ELETTRONICA II. Prof. Dante Del Corso - Politecnico di Torino. Parte F: Conversione A/D e D/A Lezione n F - 2: Convertitori D/A

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1 ELETTRONICA II Prof. Dante Del Corso - Politecnico di Torino Parte F: Conversione A/D e D/A Lezione n F - 2: Convertitori D/A

2 Conversione A/D La conversione da Analogico a Digitale comporta due tipi di discretizzazione: nel tempo: in ampiezza: campionamento quantizzazione Un SISTEMA DI CONVERSIONE deve eseguire entrambe queste operazioni

3 Sistema di conversione A/D A Campionamento Quantizzazione D sistema di conversione

4 Condizionamento del segnale Per un campionamento corretto il segnale A deve essere limitato in banda (ω < Ω) Per una quantizzazione corretta il segnale A deve avere dinamica opportuna (0-S) Il segnale A viene portato in queste condizioni da un blocco di CONDIZIONAMENTO DEL SEGNALE

5 Circuiti nel sistema di conversione A condizionamento del segnale filtri, amplificatori, limitatori Campionamento circuito di Sample/Hold o Track/Hold conversione A/D convertitore A/D sistema di conversione D

6 Parametri dei sistemi di conversione Dinamica di ingresso (fondo scala S; unipolare/bipolare) Cadenza di campionamento (banda del segnale) Numero di bit (errore % di quantizzazione)

7 Catena completa A/D e D/A Una grandezza viene convertita da rappresentazione analogica a numerica Viene trattata (elaborata, memorizzata, trasmessa,...) in forma numerica Al termine della catena viene riportata in forma analogica

8 Elementi della catena 1 - Protezioni all ingresso, attenuatori/amplificatori 2 - Filtri passa-basso (anti-aliasing) 3 - Campionatore (S/H) 4 - Convertitore A/D 5 - Convertitore D/A 6 - Filtri passa-basso di uscita 7 - Protezioni in uscita, eventuale amplificatore.

9 Sistemi di conversione A/D e D/A - 2 Caratteristica I/O di un convertitore D/A Errori statici e dinamici Circuiti per convertitori D/A Convertitore potenziometrico Convertitori a grandezze pesate Reti a scala Convertitori indiretti

10 Caratteristica di conversione A S 0 D M

11 Caratteristica ideale A S caratteristica ideale 0 0 M D

12 Caratteristica reale A S caratteristica ideale caratteristica reale M D

13 Miglior retta approssimante A S caratteristica ideale miglior retta approssimante 0 0 caratteristica reale M D

14 Fascia di non-linearitá S A fascia di non-linearita caratteristica ideale miglior retta approssimante 0 0 caratteristica reale M D

15 Sistemi di conversione A/D e D/A - 2 Caratteristica I/O di un convertitore D/A Errori statici e dinamici Circuiti per convertitori D/A Convertitore potenziometrico Convertitori a grandezze pesate Reti a scala Convertitori indiretti

16 Errori di offset e di guadagno La retta approssimante non passa per i punti (0,0) e (M,S); è possibile definire due errori (presenti in qualunque blocco con fdt lineare) Offset (fuori-zero): intercetta sull asse A della retta approssimante Guadagno: differenza tra la pendenza della caratteristica ideale e quella della retta approssimante

17 A caratteristica ideale errore di guadagno errore di offset miglior retta approssimante D

18 Errori di non linearitá L ampiezza della fascia di non-linearitá definisce il massimo scostamento della caratteristica reale da una retta E l errore di NON LINEARITA ASSOLUTA (NON LINEARITA INTEGRALE)

19 Errore di non-linearitá assoluta S A fascia di non-linearita miglior retta approssimante 0 0 caratteristica reale M D

20 Errore di non linearitá differenziale I punti della caratteristica di conversione dovrebbero essere spaziati di A D (sull asse A) Nella caratteristica reale i punti sono spaziati di un intervallo A D, diverso da A D. La differenza A D - A D è l errore di NON LINEARITA DIFFERENZIALE

21 Caratteristica reale A S caratteristica ideale A D A D 0 0 caratteristica reale M D

22 Caratteristica reale A S A D A D 0 0 caratteristica reale miglior retta approssimante M D

23 Classificazione degli errori statici Errori lineari errore di guadagno errore di offset Errori di non linearitá non-linearitá assoluta non-linearitá differenziale ε G ε O ε LA ε LD

24 Specifica degli errori Gli errori vengono indicati come: % del fondo scala (S) valore assoluto (mv,...) frazioni di LSB Se la non-linearitá differenziale è maggiore di 1 LSB, si ha errore di NON MONOTONICITA

25 Errore di non-monotonicitá A S A D A D 0 0 zona con errore di non-monotonicitá M D

26 Comportamento dinamico In presenza di un transitorio, l uscita del convertitore D/A impiega un certo tempo per portarsi al nuovo valore: TEMPO DI ASSETTO Nel transitorio l uscita si puó portare per brevissimo tempo l uscita a valori molto diversi da quelli teorici: GLITCH

27 Sistemi di conversione A/D e D/A - 2 Caratteristica I/O di un convertitore D/A Errori statici e dinamici Circuiti per convertitori D/A Convertitore potenziometrico Convertitori a grandezze pesate Reti a scala Convertitori indiretti

28 Circuiti per convertitori D/A Tecniche base: Convertitori potenziometrici Convertitori a grandezze pesate Convertitori indiretti

29 Convertitori potenziometrici V R R A la grandezza D determina la posizione del cursore V U R B V U = V R R B /(R A + R B )

30 Convertitori potenziometrici Il circuito reale comprende una serie di resistenze con prese intermedie, ed un banco di interruttori (albero binario) per selezionare il punto in cui collegare l uscita E possibile definire un circuito analogo, pilotato da un generatore di corrente, con uscita in corrente (su un nodo di massa virtuale)

31 Convertitori a grandezze pesate La grandezza di uscita (V, I) viene ottenuta come somma di variabili di peso 1, 2, 4, 8,..., moltiplicate per il bit corrispondente Le grandezze sommate sono generalmente correnti (possono essere sommate facendole convergere in un nodo), ottenute da Resistenze pesate Rete a scala

32 Rete a scala V R 2I 2R I I R R I I = V R /2R

33 Rete a scala 2I I R I/2 R V R 2R 2R R I I/2 I/2 I = V R /2R

34 Rete a scala 2I I R I/2 R I/4 R I/8 R V R 2R 2R 2R 2R I I/2 I/4 I/8 R I = V R /2R

35 Rete a scala La rete a scala puó essere espansa a piacere Usa solo resistenze di valore R e 2R Per inserirla in un convertitore D/A occorre deviare le correnti verso massa o verso un nodo di somma, a seconda dello stato di ciascun bit

36 Rete a scala 2I I R R R R V R 2R 2R 2R 2R I I/2 I/4 I/8 R I TOT

37 Sistemi di conversione A/D e D/A - 2 Caratteristica I/O di un convertitore D/A Errori statici e dinamici Circuiti per convertitori D/A Convertitore potenziometrico Convertitori a grandezze pesate Reti a scala Convertitori indiretti