Principii de functionare. Clase de convertoare analog numerice. Caracteristici.

Principii de functionare. Clase de convertoare analog numerice. Caracteristici.

Desi scopul lor este de a transforma o marime analogica intr-una numerica, convertoarele analog numerice sunt realizate pe baza unor solutii principiale extrem de diverse fiecare dintre acestea prezentand atat avantaje cat si dezavantaje. Nu s-a gasit un principiu de functionare care sa asigure simultan rezolutii mari, viteze ridicate, erori de liniaritate foarte reduse.

De aceea alegerea unui anumit tip de convertor numeric analogic se face in functie de cerintele aplicatiei urmarind obtinerea performantelor dorite cu un efort material minim. Clasificarea convertoarelor analog numerice se poate face in functie de metoda de realizare sau de utilizare a acestora.

Dupa modul de prelevare a esantioanelor avem:

- convertoare analog numerice cu esantionare, la care marimea de intrare este prelevata in conformitate cu teorema esantionarii, marimea de iesire reprezentand o masura a intrarii in momentul inceperii procesului de conversie;

- convertoare analog numerice cu supraesantionare si decimare in timp la care marimea de intrare este prelevata la viteze foarte ridicate (mult peste condtiile impuse de teorema esantionarii) dar la rezolutii mici (la limita, doar un bit) realizandu-se apoi pe cale numerica (filtre de decimare) o impachetare a inflamatiei in timp, pentru a realiza rezolutii ridicate.

- convertoare analog numerice cu integrare la care marimea de intrare este integrata (acumulata) pe toata durata conversiei iar marimea de iesire reprezinta o masura a suprafetei din semnalul de intrare delimitata de momentul de inceput si cel de sfarsit al procesului de conversie.

Dupa modul de prelucrare a marimii de intrare

- metode directe ce folosesc semnalul de intrare (tensiune sau curent) intr-un proces de comparare cu o marime de referinta divizata foarte precis;

- metode indirecte ce folosesc una sau mai multe transformari intermediare ale semnalului de intrare in alte marimi mai usor de trecut in forma numerica (frecventa sau timp);

Dupa desfasurarea in timp a conversiei:

- cu ciclu programat ce presupune o succesiune bine definita a operatiilor si o durata a conversiei indiferent de valoarea si polarizarea semnalului de intrare;

- cu ciclu neprogramat care are o succesiune a operatiilor si o durata a conversiei dependente de valoarea si/sau polaritatea semnalului de intrare;

Dupa realizarea schemei de conversie

- in bucla deschisa, la care informatia circula intr-un singur sens - dinspre intrare spre iesire - toti bitii numarului de la iesire fiind generati independent;

- in bucla inchisa la care pe langa calea directa, informatia circula si inapoi dinspre iesire spre intrare in scopul realizarii unei reactii negative, bitii numarului de la iesire obtinandu-se printr-un proces iterativ.

Schema bloc a unui convertor analog numeric tipic este cea prezentata in figura 5.3

Convertorul analog numeric ideal are la iesire un cod numeric in functie de semnalul analogic de intrare si de tensiunea de referinta. Formula pentru valoarea codului numeric de iesire este data de relatia:

Intrarea analogica poate fi simpla sau diferentiala. Intrarile diferentiale se folosesc in special pentru rezolutii de peste 12 biti si ofera avantajul anularii zgomotului de mod comun prezent pe linia de intrare. Unele CAN au intrari pseudodiferentiale. Pentru configuratia pseudodiferentiala, doi pini (V_IN+ si V_IN-) sunt folositi ca intrare de semnal. Diferenta intre intrarile pseudo-diferentiale si intrarile standard diferentiale este aceea ca semnalul la intrarea V_IN- poate diferi cu doar foarte putin fata de tensiunea de alimentare V_SS cu toate ca aceasta implica folosirea unei surse simple ca semnal de intrare are avantajul de a elimina micile fluctuatii de mod comun ce apar la intrare.

