convertitori d/a sigma-delta - STUDIO TECNICO ing. Zumpano Luigi

I.P.S.I.A.
di
BOCCHIGLIERO
a.s. 2012/2013
-classe IV-
Materia: Elettronica Telecomunicazioni ed Applicazioni
----CONVERTITORI
Alunna:
SANTORO IDA
D/A SIGMA-DELTA ----
prof. Ing. Zumpano Luigi
IPSIA Bocchigliero
-Elettronica , telecomunicazioni ed applicazioni-
convertitori D/A sigma-delta
CONVERTITORI D/A SIGMA-DELTA (DAC ΣΔ )
Il principio di funzionamento dei convertitori D/A sigma-delta è lo stesso degli analoghi convertitori
A/D si utilizzano cioè le tecniche del sovracampionamento e della modulazione sigma-delta per
ridurre il rumore di quantizzazione e guadagnare quindi in risoluzione. In particolare, le operazioni
svolte in un convertitore DAC ΣΔ sono esattamente le duali di quelle svolte in un ADC:
•
i dati digitali in ingresso passano per un filtro interpolare, che, al contrario del circuito
decimatore, permette di aumentare la frequenza di campionamento;
•
un modulatore sigma-delta, fornisce in uscita dei dati quantizzati su un solo bit;
•
si esegue la semplice operazione di conversione D/A ad un solo bit;
•
il segnale risultante viene filtrato da un filtro analogico, permettendo la ricostruzione del
segnale.
La tecnica di conversione a rete R-2R è generalmente adatta a coprire la maggior parte delle
esigenze. La conversione ΣΔ è comunque diffusamente utilizzata in quelle apparecchiature che
processano i segnali audio digitalizzati, ed in particolare nei lettori di CD e nelle schede audio dei
PC. La larga diffusione di tali apparecchi ha giustificato la realizzazione di circuiti dedicati che si
occupano, non solo della funzione di conversione D/A, ma anche di altre funzioni specifiche, come
l'interfacciamento con il lettore laser per i CD o con il bus del PC per le schede audio. L '
integrazione di un convertitore ΣΔ risulta la soluzione tecnologicamente più semplice, trattandosi
di un circuito essenzialmente digitale, a parte il filtro di uscita che può essere realizzato
esternamente.La modulazione Sigma-Delta è un metodo per tradurre segnali ad alta risoluzione
in segnali a bassa risoluzione tramite l'uso della modulazione a densità di impulsi. Questa tecnica
ha visto accrescere la propria utilizzazione in una vasta gamma di componenti elettronici moderni,
come convertitori analogico-digitali, i sintetizzatori di frequenza, gli alimentatori switched, e il
controllo dei motori. Uno dei primi e più diffusi utilizzi della modulazione sigma-delta è la
conversione dei dati. Un circuito ADC o un DAC che implementa questa tecnica può raggiungere
facilmente una risoluzione molto elevata, utilizzando anche una tecnologia CMOS a basso costo,
cioè la tecnologia utilizzata per produrre i circuiti integrati digitali; per questo motivo, anche se la
modulazione sigma-delta fu presentata per la prima volta all'inizio degli anni sessanta, si è diffusa
solo di recente, procedendo passo passo con l'affinamento delle tecnologie in silicio. Quasi tutti i
venditori di circuiti integrati analogici offrono convertitori sigma-delta. Per il convertitore analogicodigitale (ADC), questo metodo può essere pensato come un oscillatore controllato in tensione,
dove la tensione di comando è la tensione da misurare, e dove la linearità e la proporzionalità sono
determinate da una retroazione negativa. L'uscita dell'oscillatore è rappresentata da un treno di
impulsi, in cui ogni impulso ha un'ampiezza conosciuta e costante pari a V; ognuno di essi ha
pertanto un integrale. Varia però l'intervallo di separazione: l'intervallo tra gli impulsi è determinato
dall'anello di reazione in modo tale che un ingresso di tensione bassa produca un intervallo lungo
tra gli impulsi, mentre un livello alto di tensione in ingresso produca un intervallo breve. In effetti, a
meno di errori negli interruttori, l'intervallo tra gli impulsi è proporzionale all'inverso della media
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della tensione di ingresso durante l'intervallo e pertanto, l'intervallo
t s è un campione della
media della tensione di ingresso proporzionale a V / t s . L'anello di reazione è costruito in modo
tale che l'integrale dell'ingresso sia associato all'integrale del treno di impulsi. Il conteggio finale
sull'uscita rappresenta la digitalizzazione della tensione di ingresso, si determina contando gli
impulsi prodotti in un determinato periodo di tempo, il conteggio che si ottiene è Σ che è definito
come sigma. Sono questi impulsi ad essere trasmessi per la modulazione sigma-delta; nella
conversione analogico-digitale, essi sono conteggiati per calcolare la somma Σ. La figura
rappresenta un diagramma a blocchi semplificato dell'analogo di un convertitore digitale realizzato
con sigma-delta.
Nella maggior parte delle applicazioni pratiche, l'intervallo di somma è maggiore, se comparato
con la durata dell'impulso e per i segnali che rappresentano una frazione significativa del fondo
scala, la variabile separazione degli intervalli è piccola, se comparata con l'intervallo di somma. Il
teorema del campionamento di Nyquist-Shannon impone l'acquisizione di almeno due campioni
per periodo, per riuscire a ricostruire il segnale di ingresso. I campioni appropriati, secondo questo
criterio, sono due conteggi successivi Σ presi in due intervalli di somma contigui. L'intervallo di
somma, che deve accomodare un gran numero di conteggi per ottenere la precisione voluta, è
inevitabilmente lungo, e pertanto il convertitore può operare solo a frequenze relativamente basse.
Risulta pertanto conveniente rappresentare la tensione di ingresso (1) come costante su un
intervallo di alcuni impulsi. È necessario che il rapporto tra la durata dell'impulso e l'intervallo di
somma sia uguale al massimo conteggio (full scale range); è allora possibile che la durata
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dell'impulso e l'intervallo di somma siano definiti dallo stesso clock, ovviamente tramite
un'opportuna scelta della logica e dei contatori. Ciò porta il vantaggio che nessun intervallo deve
essere definito con precisione assoluta, dato che risulta importante solo il rapporto. Pertanto, per
ottenere l'accuratezza complessiva, è necessario solamente che l'ampiezza dell'impulso sia
definita accuratamente.
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