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Convertidores A/D para señales de sensores

Date post: 15-Oct-2021
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12
Convertidores para sensores 1 de 23 F. Medeiro Ingeniero en Electrónica, 2º Curso Convertidores A/D Instituto de Microelectrónica de Sevilla Fernando Medeiro Universidad de Sevilla para señales de sensores CNM, CSIC Dpto. Electrónica y Electromagnetismo Universidad de Sevilla Escuela Superior de Ingenieros Convertidores para sensores 2 de 23 F. Medeiro Interface A/D A/D Amplification Filtering Analog signal digital signal 0 2e+05 4e+05 6e+05 8e+05 1e+06 Frequency (Hz) -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 Amplitude (dBV) Resolution ( DR) Speed Output spectrum log(Freq.) 1G 100M 10M 1M 100K 10K 1K 100 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Thermal noise limit(bit) Video Personal Comm. Disk Drivers HDTV Seismology DC Instrum 22 10 Audio Speech Radar Hz Integrating ADC Σ∆ ADC Flash, Pipeline, Interpolative ADSL DR Algo- rithmic 2dB(0.33bit)/year [Nishimura Ph.D. 1993] Σ∆ modulation-based converters suitable for a large number of applications Incremental ADC & sensor interfaces. Convertidores A/D para sensores
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Page 1: Convertidores A/D para señales de sensores

Convertidores para sensores 1 de 23 F. Medeiro

Ingeniero en Electrónica, 2º Curso

Convertidores A/D

Instituto de Microelectrónica de Sevilla

Fernando Medeiro

Universidad de Sevilla

para señales de sensores

CNM, CSIC

Dpto. Electrónica y Electromagnetismo

Universidad de Sevilla

Escuela Superior de Ingenieros

Convertidores para sensores 2 de 23 F. Medeiro

Interface A/DA/DAmplification

Filtering

Analogsignal

digitalsignal

0 2e+05 4e+05 6e+05 8e+05 1e+06Frequency (Hz)

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Am

plitu

de (d

BV

)

Resolution (DR)

Speed

Output spectrum

log(Freq.)1G100M10M1M100K10K1K1002468

101214161820

Thermal noise limit↑ (bit)

Video

Personal Comm.Disk Drivers

HDTV

Seismology

DC Instrum

22

10

Audio

SpeechRadar

Hz

Integrating ADC Σ∆ ADC Flash, Pipeline,Interpolative

ADSL

DR

Algo-rithmic

2dB(0.33bit)/year

[Nishimura Ph.D. 1993] Σ∆ modulation-based converters suitable for

a large number ofapplications

Incremental ADC

& sensor interfaces.

Convertidores A/D para sensores

Page 2: Convertidores A/D para señales de sensores

Convertidores para sensores 3 de 23 F. Medeiro

Conversión Sigma-Delta Principios básicos

H z( )

D/A

−+

DecimatorModulator

Digital filter “Downsampling”

Antialiasing filter

fS 2⁄

fd 2⁄

x y yd

Nnxa

yf

t

...

xa t( ) xsh t( ),

S/H

xsh

n...

y n( )

n...

yf n( )

n...

yd n( )

X f( )

fb fS 2⁄ fS

antialiasing filterspurious

Xsh f( )

fb fS 2⁄ fS

Y f( )

fb fS 2⁄ fS

quantization errorwith noise-shaping

Y f f( )

fb fS 2⁄ fS

digital filter Yd f( )

fb fS

...

fd

OversamplingNoise-shaping

Gross quantization

Digital processing

Convertidores para sensores 4 de 23 F. Medeiro

Conversión Sigma-Delta “Ruído” de cuantización y sobremuestreo

i

y

e

i

∆ 2⁄

∆– 2⁄

imax

imaximin

imin

y

i

i

e ∆ 2⁄

∆– 2⁄

∆gq

• Quantization error = deterministic function of the input, however [Benn48]

