ELETTRONICA II
Prof. Dante Del Corso - Politecnico di Torino
Parte F: Conversione A/D e D/A
Lezione n. 25 - F - 2:
Convertitori D/A
Conversione A/D
• La conversione da Analogico a Digitale
comporta due tipi di discretizzazione:
nel tempo:
campionamento
in ampiezza:
quantizzazione
• Un SISTEMA DI CONVERSIONE deve
eseguire entrambe queste operazioni
Sistema di conversione A/D
A
Campionamento
Quantizzazione
sistema di conversione
D
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
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
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)
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
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
.
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
Caratteristica di conversione
A
S
D
0
0
1
2
M
Caratteristica ideale
A
S
caratteristica
ideale
D
0
0
M
Caratteristica reale
A
S
caratteristica
ideale
caratteristica
reale
D
0
00
M
Miglior retta approssimante
A
S
caratteristica
ideale
miglior retta
approssimante
caratteristica
reale
D
0
0
M
Fascia di non-linearitá
A
S
fascia di
non-linearita’
caratteristica
ideale
miglior retta
approssimante
caratteristica
reale
D
0
0
M
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
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
A
caratteristica
ideale
errore di
guadagno
miglior retta
approssimante
errore di
offset
D
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)
Errore di non-linearitá assoluta
A
S
fascia di
non-linearita’
miglior retta
approssimante
caratteristica
reale
D
0
0
M
Errore di non linearitá
differenziale
• I punti della caratteristica di conversione
dovrebbero essere spaziati di AD (sull’asse
A)
• Nella caratteristica reale i punti sono
spaziati di un intervallo A’D , diverso da AD.
• La differenza AD - A’D è l’errore di
NON LINEARITA’ DIFFERENZIALE
Caratteristica reale
A
S
caratteristica
ideale
AD
A’D
caratteristica
reale
D
0
0
M
Caratteristica reale
A
S
A’’D
A’D
miglior retta
approssimante
caratteristica
reale
D
0
0
M
Classificazione degli errori statici
• Errori lineari
errore di guadagno
errore di offset
εG
εO
• Errori di non linearitá
non-linearitá assoluta
εLA
non-linearitá differenziale εLD
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’
Errore di non-monotonicitá
A
S
AD
A’D
zona con errore di
non-monotonicitá
D
0
0
M
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
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
Circuiti per convertitori D/A
• Tecniche base:
Convertitori potenziometrici
Convertitori a grandezze pesate
Convertitori indiretti
Convertitori potenziometrici
VR
RA
la grandezza D
determina la posizione
del cursore
VU
RB
VU = VRRB/(RA + RB)
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)
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
Rete a scala
I R
2I
R
2R
VR
I
I = VR/2R
I
Rete a scala
I R
2I
R
2R
2R
VR
I/2 R
I
I = VR/2R
I/2
I/2
Rete a scala
I R
2I
I
I = VR/2R
I/4 R
2R
2R
2R
VR
I/2 R
I/2
I/8 R
2R
I/4
R
I/8
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
Rete a scala
2I
VR
2R
2R
2R
I
R
R
I R
I/2
R
2R
I/4
R
I/8
ITOT
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
