La conversione Analogico/Digitale (A/D) e quella Digitale ... · il legame tra il mondo delle...

Corso Fisica dei Dispositivi Elettronici Leonello Servoli 1

Conversione Analogico/Digitale

La conversione Analogico/Digitale (A/D) e quella Digitale/Analogico (D/A) forniscono il legame tra il mondo delle grandezze fisiche (analogiche) e quello del calcolo e della manipolazione dei dati (digitale).


Schema logico di Convertitore D/A

Vout = ∑ Bm 2m Vref

n-1

m = 0

Converte unnumero in un valore ditensione Vout.

D/A


Schema logico di Convertitore A/D

Errore di quantizzazione

Dout = ∑ Bm 2mVa/Vref = Dout + qe

n-1

m = 0


Circuito Sample and Hold (S/H)


Teorema del Campionamento (1)Sia M(t) un segnale a banda di frequenza limitata, aventefrequenza componente massima fm, se i valori di M(t) vengono campionati ad intervalli regolari Ts < 1/(2fm),cioè con una frequenza fs=1/Ts maggiore di fm, allora i valori campionati determinano univocamente il segnale M(t) che può essere ricostruito fedelmente.

Ts = periodo di campionamento.Fs = frequenza di campionamento.


Teorema del Campionamento (2)


Teorema del Campionamento (3)Per ricostruire il segnale M(t) lo si fa passare attraversoun filtro passa-basso che ha una caratteristica di trasferimento piatta fino ad fm, per evitare distorsioni, e che scende a zero tra fm e (fs - fm) per eliminare disturbi dovuti a componenti di rumore a frequenza elevata.

Es. fm = 1 kHz, fs > 2 kHz.Se fs = 2.5 kHz, fs – fm = 1.5 kHz .


Teorema del Campionamento (4)Grazie al teorema del campionamento siamo in gradodi trasmettere un segnale usando solo una frazionedella banda passante necessaria.

Infatti se τ è la durata del campionamento

τ / Ts = frazione di tempo necessaria a trasmettere il segnale campionato.


Multiplazione a divisione di tempo (1)


Multiplazione a divisione di tempo (2)


Multiplazione a divisione di tempo (3)Dati un certo numero di segnali a banda limitata, es. segnali vocali limitati a 3.3 kHz, possiamo usare una linea di comunicazione per trasmettere molti segnali.

I due commutatori (selettore e distributore) selezionano inmaniera sincrona i canali (1-1, 2-2, etc.)La velocità di rotazione deve essere almeno 2fm (6.6 KHz)

(a seconda della velocità possono bastare commutatorimeccanici o elettronici per le velocità più alte)


Quantizzazione (1)Per parlare di trasmissione digitale occorre trasformarei valori di M(t) in valori numerici

Introdurre delle approssimazioni (quantizzazione)

Un dispositivo di conversione (quantizzatore) avràuna caratteristica di trasferimento a scalini, e l’altezzadi uno scalino si chiama passo di quantizzazione S.


Quantizzazione (2)

Forma risultante di un segnale passato attraverso un dispositivo quantizzante.


Quantizzazione (3)Poiché gli estremi della scala sono fissati, la precisionedell’approssimazione dipende dal numero di livellia disposizione del quantizzatore.

Infatti: S = R/Q dove R è la misura del campo di variabilità del segnale M(t) e Q è il numero di livelli.

Il massimo errore di quantizzazione può essere fissatoin S/2.


Quantizzazione (4)

Errore massimo= S/2


Quantizzazione (5)


Convertitore D/A a Resistori Pesati (1)

I commutatori Sk (k = 0 , N-1) sono pilotati dai segnali digitaliVk che rappresentano i vari bit del numero che si vuoleconvertire. (S=0,1)


Convertitore D/A a Resistori Pesati (2)Al bit meno significativo (LSB) corrisponde il resistorecon valore R, mentre al bit più significativo corrispondeil resistore con valore RN-1 = R/2N-1.

Il pricipio di funzionamento richiede che Rk-1 /Rk = 2 qualunque sia k, così come, se ak è il k-mo bit, ak-1/ak = 2

La corrente di carico IL è pari a:

IL = VR(SN-1/RN-1 + SN-2/RN-2 + …+ S1/R1+S0/R0)

IL = VR(SN-12N-1 + SN-22N-2

+ …+ S12 + S0)/R = numero•VR/R


Se RL è diverso da 0 misuriamo la caduta di potenziale V0 e applicando il teorema di Norton

Dove r = resistenza equivalente a tutte le resistenze in parallelo r = R/(2N –1) La corrente IL vale: IL = r ILS /(r + RL)E la tensione di uscita è:

V0 = RLIL= RLVR (SN-12N-1 +…+ S0)/[R+ (2N

-1)RL]

Convertitore D/A a Resistori Pesati (3)


Convertitore a scala R-2R (1)Vantaggi: resistori solo di valore R e 2R maggior omogeneità

Svantaggi: un numero di resistori doppio (a paritàdi numero di bit) rispetto al convertitore a scala pesata.