♦ If varies randomly from sample to sample

♦ If the number of quantization levels is large

• Total quantization noise power integrated in the signal band (In-band noise)

i SE f( ) ∆2

12 fS------------ Constant( )≅

quantization noise

PQ SE f( ) fd

fd– 2⁄

fd 2⁄

∫∆2

12------

fdfS-----

∆2

12------ if fS fd=

∆2

12M------------ if fS Mfd=

= = =

i y

y gq i e+=

fS1fd/2 fS2

M = oversampling ratio

Page 3: Convertidores A/D para señales de sensores

Convertidores para sensores 5 de 23 F. Medeiro

Conversión Sigma-Delta El modulador Sigma-Delta

STF z( ) cte=

NTF z( ) 0→for

z 1→low-frequency( )

H z( ) ∞→⇒ for z 1→

+i gq

e

y

H z( )

D/A

−+

Σ∆ Modulator

xS/H

y

n bit

Quantizermodel

Z-domain relationships

Y z( ) STF z( )X z( ) NTF z( )E z( )+= Y z( ) H z( )1 H z( )+---------------------- X z( ) 1

1 H z( )+---------------------- E z( )+=

H z( )z 1–

1 z 1––-----------------=

g1

− g1'

D/A

xi

ey

First-order Σ∆ Modulator [Inose, Tran. S. Elect. & Tel.1962]

Convertidores para sensores 6 de 23 F. Medeiro

Conversión Sigma-Delta Modulador Sigma-Delta de 1er orden

g1

− g1'

D/A

xi

ey

H z( )z 1–

1 z 1––-----------------=

Z-domain relationships:

Y z( ) z 1– X z( ) 1 z 1––( )E z( )+=

Y z( ) H z( )1 H z( )+---------------------- X z( ) 1

1 H z( )+---------------------- E z( )+=

f-domain relationships:

First-ordernoise-shaping

Delay

SQ f( ) SE f( ) 1 j– 2π ffS-----

exp–2

SE f( ) 4 π ffS-----

sin2⋅= =

z j2π ffS-----

exp=Noise Shaping

fSfb

digital filterNTF f( ) 2

noise

SE f( )

PQ SQ f( ) fd

fd– 2⁄

fd 2⁄

∫ ∆2

12------ π2

3M3-----------≅= M

fS

fd----- 1 fd;» 2fb= =

Decrease in PQ by increasing M = 9dB/octave(3dB/octave for a single quantizer)

g1' g1=

Page 4: Convertidores A/D para señales de sensores

Convertidores para sensores 7 de 23 F. Medeiro

Conversión Sigma-Delta Caracterización dinámica

• Signal-to-noise ratio (SNR): " " at the modulator output

♦ Often given in dB. For a sinusoidal input of amplitude :

♦ Signal-to-(noise+distortion) ratio (TSNR)

• Dynamic range (DR): " " at the modulator output

♦ Full-scale input range = output range of the in-loop D/A converter

♦ For single-bit quantization,

• Effective resolution (b):

♦ 0.5bits/3dB DR♦ ∆(b) / ∆(M) = 1.5bit/octave (1st-order Σ∆M) or 0.5bit/octave (quantizer)

Signal powerIn-band noise power-------------------------------------------

A

SNR dB( ) 10log10A2 2⁄PQ

-------------- =

SN

R(d

B)

Amplitude (dBV)

Overloading

Full-scale signal powerIn-band noise power

------------------------------------------------

AF S ∆ 2⁄= DR dB( )⇒ 10log10∆ 2⁄( )2

2PQ------------------=

b bit( )DR dB( ) 1.76–

6.02---------------------------------------= DR 3 2 2b 1–( )⋅=[ ]

Convertidores para sensores 8 de 23 F. Medeiro

g1

− g1'

D/A

xi

ey• How to increase resolution?

