI(N) > 0invers: UCMP < 0 Down

9F.U. CAN cu urmrireCondiie deurmrire:U < VLSBsau

SRUx > SRCAN

Q1: calculaiSRUx , SRCAN

Q2: determinaicondiia de urmrirept Ux=Usin t

Q3: desenai F.U.pentru cazul ne-urmririi

CAN simpl pant

s.n. i CAN cu ramp liniar (vezi similitudinile cu r. trepte)Condiia de STOP: UX < UBT

relaia de conversie: Nx = Ux T0 / (TCK U0 )Q: dezavantaj ?

10

F.U. CAN simpl pant

CAN dubl pant

U x-VR

+

_

R C

CK

CMP BLC+NUM.REV.

SCFC

N

Km1

Km2

1

2

Faza 1/2

Reset

u(t)

Faza 1: aplicm Ux; la sfrit: u(T1) = -(1/RC) UxT1Faza 2: aplicm VR; la sfrit: u(Tx) = 0

relaia de conversie: NX/N1 = Ux/URQ: care e avantajul fa de relaia CAN SP ?

11

F.U. CAN DP

U

> Ux1x2

Ux2

-U

-U

R

R

tT1 t x

Faza 1N=N1Numara in josSfirsit: NUM=0

Faza 2N=0Numara in susSfirsit: u(t)=0

u(t)

sfritul fazei 1 e dat de numrtor;sfritul fazei 2 e detectat de CMP !

CAN DP cu DAS i CAZ

CAZ: Faza 0: auto-zero DAS: Faza 1: UX

Faza 2: -VR dac UX > 0, +VR dac Ux < 0(a.. la finalul fazei 2, u(t)=0)

U x-V+V

RR +

_

R C

C AZ

CMP

Km2

10

22

+

+

_

_

u(t)

0

1,2

Faza:

vvos1 os2

12

CAN DP: alte aspecte

Posib. depire UX > VR duce la dimensionarea UCS i a numrului de digii: UX VR, UCS = UR, N cifre, Tconv = 3T1

(cu TAZ = T1) UX 2VR, UCS = 2UR, N 1/2 cifre, Tconv = 4T1 UX 4VR, UCS = 4UR, N 3/4 cifre, Tconv = 6T1

demonstraie i reprezentare grafic a celor 3 faze (AZ+DP)!

CAN DP: alte aspecte (contd)

CAN DP = CAN integrator reducerea prin integrare a erorilor date de perturbaiile alternative suprapuse peste Ux(vezi i capitolul msurarea tensiunilor)

RRS[dB] = 20lg (Uca perturb / Ucc echiv )

Ex: RRS = 100 = 40dB Uca = 1V produce acelai efect ca Ucc = 0.01V

RRS = pentru uca perturb de frecven = k/T1

demonstraie i reprezentare grafic RRS=f(frecven)

13

Aplicaie CAN DP: voltmetru cu 3 digii i afiaj LCD cu ICL7106

Sursa: Intersil

Principiu de funcionare ICL7106 (sursa: Intersil)

nchisdeschisdeschisAUTO-ZEROdeschisdep. de semn Vindeschis-REFdeschisdep. de semn Vindeschis+REFdeschisdeschisnchisINPUTFaza AZFaza 2Faza 1Comutator

14

Schema de principiu ICL7106/7107 (vezi datasheet Intersil pentru mai multe detalii privind funcionarea)

VCS=200mV, VREF=100mV, 3 1/2 digii

Faze: A-Z (faza 0) INT (integrare -

faza 1) DE (de-integrare

- faza 2)

CAN cu conversie U-f(cu echilibrare de sarcin)

T1 = TGI = ctT2= f(Ux)

Tx=T1+T2==R1T1UGI/(R2Ux)

avantaje/dezav. CAN DP ?

T

U

C

R1

R2

U > 0 AOCMPx

CMP

t

-VpGI

fout

T1uGI

u(t)

15

F.U. CAN U-f

t

t

t

u(t)

u

u

GI

CMP

-Vp

T1 T2 T1 T2

Convertor U-f LM331: schema simplificat

Sursa: National Semiconductor

16

LM331 schema de principiu

Aplicaie: convertor U-F cu LM331

Vin(0,10V) fOUT (0,10KHz)

17

Aplicaie LM331: Convertor f-U

Sursa: National Semiconductor

Lan U-f, f-U pentru telemsur

U Ux xU-f f-U

l inie lunga(transmisie la distanta)

Catre f-metruTx Tx

(Vezi i lucrarea 6 de laborator SSM-IEM)