ELETTRONICA I - Ingegneria MEDICA. Conversione analogico-digitale. Analog to digital conversion (ADC)

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1 ELETTRONICA I - Ingegneria MEDICA Conversione analogico-digitale Analog to digital conversion (ADC)

2 ADC Catena di elaborazione dell informazione Condizionamento Elaborazione analogica (Filtraggio LP Amplificazione Offset) Campionamento segnale tempo continuo segnale tempo discreto (campioni) Quantizzazione ampiezze (tensioni) continue ampiezze discrete Codifica binaria Digital Signal Processing Elaborazione digitale (DSP) (filtraggio, Fourier, amplificazione ) Conversione digitale analogica alori binari campioni di ampiezza quantizzata (tempo discreto) Filtraggio (interpolazione dei campioni) forma d onda (tempo continuo)

3 ADC Blocchi componenti Circuiti di condizionamento del segnale analogico Campionamento tempo continuo tempo discreto Quantizzazione tensioni continue livelli discreti di tensione Codifica binaria dei livelli di tensione in N bit

4 ADC Campionamento di un segnale tempo-continuo f S =1/T S T S Per evitare sovrapposizione (aliasing) degli spettri multipli derivanti dal campionamento Teorema di Nyquist Frequenza di Campionamento f s >2f max f max massima frequenza di ampiezza rilevante dello spettro (transformata di Fourier) del segnale analogico. 1) Filtro passa basso anti aliasing (condizionamento): F CUT < f S /2 = F N frequenza di Nyquist 2) Filtro passa basso dopo DAC per riottenere forma d onda tempo continua (interpolazione)

5 ADC Codifica Binaria dei Livelli quantizzati Stesso sistema della codifica decimale: le cifre cambiano valore a seconda della posizione Base 10 (decimale) 10 simboli di alfabeto (0..9) Base 2 (binaria) 2 simboli di alfabeto (0,1) Esempi: Decimale 1953 = = = = Binario N cifre decimali 10 N numeri diversi M numeri decimali da rappresentare log 10 M cifre necessarie N cifre binarie (bit) 2 N numeri diversi M numeri binari da rappresentare log 2 M bit necessari 4 bit Binary Decimal

6 ADC Quantizzazione e Codifica della tensione analogica Passaggio da valori continui a valori discreti di tensione Si associa alla tensione vera del campione il valore centrale dell intervallo in cui cade Codifica binaria dei livelli discreti FS N numero livelli (o intervalli) 2 M livelli log 2 M bit necessari = = LSB maggiore numero di bit (risoluzione) e maggiore è l accuratezza di conversione (minore errore di quantizzazione) Livelli di quantizzazione LSB = valore quantizz. valore vero Minima tensione rilevabile Massima Tensione quantizzata FS_dac Livelli di quantizzazione FS_adc Tensione Fondo Scala Tempo di campionamento

7 ADC Condizionamento del segnale analogico Filtraggio passa basso anti aliasing (F CUT <F S /2) Amplificazione ppmax FS (typ. 5) Offset = FS /2 trasla la forma d onda del segnale analogico al centro della dinamica del convertitore offset = FS /2

8 ADC Risoluzione Condizionamento del segnale: ppmax < FS Risoluzione minima: ppmin > LSB Si esprime meglio in db: ppmax FS N DIN = 20log10 20log10 = DADC = 20log10 2 = 6N ppmin LSB Risoluzione minima ppmax FS < = = ppmin LSB dinamica dinamica del segnale dell'adc N > D IN 6 numero livelli 2 (primo intero superiore) N LSB

9 R 20log ADC Risoluzione e Rumore FS FS in db = 10 LSB = N db = 10 LSB 2 noise SNR 20log (Signal to noise ratio) Dovrebbe essere: R db < SNR db Se invece R db > SNR db se in = FS LSB < noise conversione digitale del rumore!!! Rimedi: Cercare di filtrare il rumore nella fase di condizionamento Diminuire la risoluzione del convertitore Bloccare (software o hardware) i bit meno significativi che ballano con il rumore affinché ' FS R = < SNR db Nk 2 db

10 ADC elocità del convertitore Tempo di conversione: tempo intercorso tra ingresso del campione analogico e uscita della codifica binaria Tempo di campionamento T S > T C Tempo di conversione F S < 1 T C F max F S < Fmax 2 1 < Fcut T C < 1 T C F cut freq. taglio del filtro di ingresso Tempo di conversione Limitazione banda ingresso

11 DAC Conversione digitale analogica codifica binaria tensione analogica (quantizzata) successione di campioni quantizzati Filtraggio passa basso analogico (interpolazione) segnale tempo continuo FS(adc) = FS(dac) = REF LSB = segnale originario campioni quantizzati

12 ADC Convertitore ad approssimazioni successive (SAR) Partenza con il DAC impostato al centro della dinamica ( = FS /2) avvicinamento in sommando frazioni sempre più piccole FS /4, FS /8 FS /2 N

13 ADC SAR 8-bit Livelli di decisione Esempio: FS =5 in =3.7 Partenza con il DAC impostato al centro della dinamica ( = FS /2 = 2.5) avvicinamento in sommando frazioni sempre più piccole FS /4, FS /8 FS /2 N start stop decision weight FS /2 FS /4 FS /8 FS /16 FS /32 FS /64 FS /128 FS /256 DAC binary 1 st < i nd > i rd < i th < i th < i th < i th > i th < i binary