Appunti completi di Misure Elettroniche

SPECIFICHE DINAMICHE DI UN CONVERTITORE DAC :

 DNL / INL , THD, SNR, SINAD, SFDR (già visti nel ADC)

PARAMETRI: 

- Settling Time ( o tempo di assestamento) è il tempo che impiega l’uscita per assestarsi al valore

di regime all’interno di una prefissata fascia di errore.



- RISE TIME ( o tempo di Salita) il tempo per un ingresso a gradino per passare dal 10 al 90% del

valore di regime.



- GLITCH è un picco breve ed improvviso ( non periodico ) in una forma d’onda, che tipicamente è

causato da un errore non prevedibile.

ARCHITETTURA del CONVERTITORE Analogico-Digitale



Circuito comparatore ADC a 1 BIT

Prende un valore in input. C’è un valore soglia prestabilito: se il valore in input è maggiore del valore soglia

gli si associa in uscita il valore 1 ; 0 altrimenti. E’ un blocco sempre usato nei circuiti !



Circuito contatore ADC Contatore

Il conteggio inizia quando il CIRCUITO DI CONTROLLO abilita la porta AND . Il conteggio avviene sulla base

degli impulsi di CLOCK che arrivano in input. IL DAC incrementa l’uscita da zero fino al valore Vfs ( per valori

pari a Q in ampiezza). Appena si raggiunge il valore Vx=Vfs il contatore finisce il conteggio. La porta and è

abilitata da 0 a Vx. Appena si raggiunge il valore Vx si disabilita.

Gli errori di tutto il circuito sono dovuti essenzialmente ad errori del DAC.

 

Circuito ad inseguimento ADC ad inseguimento dopo un TRANSITORIO INIZIALE, l’ADC ad

inseguimento da in uscita un valore COSTANTE che approssima il valore di corrente del segnale in ingresso.

Il circuito ADC ad inseguimento rimane agganciato al segnale Vx in ingresso: questo avviene in maniera

corretta se è rispettata la condizione per cui la MASSIMA VELOCITA’ DI VARIAZIONE di Vx è MINORE del

rapporto 1LSB/Tc (Tc è il periodo del clock di sistema).

Uno dei pregi fondamentali è che il dispositivo ADC ad inseguimento, cerca sempre di seguire il segnale

analogico in ingresso, modificando opportunamente l’uscita in base allo stesso segnale di ingresso.

PROBLEMI : sempre dovuti al DAC non è lineare.

ADC ad “APPROSSIMAZIONI SUCCESSIVE” (SAR)

E’ un dispositivo ADC che si appoggia ad un REGISTRO di APPROSSIMAZIONI . Esso esegue la conversione

basandosi su un meccanismo di ricerca binaria, attraverso tutti i possibili livelli di quantizzazione fino alla

determinazione del valore finale.

CAUSA DI INCERTEZZA: instabilità ( a lungo termine) dell’alimentazione e non linearità del DAC.



PREGIO PRINCIPALE è economico !



ADC DELTA-SIGMA è un ADC che usa il sovracampionamento per l’aumento della risoluzione del DAC;

Basso costo, bassi consumi; usa il filtraggio numerico ( in grado di eliminare il rumore fuori banda).



Quando l’errore di quantizzazione può essere considerato RUMORE? quando si verificano

contemporaneamente tutte queste condizioni:

1) Quando tutti i livelli di quantizzazione sono EQUIPROBABILI

2) Quando il passo di quantizzazione è uniforme

3) Quando l’errore di quantizzazione non è collegato all’ingresso

4) Quando abbiamo un numero elevato di livelli di quantizzazione

CALCOLO DELLA POTENZA DEL RUMORE DI QUANTIZZAZIONE:

Il RUMORE DI QUANTIZZAZIONE ha SPETTRO PIATTO (detto RUMORE BIANCO) nella banda 0, fs/2 :



COME DIMINUIRE LA POTENZA DEL RUMORE DI QUANTIZZAZIONE nella BANDA DEL SEGNALE ?

andando ad aumentare la frequenza di campionamento ( usando il sovra-campionamento). N.B. Il sovra-

campionamento aumento la risoluzione ma diminuisce la Velocità e comporta del RUMORE FUORI BANDA (

che viene eliminato con il filtraggio!).

