1. تبدیل سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال
● چرا تبدیل آنالوگ به دیجیتال؟
● نیازمندیها برای تبدیل آنالوگ به دیجیتال
● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال
● انواع تکنیکهای تبدیل A/D
● محصولات مختلف از مبدلهای آنالوگ به دیجیتال

2. ● چرا تبدیل آنالوگ به دیجیتال؟
● پردازش سیگنال دیجیتال رایج تر است:
● قابلیت پیاده سازی و اصلاح آسانتر
● هزینه کم
● داده های واقعی عموما آنالوگ هستند

3. ● نیازمندیها برای تبدیل داده های خام به داده های دیجیتال
● فیلتر، تقویت کننده
● مدار نمونه بردار و نگهدار و مولتی پلکسر
● مبدل آنالوگ به دیجیتال

4. ● مفهوم تبدیل آنالوگ به دیجیتال
● بطور مفهومی شامل مراحل ذیل است
● کوانتیزه کردن: شکستن سیگنال آنالوگ به یک سری از حالتهای محدود
● کد کردن: اختصاص یک کلمه یا عدد دیجیتال به هر حالت

5. ● مفهوم تبدیل آنالوگ به دیجیتال

6. ● مفهوم تبدیل آنالوگ به دیجیتال

7. ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال
● مبدلهای n بیتی
● رابطه I/O پایه:
● تعداد سطح خروجی گسسته:
- مبدل آنالوگ به دیجیتال یک سیستم نسبت گیری است:
● اندازه LSB :
● خطای کوانتیزاسیون:
x = Analog input /
Reference
Fraction: 0 ~ 1
● با افزایش n کاهش می یابد

8. خطای خطی سازی دیفرانسیلی
● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال
● خطاهای تبدیل:
خطای خطی سازی انتگرالی
خطای آفست
حداکثر انحراف مشخصه ورودی/خروجی (پاسخ) مبدل از یک خط مستقیم
خطای خطی سازی دیفرانسیلی
جابجایی عمودی نقطه شروع مشخصه خروجی (پاسخ) مبدل
خطای بهره
اختلاف بین پاسخ خروجی ایده آل و اندازه گیری شده برای هر دو کد پی­درپی مبدل
چگونگی تطابق شیب تابع انتقالی واقعی آن با شیب یک تابع انتقال ایده­آل
خطای غیرخطی
با تنظیمات اولیه قابل حذف می باشد
حذف آن سخت است

9. ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال
رزولوشن مبدل- resolution: کمترین میزان تغییر در ورودی آنالوگ که باعث یک سطح تغییر کد خروجی می گردد
زمان تبدیل- conversion time:
● زمان مورد نیاز پیش از اینکه مبدل بتواند
داده های خروجی صحیح تولید کند
دقت مبدل- accuracy:
● تفاضل بین ولتاژ ورودی واقعی و ولتاژ معادل کد خروجی مبدل
نرخ خروجی مبدل- throughput output:
● مقدار حداکثر مجموع تمامی خطاهای مبدل مشتمل بر خطای کوانتیزاسیون
● تعداد دفعاتی که سیگنال ورودی با حفظ
حداکثر دقت آن می تواند نمونه برداری گردد
● عکس زمان کل مورد نیاز برای انجام یک تبدیل موفق
● عکس زمان تبدیل اگر هیچ نوع مدار نمونه بردار و نگهداری استفاده نشده باشد

10. ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال
مقایسه رزولوشن در دقت تبدیل:

11. ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال
اثر نرخ نمونه برداری در دقت تبدیل:

12. ● مشخصات فنی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال
رزولوشن و نرخ نمونه برداری می توانند برای افزایش دقت تبدیل افزایش یابند:

13. ● نکات پیاده سازی کاربرد زمان تبدیل: Example
8-bit ADC
Conversion Time: 100sec
Sinusoidal input
Rate of change
Let FS = 2A
Limited to Low frequency of 12.4 Hz
Few Applications
● تغییر ورودی در طی پروسه تبدیل باعث تولید
یک عدم قطعیت نامطلوب می گردد
● دقت تبدیل کامل در صورتی حاصل می گردد
که این عدم قطعیت کمتر از رزولوشن مبدل اختیار گردد
Rate of Change * tc  resolution

14. ● نکات پیاده سازی Example
بر این اساس با استفاده از یک مدار نمونه بردار و نگهدار می توان عملکرد مبدل را بهبود بخشید:
Example
20 nsec aperture time
Reasonably good for 100sec converter
● یک مدار آنالوگ که به سرعت بر اساس فرمان از سیگنال ورودی نمونه برداری می کند، سپس آن را نسبتا ثابت نگه می دارد تا مبدل عملیات تبدیل را انجام دهد
● aperture time (ta)
تأخیر زمانی حادث شونده در مدارات نگهدار
مابین زمانی که فرمان نگهداری دریافت شده و لحظه ای که گذار به مود نگهداری حاصل می گردد- زمان رایج آن در حد چند نانوثانیه است

15. ● نکات پیاده سازی نوع سیگنال آنالوگ ورودی:
● تطبیق رنج ورودی واقعی و رنج ورودی مجاز
از مبدل که برای این منظور:
● سیگنال تفاضلی و یا تکی بدون پلاریتی:
Typical Input Range
0 ~ 10V and 0 ~ 5V
● در طبقه نهائی قبل از مبدل باید توسط طبقات آپ-امپی، سیگنال به سطح مناسب تغییر یابد
● اگر سیگنال ورودی کل محدوده ورودی مجاز
را پوشش ندهد در این صورت:
● برخی از کدهای خروجی مبدل استفاده نمی شوند
● اثرات بیشتر خطاهای کانورتر بر خروجی

16. ● نکات پیاده سازی
چگونگی تبدیل ورودی های علامت دار (دوقطبی) به ورودیهای تک-قطبی:
Typically, 0 ~ 5V
● استفاده از مبدلهای تک-قطبی:
Add
offset
● کاهش رنج ورودی با یک نسبت مناسب
● اضافه کردن آفست
scaled
● استفاده از مبدلهای دو-قطبی:
● در صورتی که علامت اطلاعات در خروجی مطلوب باشد
● خروجی عموما در قالب مکمل 2 می باشد

17. ● نکات پیاده سازی خروجیها و سیگنال مرجع آنالوگ:
● خطاها در سیگنال مرجع:
● ورودیها و خروجیهای معمول:
● منبع:
● تنظیمات اولیه
● دریفت نسبت به زمان و دما
● برای دستیابی به یک دقت کامل از مبدل:
● خروجی مبدل:
● دارا بودن یک سیگنال مرجع پایدار و دقیق خیلی مهم است
● Number of bits 8 and 12 bits are typical 10, 14, 16 bits also available
● Typically, precision IC voltage reference is used

18. ● نکات پیاده سازی HBE / LBE Start BUSY / EOC سیگنالهای کنترل: From CPU
To read Output word after EOC
HBE
High Byte Enable
LBE
Low Byte Enable
Start
From CPU
Initiate the conversion process
BUSY / EOC
To CPU
Conversion is in progress
0=Busy: In progress
1=EOC: End of Conversion

19. ● نکات پیاده سازی
برای جلوگیری از aliasing نرخ نمونه برداری باید حداقل دو برابر فرکانس سیگنال باشد:

20. ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D
●Counter or Tracking ADC
●Successive Approximation ADC
Most Commonly Used
● Slop Integrating ADC
●Voltage to Frequency ADC
●Parallel or Flash ADC

21. ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D
Counter Type ADC
● انواع تکنیکهای تبدیل A/D
عملیات:
● راه اندازی و ریست کردن شمارنده
بلوک دیاگرام:
● DAC خروجی دیجیتال شمارنده را به سیگنال آنالوگ تبدیل می کند
● مقایسه ورودی آنالوگ و خروجی DAC
Vi < VDAC
● ادامه شمارش تا زمانیکه:
Vi = VDAC
● پایان شمارش
شکل موج:
● خروجی دیجیتال=خروجی شمارنده
معایب:
● زمان تبدیل متغیر
2n Clock Period for Full Scale input

22. ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D
Tracking Type ADC
● انواع تکنیکهای تبدیل A/D
A/D نوع ردیاب یا سرو:
● استفاده از شمارنده بالا/پایین برای ردیابی پیوسته سیگنال ورودی
● بالا یا پائین شدن شمارنده توسط خط کنترل خروجی مقایسه کننده صورت می گیرد
مزیت:
● سرعت
شکل موج:
عیب:
● خروجی هیچگاه پایدار نمی باشد حتی اگر ورودی پایدار باشد

23. Successive Approximation ADC
● رایج ترین نمونه ای که در مبدلهای با سرعت متوسط تا بالا استفاده می گردد
● مبتنی بر تقریب سیگنال ورودی با کد باینری و سپس بازبینی مکرر این تبدیل تا زمانیکه بهترین تقریب حاصل گردد
● SAR (رجیستر تقریب مکرر): توسط این رجیستر تمامی مقادیر بیتها با شروع از بیت MSB و خاتمه یافتن در بیت LSB مورد آزمون قرار گرفته تا مقداری برابر ورودی حاصل گردد

24. Successive Approximation ADC
مشخصات کلیدی:
شکل موج:
● زمان تبدیل:
● Conversion Time
n clock for n-bit ADC
Fixed conversion time
منطق تغییر خروجی:
● خروجی سریال به سادگی تولید می گردد:
● تصمیم گیری برای تولید بیت بصورت سریال صورت می گیرد

25. ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D
Slope (Integrating) ADC
● انواع تکنیکهای تبدیل A/D
نحوه عملکرد:
● تولید منحنی دندانه اره ای توسط انتگرال گیر و شمارنده تا زمانیکه مقایسه کننده برابری آن را با ورودی نشان دهد

26. Voltage to Frequency ADC
● مبدل ولتاژ به فرکانس یا VFC
● مزايا:
● تبدیل ولتاژ ورودی آنالوگ به قطاری از پالسها
● كاهش نويز عالي
● معايب:
● شمارنده -counter: تولید خروجی دیجیتال با شمارش پالسها بر روی یک بازه زمانی ثابت
● كند
● عموما مبتني بر 10 بيت يا كمتر

27. ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D
Parallel or Flash ADC
● انواع تکنیکهای تبدیل A/D
● مشتمل بر یک سری مقایسه کننده که هر کدام سیگنال ورودی را با یک سیگنال مرجع مقایسه می کند
● خروجی مقایسه کننده ها به ورودیهای یک انکدر متصل می گردند که یک خروجی باینری تولید می کنند

28. ● انواع تکنیکهای تبدیل A/D
Parallel or Flash ADC
● انواع تکنیکهای تبدیل A/D
● مزایا :
● سرعت تبدیل بسیار بالا
● Up to 100MHz for 8 bit resolution
Video, Radar, Digital Oscilloscope
● تبدیل یک مرحله ای
● 2n –1 comparator
● Precision Resistive Network
● Encoder
● معایب:
● رزولوشن محدود
● تعداد زیادی مقایسه کننده در یک IC-براي 8 بيت نياز به 255 مقايسه كننده مي باشد
● هزينه بالا

29. ● مقايسه محصولات

30. ● محصولات نمونه

31. مبدلهای دیجیتال به آنالوگ
● کاربرد
● مشخصات عملکردی
● انواع مختلف و ویژگیها
● محصولات نمونه

