Voltmetri numerici

DISPOSITIVO SAMPLE AND HOLD

È importante che la tensione target rimanga costante durante tutto il processo di conversione. ±0.5LSB La variazione massima permessa può essere affinché non crei problemi.

Nel caso in cui il controllo S-H è a livello logico alto, lo switch MOS sarà chiuso quindi si andrà a caricare il condensatore con la tensione V .x Quando la carica raggiunge un certo valore il comando S-H si porta a livello basso, così il MOS si apre non caricando più il condensatore, che quindi mantiene la tensione ai suoi capi. Questa tensione V si presenterà esattamente all'uscita del secondo comparatore, V .OUT

Sample Hold Durante la fase di (S-H = 1) V segue V , mentre durante la fase di (S-HOUT X= 0) V mantiene il valore dell'input (+) e quindi la tensione V ai capi del condensatore.

INCERTEZZA Amplificatore- non ideale, guadagno non infinito e presenza di offset. Larghezza di banda- limitata dall'OpAmp e dal...

MOS.Jitter- è il ritardo che si ha quando si switcha tra le fasi Sample e Hold. Importante per risalire al segnale. Droop effect- durante la fase di Hold non si riesce a mantenere costante la V aOUT causa del condensatore che si scarica per la resistenza interna del MOS, comunque è trascurabile se inferiore a 0.5LSB. Pedestal- effetto dovuto alle capacità parassita tra drain e gate del MOS, che fanno cadere la V .OUT Anche in questo caso trascurabile se minore di 0.5LSB. VOLTMETRO A RAMPA è un convertitore SPOT a conversione V/T. V è il valore costante da misurare e da convertire ad un X ben preciso ed unico istante. Si ha una rampa decrescente dove t è il primo istante 0 d'interesse, V = Vl'istante t* è quello dove , quindi la rampa assume M X lo stesso valore di Vx, mentre l'istante t è quelli in cui la frampa raggiunge il valore nullo. Vm-0-tf Considerando il triangolo e il triangolo destro più t*-t -V piccolo f xsi ha larelazione di conversione

¿ ¿−t −t −tt t tf 0 f f= =V→ V ∙x m −tV V tM x f 0V M K,

Il termine è lo slop della rampa, che indichiamo con−tt f 0¿−t =DTtmentre quindi :f=k =kV ∙ DT ∙ N ∙ TxCosì abbiamo convertito la tensione V in un intervallo di tempo DT, che può essereXvisto come il numero di impulsi N moltiplicato per il tempo T e per lo slope K dellarampa. t* tApprossimando come il tempo d'inizio dell'evento e come il tempo finalefdell'evento, risaliamo ad una forma quadra che rappresenta l’apertura del gate e adun'oscillazione generata dal clock.Nel caso in cui la tensione incognita è negativa l'istante d'iniziotsi ha quando la rampa attraversa lo 0 e il è quando la rampafraggiugne il valore -V .ML'intervallo di tempo tra una conversione e l'altra è esattamente la frequenza dicampionamento, quindi definisce anche il Sampling

Rate. Inoltre quando si passa da una conversione all'altra bisogna sempre resettare il Simple Rate Multivibrator. contatore, lavoro svolto dal Risoluzione Incertezza. La risoluzione è la minima variazione del Le maggiori cause d'incertezza per un segnale d'ingresso che può essere voltmetro a rampa numerica sono: misurato nel segnale d'uscita. Quindi, in questo caso, riguarda le - Conversione V/T variazioni di V in ingresso e i passi del - Precisione dei componenti X contatore che si presentano come uscita. dell'integratore (RC) - Linearità della rampa = k = kV ∙ DT ∙ N ∙ T - Misurazione del tempo Sappiamo che ,x - Instabilità dell'oscillatore 1 = k = kN = 1 → V ∙ T ∙ nel caso di - Rumore x f - Tempo di conversione variabile, perché < 0 V nel caso di si termina quando la È chiaro che se raddoppia lo slope della x − V rampa raggiunge il valore . rampa, raddoppia anche la V, il che fa MX allontanarci dalla definizione ideale.

dirisoluzione. Un altro parametro importante è il periodo dell'impulso, perché se fosse più piccolo potremmo avere in questo caso una differenza di passi.

VOLTMETRO A RAMPA NUMERICA

Il convertitore a rampa numerica è il più semplice convertitore di tipo SPOT. Si nota la presenza di una tensione incognita Vx in ingresso all'OpAmp (-) che viene costantemente comparata con una tensione di riferimento V che rappresenta la tensione d'uscita V del convertitore DAC.

Il DAC per fornire questa tensione analogica riceve in ingresso un codice generato da un contatore a bit la cui distanza tra un codice e il successivo sarà 1 LSB.

Il contatore a sua volta è pilotato da una porta G (AND) e conterà fin quando la tensione incognita Vx > Vr, in particolare fin quando la loro differenza |Vx - Vr| ≤ 0.5 LSB.