CHE Cos’è il NOISE SHAPING?

Sta per “MODELLAZIONE DEL RUMORE” e consiste nell’andare a DIMINUIRE il RUMORE DI



QUANTIZZAZIONE nella banda del segnale questo comporta l’aumento dell’SNR.

è

ADC TIME-INTERLEAVED un dispositivo composto da più ADC che lavorano a BASSA FREQUENZA DI

 

CAMPIONAMENTO ogni ADC campiona il segnale a FASI DIVERSE l’azione combinata di tutti gli ADC

equivale a quella di un singolo convertitore.

Il MUX connette sequenzialmente un terminale di INPUT ad uno dei canali di conversione.

Un numero N di ADC operato ad una FREQUENZA DI CAMPIONAMENTO COMPLESSIVA pari a 1/N della

frequenza di campionamento interlacciata tra i vari ADC (quindi rispetto a quella dell’intero sistema).

SVANTAGGI: se almeno un canale di conversione è affetto da errore, l’output cambierà ogni M cicli. Per cui

si otterranno dei segnali FASULLI alla frequenza fs/M ( dove fs = 1/T)

SOLUZIONE: si usa una CALIBRAZIONE apposita per evitare errori.

ALCUNE TECNICHE DI CONVERSIONE:

Architettura del DAC



Che cos’è un DAC E’ un convertitore Digitale->Analogico che prende in ingresso una sequenza di Bit e da

in uscita un campione ANALOGICO.

Questi campioni ANALOGICI sono spesso l’INGRESSO di un successivo S&H, che darà come output un’uscita

a gradini che verranno appositamente SMUSSATI usando un FILTRO PASSA-BASSO.

Un DAC converte una SUCCESSIONE NUMERICA Xc[k] in un segnale continuo nel tempo e DISCRETO NELLE

AMPIEZZE x(t). FASI DI CONVERSIONE:

1) DECODIFICA della successione in ingresso : Xc[k] -> x1[kTc]

2) “INTERPOLAZIONE A TENUTA” : avviene la successiva conversone in x(t); viene tipicamente usato

un DISPOSITIVO ZOH (Dispositivo a tenuta di ORDINE ZERO)

- LA DECODIFICA e L’INTERPOLAZIONE sono eseguite (quasi sempre) in maniera SIMULTANEA



DAC a 1bit è un semplice interruttore

DAC a RESISTORI PESATI

Abbiamo:

- una TENSIONE V-Ref di riferimento.

- N resistori BINARI PESATI

- N SWITCH ( pari al numero dei resistori)

- Un Amplificatore Operazionale

- Gli SWITCH sono CONTROLLATI da sequenze binarie ( D )

La corrente che attraversa ogni resistore è costante; ogni switch controlla la corrente corrispondente: se la

bit

corrente va a massa 0 , altrimenti bit 1 ( se va verso il terminale). La corrente che scorre verso la

massa virtuale si SOMMA e FLUISCE verso la resistenza Rf dell’amplificatore operazionale .

Uno dei principali svantaggi è la NON IDEALITA’ dell’amplificatore operazionale

CATENA DI ACQUISIZIONE DATI A PIU’ INGRESSI

SCHEMA DI UNA CATENA DI ACQUISIZIONE DATI a PIU’ INGRESSI:

Nello schema è presente ( rispetto alla catena a singolo ingresso) un MUX : ha il compito di collegare

SEQUENZIALMENTE il campionatore di S&H e il convertitore ADC ad un canale da 0 a N-1 .

Si stabilisce in tal caso fc = “frequenza di campionamento massima alla quale può operare il gruppo S&H e

ADC”. Da qui è possibile definire fi = “frequenza con cui potrà essere campionato il segnale i-esimo “ come :

fi = fc/N ( vale se il tempo di commutazione del MUX è trascurabile)

Il CAMPIONAMENTO di più ingressi può essere di due tipi:



1) NON SIMULTANEO SEQUENZIALE : uno per volta verrà campionato

 

2) SIMULTANEO gruppi di segnali in ingresso vengono campionati ogni Tc secondi. in alcune

applicazioni risulta essere rilevante il campionamento simultaneo : ad esempio nel campionamento

di segnali affinché avvenga il calcolo della PONTENZA ATTIVA, dove tale potenza attiva è pari a :

Il Campionamento simultaneo facilita le cose; abbiamo due campioni UNO DI CORRENTE E UNO DI



TENSIONE campionarli insieme non comporta ritardi e quindi nessun errore nel calcolo della

potenza attiva.