Convertitore a scala R-2R (2)

Applichiamo il teorema di Thevenin: il contenuto dellascatola è equivalente aduna resistenza e ad un generatore di tensione.


Convertitore a scala R-2R (3)Se colleghiamo i quattro bit S0,S1,S2,S3 in mododa rappresentare il numero digitale binario 1000,con lo stato V(1) = VR , allora possiamo applicareil teorema di Thevenin, per cui la resistenza r = (2R*2R)/(2R+2R) = R , e la tensione equivalentegenerata è: Veq. = VR/2.

Ripetendo per ogni sezione BB’, CC’, DD’ si ottiene una resistenza equivalente r = R ed una tensione equivalente: Veq= VR/24 . (questo per il solo bit S0).Estendendo a tutti i bit: V = VR(SN-12N-1

+ ……S12 + S0)/2N


Convertitore D/A misto (1)

Il convertitore R-2R utilizza un meccanismo di ripartizionedelle correnti lungo percorsi diversi per assegnare il pesoad ogni bit, in modo che il bit meno significativo abbia unaattenuazione massima della corrente.

È possibile costruire convertitori D/A dove entrambi i meccanismi vengono adoperati (convertitori misti).


Convertitore D/A misto (2)

Due gruppi di 4 bit ognuno realizzati con resistori pesati.Se r = 8R, si ottiene poi una attenuazione di 16 tra il primogruppo ed il secondo rappresentazione in sistema binario.Se r =4,8 R rappresentazione in sistema decimale


Commutatori per convertitori (1)


Es. di convertitore D/A (1)


Es. di convertitore D/A (2)Se l’ingresso è a 0 Volts = V(0)T1 è in saturazione , T2 è in saturazioneT3 è in saturazione VE3 = VE4 = - 5 Volts.

Se l’ingresso è a 3 Volts = V(1)T1 è interdetto, T2 è interdettoT3 è interdetto, T4 è ON.VE4 = 5 Volts


Convertitore D/A pilotato in corrente (1)


Convertitore pilotato in corrente (2)Vantaggio rispetto al convertitore pilotato in tensione:

Si può evitare di portare i transistor a lavorare nella regionedi saturazione si aumenta la velocità del dispositivo.

Problema: A causa della presenza delle capacità parassite c’è un ritardo nella propagazione delle correnti che dipende dalla loro posizione: il più lontano come connessione deve attraversare una resistenza maggiore ritardo maggiore (τ = rC)


Convertitore D/A a scala invertita (1)


Convertitore D/A a scala invertita (2)Caratteristica: la rete delle resistenze è messa tra i

commutatori e la tensione di riferimento.

Vantaggio: le correnti attraverso le resistenze 2R sono sempre le stesse, indipendenti dalla posizionedel commutatore, e sono legate tra di loro dapotenze del 2 (I2/I1 = 2). le tensioni ai capi delle resistenze sono lestesse non ci sono ritardi dovuti alla caricao scarica delle capacità parassite.I commutatori sono sottoposti ad una piccoladifferenza di potenziale.


Specifiche dei Convertitori D/A (1)Risoluzione: numero di bit che il convertitore può

ricevere in ingresso = numero dei livelli diversi di tensioni o correnti in uscita. (10 bit = 1024 livelli)

Linearità: A incrementi uguali dell’ingresso digitale devono corrispondere incrementi uguali della variabile di uscita. La linearità è una misura della deviazione da questo comportamento.


Linearità di un convertitore D/A∆ = variazione di tensione

corrispondente a LSB.

ε = deviazione dalla retta di interpolazione.

ε < ∆/2

Valore necessario!!!


Specifiche dei Convertitori D/A (2)Precisione: è la differenza tra la tensione di uscita

analogica ideale e quella reale. Possibili cause di scarsa precisione sono la non linearità, l’incertezza sulle tensioni di riferimento, etc.Valori tipici per un dispositivo medio:

0.2% di fondo scala + 0.5 LSB

Tempo di assestamento: È il tempo necessario affinché dopo una variazione dell’input l’output raggiunga un valore prossimo a quello finale.


Specifiche dei Convertitori D/A (3)

Sensibilità alla È la sensibilità alla variazione della temperatura: temperatura dell’output del convertitore.

Valori per un dispositivo medio:

+- 50 ppm/°C ;

per un dispositivo di alta qualita:

+- 1.5 ppm/°C

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