Elettronica applicata/Conversione A/D

CopertinaElettronica applicata/Copertina
  1. Circuiti digitali
    1. Circuiti logiciElettronica applicata/Circuiti logici
    2. Circuiti sequenziali IElettronica applicata/Circuiti sequenziali I
    3. Circuiti sequenziali IIElettronica applicata/Circuiti sequenziali II
    4. Logiche programmabiliElettronica applicata/Logiche programmabili
    5. Comparatori di sogliaElettronica applicata/Comparatori di soglia
    6. Generatori di onda quadraElettronica applicata/Generatori di onda quadra
  2. Bus e interconnessioni
    1. InterconnessioniElettronica applicata/Interconnessioni
    2. Modelli a linea di trasmissioneElettronica applicata/Modelli a linea di trasmissione
    3. Pilotaggio di lineeElettronica applicata/Pilotaggio di linee
    4. Cicli di trasferimento baseElettronica applicata/Cicli di trasferimento base
    5. Protocolli di busElettronica applicata/Protocolli di bus
    6. Collegamenti serialiElettronica applicata/Collegamenti seriali
    7. Collegamenti seriali sincroniElettronica applicata/Collegamenti seriali sincroni
    8. Integrità di segnaleElettronica applicata/Integrità di segnale
  3. Sistemi di acquisizione dati
    1. Sistemi di conversione A/D e D/AElettronica applicata/Sistemi di conversione A/D e D/A
    2. Convertitori D/AElettronica applicata/Convertitori D/A
    3. Conversione A/DElettronica applicata/Conversione A/D
    4. Convertitori pipeline e differenzialiElettronica applicata/Convertitori pipeline e differenziali
    5. Condizionamento del segnaleElettronica applicata/Condizionamento del segnale
    6. FiltriElettronica applicata/Filtri
  4. Alimentatori e regolatori
    1. Sistemi di alimentazioneElettronica applicata/Sistemi di alimentazione
    2. Regolatori a commutazioneElettronica applicata/Regolatori a commutazione

ErroriModifica

Un convertitore analogico/digitale (A/D) lineare ha la seguente caratteristica ideale:

 
Caratteristica ideale di un convertitore A/D lineare
Categorie di errori
  • errori statici: riguardano il comportamento a regime, cioè con segnale di ingresso costante;
  • errori dinamici: riguardano il comportamento in transitorio, cioè con segnale di ingresso variabile.

Errori staticiModifica

Errori lineariModifica

 
Errori statici lineari sulla caratteristica reale di un convertitore A/D lineare

Gli errori statici lineari si ricavano dal confronto tra la caratteristica ideale e la miglior retta approssimante:

  • errore di offset  : è pari all'intercetta sull'asse D della retta approssimante:
     
  • errore di guadagno  : è pari alla differenza tra la pendenza della caratteristica ideale e quella della retta approssimante:
     

Gli errori statici lineari si possono compensare tramite un'opportuna taratura del circuito.

Errori di nonlinearitàModifica

 
Errori statici di nonlinearità sulla caratteristica reale di un convertitore A/D lineare
  • errore di nonlinearità integrale  : è il massimo scostamento della caratteristica reale dalla retta approssimante considerando il grafico complessivo;
  • errore di nonlinearità differenziale  : preso un LSB, è lo scostamento della caratteristica reale dalla caratteristica ideale:
     
    • errore di codice saltato/mancante: l'errore di nonlinearità differenziale è maggiore di 1 LSB a causa di un valore digitale saltato.

Errori dinamiciModifica

Tempo di conversioneModifica

Il tempo di conversione è il ritardo dal momento in cui viene applicato l'ingresso   al momento in cui l'uscita   è commutata a un valore stabile. È dovuto ai ritardi dei circuiti logici interni.

Convertitori standard di baseModifica

 
Classificazione dei convertitori A/D
Parametri di classificazione
  • complessità: è legata al numero di comparatori utilizzati;[1]
  • tempo di conversione: è legata al numero massimo di cicli di clock richiesti per eseguire una conversione.

Convertitori veloci sono più complessi e più costosi, convertitori semplici ed economici sono più lenti → a seconda dell'applicazione si può scegliere di ottimizzare un parametro o l'altro.

Convertitore flash paralleloModifica

 
Convertitore A/D flash parallelo

A ogni soglia corrisponde un comparatore non invertente: ogni comparatore confronta l'ingresso analogico A con la soglia ricavata tramite resistenze da una tensione di riferimento  , e riporta in uscita 0 se questa è inferiore alla soglia o 1 se superiore → tutti i comparatori al di sotto del livello analogico di ingresso riportano in uscita 1, mentre al di sopra riportano 0. Un codificatore M-N converte questa codifica termometrica (  bit) in codica binaria (  bit).

Parametri
  • molto veloce: è composto da un solo livello di circuiti logici → ritardo di propagazione minimo pari a 1 ciclo di confronto;[2]
  • molto complesso: occorrono   comparatori → costoso.

Convertitore a inseguimentoModifica

 
Convertitore A/D a inseguimento

L'uscita D viene convertita in un segnale analogico A' da un convertitore D/A in reazione, in modo che un comparatore non invertente possa confrontarla con l'ingresso A, quindi un contatore a ogni colpo di clock incrementa o decrementa D di 1 LSB fino a quando il segnale di reazione A' non raggiunge la migliore approssimazione dell'ingresso A:

  • se A' < A il contatore viene incrementato;
  • se A' > A il contatore viene decrementato.
Parametri
  • molto lento: nel caso peggiore occorrono   cicli di confronto per convertire   bit;
  • semplice: richiede un solo comparatore → economico.

Convertitore ad approssimazioni successiveModifica

 
Convertitore A/D ad approssimazioni successive

A ogni colpo di clock si determina il valore di un bit consecutivamente a partire dal MSB fino al LSB: l'ingresso A viene ogni volta confrontato con la metà del campo rimasto (inizialmente il campo è pari al fondo scala  ):

 
Sequenza di approssimazione per un segnale costante
  • se A si trova nella metà inferiore del campo rimasto, il bit corrente è posto a 0 e la metà inferiore è assunta come campo corrente;
  • se A si trova nella metà superiore del campo rimasto, il bit corrente è posto a 1 e la metà superiore è assunta come campo corrente.
Parametri
  • lento: nel caso peggiore occorrono   cicli di confronto per convertire   bit;
  • semplice: richiede un solo comparatore → economico.

NoteModifica

  1. Poiché è difficile quantificare il numero di elementi elettrici elementari come transistori e resistenze, si considerano blocchi funzionali di più alto livello.
  2. Il ritardo del codificatore M-N è trascurabile.