♦ Increasing M; if fb↑ => fS↑↑

♦ Increasing the order of NTF(z)

♦ Increasing the number of quantizer levels

1st-order Σ∆ Modulator

For the same Msmaller

noise power

PQ∆2

12------ π2

3M3-----------=

g2− g2'

g1

− g1'

D/A

i1 i2x e

yZ-domain relationships :

Y z( ) z 2– X z( ) 1 z 1––( )2E z( )+=

2nd-ordernoise-shaping

Delay

frequency-domain relationships:

2nd-order Σ∆ Modulator [Candy, Trans. Comm. 1985]

SQ f( ) SE f( ) 1 j2π ffS-----

exp–4

SE f( ) 16 π ffS-----

sin4⋅= =

PQ SQ f( ) fd

fd– 2⁄

fd 2⁄

∫∆2

12------ π4

5M5-----------≅=

∆(DR) vs. M = 15dB/octave (2.5bit/octave) 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 10010-21

10-17

10-13

10-9

10-5

10-1

f fS⁄

NT

Ff()

2

1st-order

2nd-ord

er

g1' g1= g2' 2g1g2=

Conversión Sigma-Delta Arquitecturas-I

Page 5: Convertidores A/D para señales de sensores

Convertidores para sensores 9 de 23 F. Medeiro

g2

− g2'

g1

− g1'

D/A

gL

gL'−

eyx

Single-loop Lth-order Σ∆ Modulator

Z-domain relationships :

Y z( ) z L– X z( ) 1 z 1––( )LE z( )+=

frequency-domain relationships :

SQ f( ) SE f( ) 22L π ffS-----

sin2L⋅=

PQ∆2

12------ π2L

2L 1+( )M 2L 1+( )--------------------------------------------=

∆(DR) vs. M = 3(2L+1)dB/octave(L+1/2bit/octave)

Problems:

• High-order modulators (L>2) are not unconditionally stable

• Instability occurs for some input levels and initial conditions that cannot be predicted analytically

• Techniques to stabilize high-order loops cause a significant loss of resolution respect to the ideal case

L integrators

Conversión Sigma-Delta Arquitecturas-II

Convertidores para sensores 10 de 23 F. Medeiro

STF z( )

A i z 1–( )N i–

i 0=

L

z z 1–( ) L B i z 1–( )L i–

i 1=

L

∑– A i z 1–( )L i–

i 0=

L

∑+

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------=

+

+

+

...

D/A

...

A0

A1

A2

AL

B1

B2

BL

y

x

Z-domain relationships:[Lee & Sodini, ISCAS 1987]Y z( ) STF z( )X z( ) NTF z( )E z( )+=

eNTF z( )

z 1–( )L Bi z 1–( )L i–

i 1=

L

∑–

z z 1–( )L Bi z 1–( )L i–

i 1=

L

∑– A i z 1–( )L i–

i 0=

L

∑+

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------=

• Reduced |NTF(f)| out of the band => increase stability

♦ All Bi = 0 => all zeros at DC (Butherworth or Chebychev)

♦ Otherwise, zeros in the stop-band => max-imize filter selectivity (Inverse Cheb. or Elliptic)

Goods: Problems:

• Increased hardware complexity

• Optimum coefficients imply large capacitors in SC implementations

♦ Increased occupation area

♦ Increased power consumption

Conversión Sigma-Delta Arquitecturas-III

Page 6: Convertidores A/D para señales de sensores

Convertidores para sensores 11 de 23 F. Medeiro

g1' g= 1 g 3' g 1g2g( )⁄–= H1 z( ) z–=

2' 2g1'g= g 3'' g1g2g( )⁄= 2 z( ) 1 z 1––( )=

g4' g3''g= 1g3'

g1g2g 3------------------–

1g4'

g3''g4--------------–

= H3 z( ) z–=

g4'' g1g2g3g( )⁄= 4 z( ) 1 z 1––( )=

Σ∆1

Σ∆2

Σ∆N

L 1

L2

LN

CA

NC

ELL

ATI

ON

LO

GIC

e1

e2

eL

yN

y2

y1

y

x

x3

x2

xN

y1

E1g2− g2'

g1− g 1'

D/A

g3g3'g3''−

− y2

E2

D/A

H1 (z )

++d 1 H 2 z( )

d 0

g4g4'g4''−

−y3

E3

D/Ad 3 +

H3

z( )

+ H 4 z( )

d2

Cancellation logic

y

x

[Yin & Sansen, JSSC94]

