CONVERTITORI A/D ad ELEVATE PRESTAZIONI
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Fondamenti di elettronica
ESIGENZE SPECIALI di CONVERSIONE
• Elevatissima risoluzione (20 bit e oltre)
• Elevatissima velocità (10 Msample/s e oltre)
• Elevata dinamica del segnale di ingresso (3 decadi o
più)
• Segnali bipolari (positivi e negativi)
Difficilissimo, se non impossibile, avere tutte queste
esigenze soddisfatte contemporaneamente !
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Fondamenti di elettronica
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Fondamenti di elettronica
PRINCIPIO della CONVERSIONE A “DOPPIA RAMPA”
Segnale analogico
da convertire
Tensione FISSA
di riferimento
C
R
VX
-
S1
VU
+
-VREF
S2
Tempo variabile con VX
(S1 aperto e S2 chiuso)
Tempo fisso (S1 chiuso e S2 aperto)
Vo
Pendenza
T1
T2
VX
RC
VREF , pendenza costante perché
RC
VREF, R e C costanti.
VU 
VX
 T1
RC
Si misura T2 per avere VX
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Fondamenti di elettronica
RELAZIONI TEMPO-AMPIEZZA
Tempo fisso
Vo
Pendenza
Tempo variabile con VX
T1
T2
VX
RC
VREF , pendenza costante perché
RC
VREF, R e C costanti.
Vo 
VX
V
 T1  REF  T2
RC
RC
VX  VREF
T2
T1
Note VREF e T1 e misurando T2
si risale a VX
Non dipende dai parametri costruttivi del circuito integratore !
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Fondamenti di elettronica
CONVERTITORE A/D a “DOPPIA RAMPA”
t=0
Segnale analogico
in INGRESSO
C
R
VX
-
Vo
+
-VREF
S1
S2
+
LOGICA DI
CONTROLLO
Start
VX  VREF 
N
2n
N
CONTATORE
a n bit
Clock (ck)
E.O.C.
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Fondamenti di elettronica
TEMPI di CONVERSIONE
Il tempo di conversione, Tc=T1+T2, varia proporzionalmente a VX :
TCmin quando VX = 0V
TCmin = T1
TCmax quando N=2n , cioè T1=T2
TC max
2n
 2
f ck
Velocità di conversione relativamente bassa
Esempio : ADC a 10 bit e fck=1 MHz (periodo 1 s)
Tcmax  2 ms
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  500 conversioni/s
Fondamenti di elettronica
SIGNIFICATIVITA’ DELLA CONVERSIONE
anche con VX VARIABILE
Segnale all’ingresso
VIN
T1
T2
Vo
Segnale all’uscita
(dopo l’integrazione)
T1
T2
|VX|
|VREF|
T1
VX (t )
1
dt 
VX  T1
RC
RC
0
VU  
La parola digitale che si ottiene alla
fine della conversione rappresenta
il VALORE MEDIO del segnale
all’ingresso nell’intervallo T1
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VX  VREF 
VU 
N
2n
Fondamenti di elettronica
VX
 T1
RC
IMMUNITA’ ai DISTURBI
VIN
T1
T2
Vo
T1
T2
|VX|
|VREF|
STESSO PUNTO !
Esempio : nei voltmetri digitali di precisione T1=20ms, così da
togliere i disturbi di rete (50Hz e multipli).
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Fondamenti di elettronica
CONVERTITORE “Flash”
VX
VFS
Segnale analogico
in INGRESSO
3R/2
-
R
+
-
R
+
-
R
+
-
R
+
-
Per fare un
convertitore a n bit
occorrono 2n-1
comparatori !
R
+
-
R
+
+
R/2
10
C
O
D
I
F
I
C
A
T
O
R
E
.
L
O
G
I
C
O
Viene confrontato
in parallelo da
(2n-1) comparatori
D1
D2
D3
Fondamenti di elettronica
CARATTERISTICHE degli ADC “FLASH”
• Molto veloci
(velocità limitata solo dai tempi di ritardo dei comparatori e della logica)
Tassi di conversione di 10-100 Msample/s
• Costosi (2n-1 comparatori)
• Modesta linearità differenziale
difficoltà a realizzare un partitore preciso con 2n resistenze identiche;
offset dei comparatori che sposta la soglia impostata dal partitore.
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Fondamenti di elettronica
CONVERTITORI NON-LINEARI
Segnale di ingresso
10 V
10 mV
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Risoluzione di
0.1%  10 mV
Risoluzione di
0.1%  10 V
Con ADC lineare
occorrono 20 bit
10 V
 10 6  2 20 !
10V
Si preferisce una codifica
NON LINEARE
in cui la risoluzione sia una
percentuale fissa della ampiezza
del singolo campione
Fondamenti di elettronica
COMPRESSIONE LOGARITMICA
VX
AMPLIFICATORE
LOGARITMICO
 VX 

VO  K  ln 
 VR 
VO
ADC
LINEARE
Codice
digitale di
USCITA
VFS
1 LSB  n
2
dVO
VR 1
K

dV X
V X VR
VX
VO 
VX
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VX VFS
 n  cos tan te
VX
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Fondamenti di elettronica
CONVERTITORE A/D BIPOLARI
Segnale analogico
in INGRESSO
±VX
S1
ADC
UNIPOLARE
R
R
-
Codice
digitale di
USCITA
S2
+
Vo
+
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LOGICA DI
CONTROLLO
INTERRUTTORI
Fondamenti di elettronica