32. کاربرد
● هدف از یک مبدل دیجیتال به آنالوگ، تبدیل یک سیگنال دیجیتال به خروجی جریانی و یا ولتاژی آنالوگ می باشد
DAC
100101…

33. کاربرد
● هدف از یک مبدل دیجیتال به آنالوگ، تبدیل یک سیگنال دیجیتال به خروجی جریانی و یا ولتاژی آنالوگ می باشد
Analog Output Signal
Digital Input Signal

34. مشخصات فنی رزولوشن Poor Resolution(1 bit) Better Resolution(3 bit)
● مقدار تغییر در خروجی به ازای هر بار تغییر در LSB در ورودی دیجیتال
● هر چه رزولوشن بیشتر باشد، سیگنال خروجی مطلوب را می توان دقیق تر تخمین زد
N = Number of bits
Poor Resolution(1 bit)
Better Resolution(3 bit)
Digital Input
Vout
Desired Analog signal
Approximate output
8 Volt. Levels
000
001
010
011
100
101
110
111
Vout
Desired Analog signal
Approximate output
2 Volt. Levels
Digital Input 1

35. مشخصات فنی
Reference Voltage
ولتاژ مرجع
مقدار ولتاژ مشخصی می باشد که تعیین می کند هر ورودی دیجیتال به چه کسر ولتاژی اختصاص داده شود
انواع:
● داخلی و ثابت و تعیین شونده توسط سازنده
● خارجی و متغیر و تعیین شونده توسط کاربر
Non-Multiplier: (Vref = C)
Multiplier: (Vref = Asin(wt))
Voltage
Digital Input 00 01 10 11
Voltage 00 01 10 11
Digital Input
Assume 2 bit DAC

36. مشخصات فنی زمان نشست Analog Output Voltage Time Settling time
●زمان مورد نیاز برای اینکه ولتاژ سیگنال ورودی به محدوده ولتاژ خروجی مورد انتظار تبدیل گردد
(within +/- VLSB)
● هر تغییر در حالت ورودی به سرعت در خروجی منعکس نمی گردد
Analog Output Voltage
Expected Voltage
+VLSB
-VLSB
Settling time
Time

37. مشخصات فنی خطی بودن NON-Linearity(Real World) Linearity(Ideal Case)
● اختلاف بین خروجی آنالوگ مطلوب و خروجی واقعی بر روی یک محدوده کاملی از مقادیر مورد انتظار
● در حالت ایده ال مابین خروجی یک مبدل DAC و ورودی آن باید یک رابطه خطی وجود داشته باشد که همواره محقق نمی گردد
NON-Linearity(Real World)
Analog Output Voltage
Digital Input
Desired Output
Miss-alignment
Approximate output
Linearity(Ideal Case)
Digital Input
Perfect Agreement
Desired/Approximate Output
Analog Output Voltage

38. مشخصات فنی سرعت Speed ● نرخ تبدیل یک ورودی دیجیتال به معادل آنالوگ آن
● نرخ تبدیل:
● وابسته به سرعت clock سیگنال ورودی
● وابسته به زمان نشست مبدل

39. مشخصات فنی خطاها Differential Integral Gain Offset Non-monotonicity
● غیر خطی بودن
● دیفرانسیلی
Differential
Integral
● انتگرالی
Gain
● گین
Offset
● آفست
Non-monotonicity
● غیریکنواختی

40. خطای غیرخطی دیفرانسیلی
مشخصات فنی
خطای غیرخطی دیفرانسیلی
● مقدار استپ ولتاژی نسبت به خروجی قبلی مبدل
(Ideally All DNL’s = 1 VLSB)
Digital Input
Ideal Output
Analog Output Voltage
VLSB
2VLSB
Diff. Non-Linearity = 2VLSB

41. Int. Non-Linearity = 1VLSB
مشخصات فنی
خطای غیرخطی انتگرالی
● انحراف خروجی واقعی مبدل از مقدار ایده ال
(Ideally all INL’s = 0)
Ideal Output
Analog Output Voltage
Int. Non-Linearity = 1VLSB
1VLSB
Digital Input