Tensiunea de referinta pentru CAN poate fi furnizata de surse interne sau externe. Deoarece acuratetea rezultatului masuratorilor este direct afectat de tensiunea de referinta este important ca sursa de referinta sa fie stabila atat in timp cat si la variatiile de temperatura. Pentru convertoarele cu cost redus exista doar o intrare de referinta. In acest caz domeniul tensiunii de intrare este determinat de V_SS si V_REF. Pentru conversii de mare precizie, sunt prevazuti doi pini pentru tensiuni de referinta. Domeniul tensiunii de intrare este determinat in acest caz de diferenta dintre V_REF+ si V_REF-.

Cu toate ca CAN reale au rezolutii mari pentru descrierile ulterioare se va folosi un CAN teoretic de 3 biti. Functia de transfer pentru un CAN de 3 biti este prezentata in figura 5.4. Asa cum se observa din functia de transfer, CAN ideal de 3 biti prezinta 8 coduri numerice de iesire corespunzatoare unor valori analogice plasate echidistant una fata de cealalta.

Fiecare cod numeric de iesire reprezinta o valoare fractionala din tensiunea de referinta. Cea mai mare valoare care se obtine este (2^N-1)/2^N    unde N este rezolutia (in biti) a convertorului.

Rezolutia si Acuratetea. Sunt termeni ce se intrepatrund atunci cand se discuta despre performantele convertoarelor analog numerice. Rezolutia unui convertor este specificata in biti si determina numarul de coduri distincte de iesire (2^N) pe care un convertor este capabil sa le furnizeze. Acuratetea determina cati din bitii de iesire sunt teoretic necesari pentru o anumita valoare analogica de intrare. Altfel spus acuratetea determina cati biti din codul numeric de iesire reprezinta o informatie utila despre semnalul analogic de intrare. Acuratetea unui CAN este data de circuitele interne si de zgomotul sursei de semnal conectate la intrare.

Timpul de achizitie. Multe convertoare analog numerice au circuite de esantionare si memorare analogice. Circuitele de esantionare si memorare interne sunt realizate de obicei cu un condensator ce este deconectat de la intrarea analogica putin inainte de inceperea conversiei. Condensatorul de memorare trebuie sa aiba suficient timp pentru a se incarca la valoarea semnalului de intrare, in caz contrar vor apare erori de conversie. Timpul de achizitie trebuie determinat in functie de valoarea condensatorului de memorare, de impedanta sursei si rezistenta interna asociata circuitului de intrare.

Un model tipic de circuit de intrare este prezentat in figura 5.5:

Modelul de intrare difera de la convertor la convertor si pentru a determina timpul de achizitie trebuie studiate datele de catalog furnizate de producator.

Timpul de conversie. Este timpul necesar pentru obtinerea rezultatului numeric dupa ce semnalul de intrare analogic este deconectat de la condensatorul de memorare. Timpul de conversie este specificat in ns sau in impulsuri de clock necesare obtinerii rezultatului numeric.

Punctele de schimbare a codului.Punctele de schimbare a codului sunt valorile analogice de intrare pentru care codul numeric de iesire trece de la o valoare la valoarea imediat urmatoare. Pentru un convertor ideal, aceste puncte nu sunt bine definite datorita surselor de zgomot ale convertorului. Este important ca punctele de schimbare a codului sa fie bine precizate deoarece unele erori apar din aceasta cauza.

1 Caracteristici statice ale convertorului.

Eroarea de offset.

Este definita ca o deviatie a punctului de modificare a codului si este prezenta pentru toate codurile de iesire. Are ca efect deplasarea caracteristicii de transfer spre stanga sau dreapta (figura 5.6)

Eroarea de offset este determinata prin gasirea diferentei intre pozitia actuala a primei schimbari de cod si pozitia ideala pentru prima schimbare de cod. Eroarea de offset este masurata la prima tranzitie de cod deoarece in acest punct contributia altor tipuri de erori este minima. Odata ce offsetul este determinat este usor sa se scada din codul numeric de iesire aceasta valoare pentru a se corecta rezultatul conversiei.

Eroarea de castig

Eroarea de castig determina unghiul de deviatie a caracteristicii reale fata de caracteristica ideala. Inainte de determinarea erorii de castig trebuie ca eroarea de offset sa fie determinata si scazuta din rezultatul conversiei.