2-1-1 Cascade 4th-order Σ∆ Modulator

Y z( ) STF z( )X z( ) NTF1 z( )E1 z( )NTF2 z( )E2 z( ) NTF3 z( )E3 z( )

++ +

=

Z-domain relationships:

STF z( ) z 4–∼NTF1 z( ) NTF2 z( ), 0=

NTF3 z( ) 1 z 1––( )4∼Y z( ) z 4– X z( ) d3 1 z 1––( )4E3 z( )+=

Conversión Sigma-Delta Arquitecturas-IV

Convertidores para sensores 12 de 23 F. Medeiro

Conversión Sigma-Delta Cuantización “multibit”

SE f( )q2

12fS------------= q Full scale

2B 1–--------------------=

∆ resolution( ) 3.32log10 2B 1–( )=

H z( )

D/A

−+

Multi-bit Σ∆ Modulator

xS/H

y

B bits

-1.0000

001

010

011

100

101

110

111

-1.0Analog input

Binary input / output

Analog output

Non-linearity

e

q

• Reduced quantization noise

• Improved stability

• Better fitting to approximate analysis

Goods:

Problems!

• Modulator linearity limited by that of the DAC

♦ Need of correction techniques or proper architectures

Page 7: Convertidores A/D para señales de sensores

Convertidores para sensores 13 de 23 F. Medeiro

g1

− g1'

D/A

xi

ey

FreqFO

LD

ED

BA

CK

NO

ISE

Input Level

SNR (dB)

-1.0 DI

AO

Linearity error

Defective settling errors

Finite DC-gain

Non-linear DC-gain

vo (V)

Av

(dB

)

A0

Thermal noise

Weight mismatch

Comparator hysteresis

DAC non-linearity

ClockJitter PT PQ PSt PTh ...+ + +=

Conversión Sigma-Delta Otros mecanismos de error

Convertidores para sensores 14 de 23 F. Medeiro

g1

− g1'

D/A

xi

y

H z( )z 1–

1 z 1––-----------------=

Not possible in practice

C1

C2

v1vo

+

S1(φ1)

S’1(φ1)

S2(φ2)

S’2(φ2 )

+- AVv−–v−

H z( )g1z 1–

1 1 µ–( )z 1––-----------------------------------=

AV 1»µ g1 AV⁄=g1 g1' C1 C2⁄= =

e

Y z( ) z 1– X z( ) 1 z 1––( )E z( )+=

In practice: Lossy integrator

Y z( ) z 1– X z( ) 1 z 1–– µz 1–+( )E z( )+≅

Implies infinite DC-gain!

frequency-domain:

PQ µ( ) ∆2

12------

µ2

M------ π2

3M3-----------+

SQ f( ) ∆2

12fS------------ µ2 4 π f

fS-----

sin2+=

NT

Ff()2

f

µ 2

Ideal

Lossy

for Lth-order single-loop Σ∆M:

PQ µ( ) ∆2

12------ µ2π2L 2–

2L 1–( )M2L 1–---------------------------------------

π2L

2L 1+( )M2L 1+----------------------------------------+

dominant extra term ~ 1/M2L-1

Conversión Sigma-Delta Ganancia finita

Page 8: Convertidores A/D para señales de sensores

Convertidores para sensores 15 de 23 F. Medeiro

g1' g= 1 g 3' g 1g2g( )⁄–= H1 z( ) z–=

2' 2g1'g= g 3'' g1g2g( )⁄= 2 z( ) 1 z 1––( )=

g4' g3''g= 1g3'

g1g2g 3------------------–

1g4'

g3''g4--------------–

= H3 z( ) z–=

g4'' g1g2g3g( )⁄= 4 z( ) 1 z 1––( )=

Σ∆1

Σ∆2

Σ∆N

L 1

L2

LN

CA

NC

ELL

ATI

ON

LO

GIC

e1

e2

eL

yN

y2

y1

y

x

x3

x2

xN

y1

E1g2− g2'

g1− g 1'

D/A

g3g3'g3''−

− y2

E2

D/A

H1 (z )