La V del comparatore può essere:

OUT{ >V = 0V → Vx ≤ Vr OUT < V = 1V → Vx > Vr OUT

che va direttamente in un flip-flop

che gestisce, a sua volta, la porta nell'uscita. L'altro ingresso della porta è il clock che è esattamente la frequenza di campionamento. Ogni qual volta che si converte un campione si azzera il contatore, partendo nuovamente dalla parola nulla, così facendo si perdono le informazioni sulla parola precedente. Per risalire analiticamente alla tensione incognita :=KV ∙ TSTEP=N =NV ∙ V ∙ K ∙TX STEP Vantaggi Svantaggi- Semplicità - È un dispositivo sequenziale, nel caso circuitale di V = Vx FS- Economico nsi dovranno generare tutte le 2 parole.- Tempo di conversione non costante, dipende dalla lontananza del campione dallo 0. Solitamente si usa il tempo di campionamento nfisso relativo al caso peggiore (2 confronti) n2n=2 →T ∙ TMAX C f CVOLTMETRO A RAMPA NUMERICA UP-DOWN Sfruttando il fatto che i segnali reali non hanno discontinuità, se un campione ha un certo valore è chiaro che il successivo non si discosti molto da

questo valore, allora sil'inseguimento del segnaleimplementa , evitando di stoppare e resettare ilcontatore ad ogni conversione.

La tensione di riferimento uscente dal DAC vanel (-) del comparatore, mentre la tensioneincognita V è nel (+).

X Up & Down

Inoltre, il contatore è un con dueingressi, il segnale Up incrementa mentre ilsegnale Down decrementa il conteggio.

Se ne deduce che ci sono due porte AND (U-D) i cui ingressi sono sempre opposti,realizzato ponendo una NOT all'ingresso della AND-Down.

Funzionamento

Supponiamo inizialmente di avere un segnale costante e il contenuto del contatore èzero, quindi la tensione V = 0.

DAC

Il comparatore genera una V in tal modoOUT{ <V =0V →VX DAC OUT>V =1V → VX DAC OUTAvendo l'uscita del comparatore 1, questo va direttamente alla porta AND-UP, mentrenella portaAND-DOWN arriva uno 0, per via della NOT, quindi il contatore sarà incrementato,Di conseguenza il contenuto all'interno del DAC

viene incrementato e quindi la V_DAC cresce. Il processo continua fin quando la tensione V non supera la V_DAC. Quando questo avviene, in uscita dal comparatore avremo 0 e quindi i segnali in AND-UP=0 & AND-DOWN=1. L'ingresso alle AND saranno esattamente opposti (AND-UP=1 & AND-DOWN=0) e quindi il contatore verrà decrementato. In questo modo viene generato l'inseguimento del segnale. In particolare, si nota che se la tensione dovesse restare costante la parola oscilla attorno tale segnale. Si evidenziano quindi due comportamenti: [1] Aggancio: tempo necessario a raggiungere il segnale, si comporta come un convertitore a rampa. [2] Inseguimento: la parola generata sarà valida per la conversione, fin quando la distanza tra un livello e il successivo è ≤ 0.5 LSB. ±0.5LSB. Nel caso in cui la distanza superi i 0.5 LSB, ovvero quando il segnale ha delle variazioni pindariche, si deve riagganciare nuovamente il segnale (fase finale). Vantaggi: - Adatto a un ambiente multiplexato Svantaggi: - Non specificatosuccessive) imposta il bit MSB a 0 e passa al bit successivo. Si ripete il processo per tutti i bit fino ad ottenere la parola di uscita completa. Il voltmetro ad approssimazioni successive è un tipo di convertitore analogico-digitale che utilizza una tecnica di conversione sequenziale. A differenza degli schemi precedenti, in questo caso il voltmetro ha una logica di controllo collegata al convertitore digitale-analogico (DAC) e presenta anche un segnale di fine conversione (EOC). Il funzionamento inizia impostando il bit più significativo (MSB) a 1, anziché partire dalla parola nulla. Questo significa che per il DAC l'uscita corrisponde ad una tensione massima (VFS). Il comparatore confronta la tensione incognita (Vx) con la tensione di riferimento (V) e restituisce un segnale di confronto: se Vx > V, il comparatore restituisce 1, altrimenti restituisce 0. Supponiamo che per il bit MSB l'uscita del comparatore sia 1. Questo significa che la tensione incognita Vx è maggiore della tensione in uscita dal DAC e che il bit MSB è corretto. A questo punto, poiché Vx < V, la logica di approssimazioni successive imposta il bit MSB a 0 e passa al bit successivo. Il processo viene ripetuto per tutti i bit fino ad ottenere la parola di uscita completa.

successive)DAC X incrementa il secondo bit ottenendo 110. Supponendo che in questo caso V > V allora l'uscita del comparatore sarà 0, ciò DAC X vuol dire che questo bit è errato e quindi la SAL lo ripone a 0 ed incrementa quello successivo 101.

Se anche in questo caso la V > V , questo bit è errato e quindi si ripone a 0 100 , DAC X questo è il valore di conversione esatto che verrà convertito.

Il procedimento è ricorsivo e quindi ci saranno sempre gli n confronti, qualunque sia il parallelismo del dispositivo. È comunque una tipologia di convertitore abbastanza veloce ma generalmente non molto accurato, infatti si utilizzano più decadi per aumentare la precisione.

Vantaggi:

• Tempo di conversione costante

Svantaggi:

• Complesso circuitalmente