Eroarea de castig poate sa fie determinata gasind pozitia ultimei tranzitii de cod si comparand aceasta pozitie cu cea ideala. Figura 5.7 prezinta o eroare de castig ipotetica pentru un CAN de 3 biti.

Eroarea de castig este usor de compensat prin inmultirea rezultatului conversiei cu factorul de scalare necesar.

Neliniaritatea diferentiala.

Caracterizeaza uniformitatea treptelor (intervalelor de cuantizare) ale unui convertor analog numeric. Pentru un convertor analog numeric putem scrie iesirea ca fiind:

unde [x] este partea intreaga a lui x iar este cuanta convertorului

Daca notam cu sirul valorilor ce corespund limitelor intervalelor de cuantizare, eroarea de neliniaritate diferentiala este data de relatia:

Convertoarele analog numerice adauga la eroarea de cuantizare si erorile de liniaritate. O neliniaritate diferentiala mai mare de 1LSB poate duce la o comportare nemonotona a caracteristicii de transfer.

Neliniaritatea diferentiala este afectata de metoda de conversie. Ea tinde sa fie maxima cand convertorul trece prin toate intervalele de cuantizare secvential (de exemplu conversia cu urmarire). Aceasta neliniaritate se poate imbunatatii substantial utilizand circuite de esantionare si memorare. Circuitele cu integrare au o liniaritate foarte buna datorita uniformitatii intervalelor de cuantizare asigurate prin etaloane de timp sau frecventa foarte precise si nu prin etaloane de tensiune.

Pentru un convertor analog numeric de 3 biti eroarea de neliniaritate diferentiala este pusa in evidenta in figura 5.8.

Neliniaritatea integrala.

Neliniaritatea integrala INL este diferenta intre caracteristica reala de transfer si caracteristica ideala. Liniaritatea integrala poate fi evaluata prin 2 metode:

cea mai buna dreapta ce aproximeaza caracteristica de transfer;

dreapta ce trece prin punctele extreme ale caracteristicii.

Prima metoda nu tine cont de erorile de decalaj sau de castig ci masoara in fractiuni de LSB deviatia caracteristicii de la forma ideala de dreapta.

A doua metoda impune ca dreapta de referinta sa treaca prin punctele extreme ale caracteristicii de transfer reale, deviatiile sunt masurate fara reajustarea dreptei de referinta pentru cea mai buna aproximatie locala. Ca urmare erorile sunt mai mari decat la prima metoda.

Cele doua aproximari ale caracteristicii reale sunt prezentate in figura 5.9.

Eroarea de cuantizare.

Este caracteristica convertoarelor analog numerice si este specifica procesului de conversie. Datorita functiei de transfer in scara, a codificarii unice a unui intreg interval de cuantizare (fig 5.10) apare o incertitudine de maxim 1/2 LSB, nula la mijlocul intervalului si maxima la ambele capete    ε_q=V_IN-q*n unde n este codul binar asociat intervalului de cuantizare iar q este marimea cuantei cu care se imparte intervalul de variatie al intrarii.

Valoarea absoluta a erorii depinde de rezolutia convertorului deoarece

Eroarea absoluta.

Eroarea absoluta este specificata pentru unele convertoare ca fiind suma erorilor de offset, de castig, si de neliniaritate integrala. Aceasta eroare ofera utilizatorului detalii despre performantele cele mai proaste ale convertorului fara nici o compensare a erorilor.

Monotonia.

Un convertor analog numeric se spune ca este monoton daca pentru cresterea (descresterea) valorii analogice de intrare, codul numeric de iesire creste (scade) sau ramane acelasi. Monotonia este foarte importanta in anumite aplicatii. In sistemele automate in bucla inchisa un convertor nemonoton poate determina aparitia oscilatiilor prin transformarea reactiei negative in reactie pozitiva fenomen ce poate avea consecinte deosebit de grave.

Codurile de iesire omise.

Aplicand un semnal liniar crescator la intrarea unui convertor analog numeric se poate observa absenta unor coduri de iesire, chiar daca intrarea a avut o valoare corespunzatoare acestora. O neliniaritate diferentiala mai mica de 1 LSB garanteaza absenta acestui fenomen.