++d 1 H 2 z( )

d 0

g4g4'g4''−

−y3

E3

D/Ad 3 +

H3

z( )

+ H 4 z( )

d2

Cancellation logic

y

x2-1-1 Cascade 4th-order Σ∆ Modulator

Y z( ) STF z( )X z( ) NTF1 z( )E1 z( )NTF2 z( )E2 z( ) NTF3 z( )E3 z( )

++ +

=

Z-domain relationships:

STF z( ) z 4–∼NTF1 z( ) NTF2 z( ), 0=

NTF3 z( ) 1 z 1––( )4∼Y z( ) z 4– X z( ) d3 1 z 1––( )4E3 z( )+=

Conversión Sigma-Delta Desapareamiento de condensadores

Convertidores para sensores 16 de 23 F. Medeiro

Ci

Co

vivo

+

S1(φ1)

S’1(φ1)

S2(φ2 )

S’2(φ2 )

φ1

φ2t

SC Integrator

t0

vo(t)

t

nTSnTS-TS/2

SR

vo nTS TS–[ ]

voi

vof

Ci

Co

vo−

+

va

Cl

Cp

ε TS 2⁄( )

Integrating configuration Output voltage

OTA

OTA

ginl vi( )

gi 1 βe–( ) vi vL≤;

gi 1 βe vi vL⁄–( ) vi vL>;

=

Equivalent to...

lineal range

gi

ginl vi( )

vi

Modelling...

gmva

Clgo

va

Cp

voC i

Coi1 Io

Io–

vo TS( )

vo n 1–, viCi

C o------- 1

Ci C p+

C i------------------- ς

gm

Ceq---------

TS

2------–

exp⋅–+

if vi Io gm ς( )⁄≤

vo n 1–, viC i

C o-------

Ci C p+

C o-------------------

Io v i( )sgn

gm------------------------

gm

Ceq---------

TS

2------ t0–

–exp–+

if vi Io gm ς( )⁄>

=

ςCi

Ceq--------- 1

Cl

C o-------+

=

t0Ce q

gm---------–

Ci

Io----- vi 1

C l

C o-------+

+=

Ceq Ci Cp Cl 1Ci C p+

Co-------------------+

+ +=

vLv– L

gi Ci Co⁄=

β 1Cp

Ci-------+

ςgm

Ceq---------

TS

2------– 1–

exp⋅=

vL

Iogmς----------=

vo f vo i g ivi+=

Conversión Sigma-Delta Establecimiento incompleto

Page 9: Convertidores A/D para señales de sensores

Convertidores para sensores 17 de 23 F. Medeiro

Conversión Sigma-Delta Ruido térmico

C11

C2

v1 vo-

+

C12S3(φ 2 )

S’4(φ 1)S4

(φ 1)

S ’3(φ 2)

v2

S1(φ 1)

S ’1(φ 1)S2

(φ 2)

S’2(φ 2)

φ1

φ2

Thermal noise (switches, OTA) flicker noise (OTA)

-

+

Clk(t)

y(t)x(t)

C

Folded-back noise in a SH circuit

S0

BWn/2

f

-BWn /2

sx f( )

Sy f( )

S0

τSHTS

----------- 2

1τSHTS

-----------– 2

+ fS BWn≥;

S0

BWnfS

-------------τSHTS

----------- 2

fS BWn<;

Clk

0

1

0 τT TS

g1

− g1'

D/A

x

ye

Calculation technique:

For each thermal noise contributioncalculate equivalent BWn and apply

Seq C, 11f( )

τSHTS---------

2

1C12

C11---------+

kTfSC 11-------------- 1

C122

C112

---------+ 2kT

3fSC i--------------+≅

τT

TS------

2

1C 12

2

C 112

---------+ 2kTgmR on

fSCi----------------------------+

SH equation

P th 1C 12

C 11---------+

kT4MC11------------------

1C12

2

C112

---------+ kT

6MC i--------------

kTgm Ron

2M Ci------------------------+

+

=

104 105 106 107 108-190

-180

-170

-160

-150

Input level

Noi

se P

SD

(dB

/Hz)

Freq.