42. مشخصات فنی خطای آفست Output Voltage Desired/Ideal Output Digital Input
● اختلاف ولتاژ ثابت مابین خروجی ایده ال و خروجی واقعی
● خطای گین بالا: شیب واقعی بزرگتر از ایده ال
● خطای گین پائین: شیب واقعی کمتر از ایده ال
Output Voltage
Desired/Ideal Output
Positive Offset
Digital Input
Negative Offset

43. مشخصات فنی خطای غیریکنواختی Desired Output Analog Output Voltage
● میزان کاهش در ولتاژ خروجی به ازای یک افزایش در ورودی دیجیتال
Desired Output
Non-Monotonic
Analog Output Voltage
Monotonic
Digital Input

44. Binary Weighted Resistor
انواع مبدلها
● استفاده از یک مدار آپ امپی جمع کننده
● مقاومتهای وزن دار برای تمایز هر بیت از LSB تا MSB
● استفاده از ترانزیستورها برای سوئیچ مابین ولتاژ مرجع و زمین
Rf = R 8R 4R 2R R Vo
-VREF
LSB
MSB

45. Binary Weighted Resistor
انواع مبدلها
Binary Weighted Resistor
● نمایش باینری Vo R 2R 4R 8R
Most
Significant Bit
Least
Significant Bit
-VREF

46. Binary Weighted Resistor
انواع مبدلها
Binary Weighted Resistor
● نمایش باینری
SET
CLEARED
Most
Significant Bit
Least
Significant Bit
-VREF
( )2 = ( 15 )10

47. Binary Weighted Resistor
انواع مبدلها
Binary Weighted Resistor
Rf = R
● مقاومتهای وزن دهی شده بر اساس بیت
● کاهش جریان با یک فاکتور 2 برای هر بیت Vo R 2R 4R 8R
MSB
LSB
-VREF

48. Binary Weighted Resistor
انواع مبدلها
Binary Weighted Resistor
Result:
Bi = Value of Bit i

49. Binary Weighted Resistor
انواع مبدلها
Binary Weighted Resistor
● بطور کلی تر
Bi = Value of Bit i
n = Number of Bits

50. Binary Weighted Resistor
انواع مبدلها
Binary Weighted Resistor
مزایا
● آنالیز/ساختار ساده
● تبدیل سریع
معایب
● نیاز به محدوده وسیعی از مقاومتها که مقاومتهای کم باید دارای صحت بالائی باشند
● نیاز به مقاومتهای سوئیچ پائین در ترانزیستورها
● گران قیمت بنابراین معمولا به رزولوشن 8 بیت محدود می گردد

51. انواع مبدلها
R-2R Ladder
VREF
MSB
LSB

52. انواع مبدلها R-2R Ladder VREF MSB LSB
● پیکربندی سوئیچ ورودی همانند روش binary weighted resistor
● تمام بیتها از یک مقاومت 2R عبور داده می شوند
VREF
MSB
LSB

53. انواع مبدلها R-2R Ladder LSB MSB
● جریان با یک فاکتور 2 در هر گره تقسیم می گردد
LSB
MSB

54. انواع مبدلها R-2R Ladder B2 B1 B0
● جریان با یک فاکتور 2 در هر گره تقسیم می گردد
Analysis for current from (001)2 shown below R R R 2R 2R R 2R 2R
Op-Amp input
“Ground”
VREF B2 B1 B0

55. انواع مبدلها
R-2R Ladder
Result:
Bi = Value of Bit i Rf

56. انواع مبدلها مزایا معایب R-2R Ladder
● فقط دو مقدار مقاومت مورد نیاز است
● به مقاومتهای با صحت بالا نیاز ندارد
معایب
● سرعت تبدیل کمتر نسبت به روش اول