PER IL CAMPIONAMENTO SIMULTANEO NON VALE LO SCHEMA PRECEDENTEMENTE ESPOSTO, MA

OCCORRE IMPLEMENTARE l’UTILIZZO DI TANTI S&H quanti i canali di ingresso. Tuttavia la conversione ADC

rimane comunque SEQUENZIALE:

 ANDANDO AD USARE UN ADC per ciascun ingresso ( QUINDI A COSTO SUPPLEMENTARE) è possibile

aumentare la VELOCITA’ DI CAMPIONAMENTO per SINGOLO CANALE. Il MUX avrà una MEMORIA

INTERNA che funge da BUFFER per il trasferimento dei vari dati.

OSCILLOSCOPIO NUMERICO

Un oscilloscopio CONVERTE i segnali elettrici in ingresso in una TRACCIA VISIBILE sullo SCHERMO (

convertono quindi elettricità in LUCE). Questa Luce da vita a dei GRAFICI IN 2 DIMENSIONI che

generalmente esprimono il legame TENSIONE/TEMPO. Quindi l’oscilloscopio cattura una porzione di V(t) in

ingresso e ne trae un grafico.

SPECIFICHE IMPORTANTI DELL’OSCILLOSCOPIO



FREQUENZA DI CAMPIONAMENTO (campioni al secondo) Dovrebbe essere pari ad un valore grande

almeno 4 volte la larghezza di banda.



PROFONDITA’ DI MEMORIA rappresenta la forma d’onda più lunga che può essere acquisita quando già

è in corso un campionamento alla frequenza massima.



NUMERO DI CANALI 2 o 4 canali di rappresentazione del segnale (tipicamente)

VELOCITA’ DI AGGIORNAMENTO DELLA FORMA D’ONDA

QUALITA’ DEL DISPLAY 

MODALITA’ di TRIGGER AVANZATE funzioni avanzate

Un oscilloscopio svolge la sua funzione in 4 fasi:

1) CONDIZIONAMENTO ANALOGICO(non usa un filtro anti-aliasing per non limitare la banda di

misura), campionamento e conversione del segnale analogico in una sequenza numerica

2) MEMORIZZAZIONE dei campioni nell’apposita unità di memorizzazione

3) Elaborazione di tipo NUMERICO per la ricostruzione del segnale nel tempo ( per darla sul display)

4) Visualizzazione del risultato a video.

L’oscilloscopio contiene tanti circuiti elettrici interni che alterano l’ampiezza e la fase della sinusoide del

 

segnale tuttavia per trascurare tale distorsione ci si affida al concetto di BANDA PASSANTE è la

regione dello spettro in frequenza dove l’effetto di distorsione ( PER LO STRUMENTO DI RIFERIMENTO) è



TRASCURABILE tipicamente è 60MHz.  

LARGHEZZA DI BANDA DELL’OSCILLOSCOPIO è la specifica più importante dell’oscilloscopio TUTTI GLI

OSCILLOSCOPI PRESENTANO UNA RISPOSTA IN FREQUENZA DI TIPO PASSA-BASSO e corrisponde al valore di

frequenza in cui l’onda di INGRESSO viene attenuata di 3dB (Errore in ampiezza di circa il 30%)

La larghezza di banda necessaria per applicazioni analogiche : almeno 3 volte la frequenza di onda

sinusoidale più alta.

La larghezza di banda necessaria per applicazioni digitali: almeno 5 volte la frequenza di CLOCK DIGITALE

più alta. 

DISCRETIZZAZIONE DEL SEGNALE IN AMPIEZZA (EFFETTI) tutte le ampiezze comprese nell’intervallo di 1



bit vengono convertite nello stesso numero avendo una maggiore risoluzione si ha più informazione ma

questo fa si che ci siano più dati da memorizzare ( e quindi costi più elevati).



TRIGGER DELL’OSCILLOSCOPIO c’è un CIRCUITO ELETTRICO INTERNO all’oscilloscopio che produ