Calculated

HSPICE

Folded noise

τSH

f fS⁄ 1«

Convertidores para sensores 18 de 23 F. Medeiro

Capacitor non-linearity

C v( ) Co 1 α v β v2 …+ + +( )=

C v( ) Co 1 αv+( )≅

C1

C2

v1 −

+

S1(φ1)

S’1(φ1)

S2(φ2)

S’2(φ2 )

v2

v

g1− g1'

D/A

φ1

vv1

v2

y

C2o vn

α2---vn

2+ C 1

0 v1α2---v1

2+ C 2

o vn 1–α2---vn 1–

2+ +=

vn vn 1– g1 v1 1 α2---v1+

v2– α– g1vn 1– v1 v2–( ) α2---g1

2 v1 v2–( )2+ +=

v1 v2– 2π fb fS⁄( ) vn vn 1– g1 v1 1 α2---v1+

v2–+≅⇒∼

For sinusoidal inputs v1 A 2πfbn TS( )sin=AH 2,

14--- α A2=g1 C 1 C2⁄=

Opamp DC-gain non-linearity

vn

AVvi

AV 1 g1+ +-----------------------------

AV 1+( )vn 1–

AV 1 g1+ +----------------------------------+≅ vi g1 v1 V r±( )=

AV A0 1 γ 1v γ2v2 …+ + +( )=

vn vn 1– g1 vi

v i vn+

A0----------------– γ 1vn

v i vn+

A0---------------- γ 2vn

2vi vn+

A0----------------+ ++≅

-4.0 -2.0 0.0 2.0 4.0

Output voltage (V)65

70

75

80 DC-gain (dB)

γ1 γ2 1«,

Using harmonic analysis

AH 2,γ1

2A0---------- Vo V i

2 Vo2+= AH 3,

γ2

4A0---------- Vo

2 Vi2 Vo

2+=

Vi 2π fbTsA Vo«≅ g1A= AH 2,γ1

2A0---------- g1

2A2= AH 2,γ2

4A0---------- g1

3A3=

Clock Jitter

v1 nT δ+( ) v1 nT( ) 2π fbAδ 2 πfbnTS( )cos≅–

sampling time error (gaussian, σ t)SJ f( ) A2

2------

2πfbσ t( )2

fS------------------------= PJ

A2

2------

2π fbσt( )2

M------------------------=

φ1

φ2

Conversión Sigma-Delta No linealidad y “jitter”

Page 10: Convertidores A/D para señales de sensores

Convertidores para sensores 19 de 23 F. Medeiro

g1

− g1'

D/A

x ie

yQ

Quantizers:

single-bit (comparator)

Hysteresis

Ph 4h2 π2L

2L 1+( )M 2L 1+( )--------------------------------------------=

hOffset Attenuated by the integrator DC-gain

Multi-bit D/A converter

Main problem: Non-linearity

10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100

Error (LSBs)

50

60

70

80

90

100

110

120

SN

R (d

B)

Gain errorOffset errorINL

DACIdealb xa

x

Φwa

γya

DAC model

+

off

Φ xa( ) 1 ε0–( )xaε0

A2------xa

3+=

ε027

2b 2–--------------- INL= A 2 b 1– 1–( )q=

σD2 1

2--- INL LSB's( )2q2≅

Non-linear block

d[Boser88]

Conversión Sigma-Delta Errores en el cuantizador

Convertidores para sensores 20 de 23 F. Medeiro

Convertidores A/D incrementales Principio de funcionamiento

YVin

− g1'

DAC

V ref–

V ref+

g1Filtro D

Reset

Digital

Integrador

ComparadorVo

• Tras un ciclo de reloj...

• Tras dos ciclos...

• ...

• Tras p ciclos...

• En p+1, Vo se compara otra vez con 0V, lo cual equivale acomparar Vi con

Vo 1, Vin Y1– Vref=

Vo 2, 2V in Y1 Y2+( )– Vref=

Vo p, pV in Vref Yii 1=

p

∑–= Vin⇒Vo p,

p-----------

2Vref

p--------------

Yii 1=

p

∑2

---------------+=

Vref

p---------- Yi

i 1=

p

∑ para j 1…p=

Yi

i 1=

p

∑2

---------------

p+1 niveles discretos

-1 -1 ... -1

-1 +1 ... -1

-1 +1 ... +1

+1 +1 ... +1

p valores

• Separación entre nivelesVLSB =

• Si lo igualamos al LSB deun convertidor A/D idealde B bits:

• 12bit requiere 4096 cic-los; 16bit requiere 65536ciclos; etc.

2Vref( ) p⁄

B log2p=

Page 11: Convertidores A/D para señales de sensores

Convertidores para sensores 21 de 23 F. Medeiro

Convertidores A/D incrementales de segundo orden

Y1Vin g1

− g1'

DAC

g2

g2'

g2''−−

Y2

DAC

Dig

ital P

ost-P

roce

ssin

g

Digital

1-1 ADC

V ref–

V ref+

V re f–

Vref+

Reset Reset

Reset

• Código de salida

• LSB interno

D g 1'g2 p i–( )Y1 ii 1=

p

∑ g2'Y1i g2''Y2i+( )i 1=

p 1+

∑+=

VLSB

2V re f

g1g2p p 1+( )----------------------------------=

• Segundo orden en “Cascada”

• Realimentación adicional para limitarel rango de salida necesario en losintegratores => necesario en baja tensión

• => sólo 90

ciclos para 12 bit y 362 para 16 bits =>la velocidad puede aumentar

• Ganancia en velocidad:

B log2 g1g2p p 1+( )[ ]=

p1

p1 1–------------- 2 B

22B 2⁄--------------------≅ 2

B 1–2

-------------=

Convertidores para sensores 22 de 23 F. Medeiro

Y1Vin g1

− g1'

DAC

g2

g2'

g2''−−

Y2

DAC

g3

g3'

g3''−−

Y3

DAC

Dig

ital P

ost-P

roce

ssin

g

Digital

1-1-1 ADC

V ref–

V ref+

V re f–

Vref+

V ref–

Vre f+

Reset Reset

Reset

Reset

• Tercer orden en “Cascada”

• => sólo 30

ciclos para 12 bit y 74 para 16 bits =>la velocidad puede aumentar

• Inconvenientes:♦ Mayor sensibilidad a la ganacia finita♦ Problemas de desapareamiento entre

procesado analógico y digital♦ Mayor complejidad del filtro digital

B log216---p p2 1–( )

=

VLSB, eff

12Vref

p 1–( )p p 1+( )---------------------------------------=

Convertidores A/D incrementales de tercer orden

Page 12: Convertidores A/D para señales de sensores

Convertidores para sensores 23 de 23 F. Medeiro

Convertidores integradores ( “dual-ramp” ) Principio de funcionamiento

YVin,DC

g1Control

D<N:1>

Start

logic

Integrator

ComparatorVo

-Vref

End

CounterPuede ser de tiempo discreto o detiempo continuo...

+

-

CR

τ RC=

CLK

Vin1 constantslope

Vin 1 τ⁄∼

2N periods

Start

CLK

Y

Vo

D<N:1> periods

T1 T2

φi r

φ ir

Vin2 Vin1<

Integrating Vin Integrating Vref–

Vo T1( ) 1τ--- V in td

0T1

∫V in T1

RC--------------= =

Vo T1 T2+( ) Vo T1( ) 1τ--- V re f td

T1

T1 T2+( )∫–

V inT1

RC--------------

V re fT2

RC----------------– 0 T2⇒ T1

V in

Vre f----------

=

= = =

D<N:1> 2N Vin

V ref----------= Vin

D<N:1>2N

--------------------- V re f=

• Robusto: insensible a imprecisiones en con-stante de tiempo y frecuencia de reloj

• Mínimo contenido analógico

• Ruidos periódicos (como por ejemplo inter-ferencias a 50Hz) son eliminados si esmultiplo entero del periodo del ruido

• Muy lento: periodos para N bits

• ha de ser muy preciso y estable

τ

T1

2 N 1+( )

Vre f


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