Warto spróbkować,cz.4.pdf

K U R S

Warto spróbkować, część 4

Implementowanie przetworników

analogowo–cyfrowych i cyfrowo–

analogowych w popularnych

mikrokontrolerach stało się już

na tyle powszechne, że próby

sprawdzenia się w dziedzinie

cyfrowego przetwarzania

sygnałów coraz częściej są

podejmowane przez zwykłych

składaczy kitów (z całym

szacunkiem dla składaczy).

Często nie dysponują oni

odpowiednimi podstawami

teoretycznych. Robią więc to

na wyczucie lub „na słuch”.

Tymczasem wiedza na ten temat

jest nie mała, zawiera sporą

dawkę elementów matematyki

wyższej.

odpowiednie zbo-

cze sygnału ze-

garowego. Nieste-

ty, to jeszcze nie

koniec kłopotów.

W praktyce moż-

na zaobserwować

dodatkowo wa-

hania (w przód

i w tył) momentów

pobrania prób-

ki w stosunku do

odpowiedniego

zbocza przebie-

gu zegarowego

( rys. 24 ). Przyczy-

ną tego zjawiska

może być modu-

lacja fazy prze-

biegu zegarowego

wynikająca z występowania w układzie

szerokopasmowego szumu, zakłóceń

pochodzących z zasilania i zakłóceń

od sygnałów cyfrowych. Są one wy-

raźnie dokuczliwe, gdy mozaika ob-

wodu drukowanego została wykonana

nieprawidłowo, w szczególności, gdy

nie zadbano o odpowiednie rozprowa-

dzenie płaszczyzny masy.

Jitter apertury objawia się jako

swego rodzaju szum zmniejszający

całkowity odstęp sygnału od szumu

przetwornika A/C. Wartość skuteczna

napięcia tego szumu zależy od wiel-

kości jittera (rys. 24). Podobny efekt

może być wywołany przez jitter fazy

sygnału wejściowego.

Czas odpowiedzi przetwornika

( Transient Response lub Settling

Time ) – Parametr ten określa czas,

jaki jest wymagany do tego, by stan

wyjściowy przetwornika osiągnął od-

powiednią dokładność po podaniu na

wejściu skoku jednostkowego zawiera-

jącego się w pełnym zakresie napię-

ciowym przetwornika ( rys. 25 ). Jest

to krytyczny parametr w aplikacjach,

w których przetwornik A/C jest ste-

rowny przez multiplekser analogowy

( rys. 26 ). Długi czas odpowiedzi prze-

twornika i multipleksera może pro-

wadzić do powstawania przesłuchów

międzykanałowych.

Czas regeneracji po przepięciu

( Overvoltage Recovery ) – Jest to

czas, po którym przetwornik A/C

osiąga wymaganą dokładność po zani-

ku sygnału wejściowego przekraczają-

cego pierwotnie zakres przetwarzania

( rys. 27 ). Zwykle parametr ten jest

podawany dla 50% przekroczenia za-

kresu wejściowego. Przetwornik A/C

zachowuje się jak idealny ogranicznik

napięciowy. Oznacza to, że napięcie

większe od zakresu przetwarzania jest

kodowane jako wartość maksymalna

(np. 0xfff dla przetwornika 12–bito-

wego). W niektórych typach przetwor-

ników dostępna jest specjalna ﬂaga

(wskaźnik) informująca o przekrocze-

niu zakresu (zarówno od góry, jak

i od dołu).

Czas opóźnienia apertury ( Aper-

ture Delay Time ) – Parametr ten

bywa nazywany również krótko cza-

sem apertury. Jest to czas pomiędzy

zboczem sygnału zegarowego wyzna-

czającego moment próbkowania, a fak-

tycznym momentem pobrania prób-

ki przez przetwornik A/C ( rys. 23 ).

Jest to parametr szczególnie istotny

w przypadku, gdy w jednym urządze-

niu występuje kilka przetworników

A/C synchronizowanych jednym prze-

biegiem zegarowym.

Jitter apertury (Aperture Jitter)

– Z opisu parametru Aperture Delay

Time wiemy już, że faktyczny mo-

ment pobrania próbki przez przetwor-

nik A/C nie musi dokładnie odpowia-

dać momentom wyznaczonym przez

Parametry dynamiczne

przetworników C/A

Jak już wiemy, w wielu apli-

kacjach cyfrowego przetwarzania

sygnałów na ostatnim etapie jest

przywracana początkowa, czyli ana-

logowa postać sygnału. Operację tę

realizuje przetwornik cyfrowo–ana-

logowy. Od jakości przetwornika

C/A zależy m.in. powodzenie całej

obróbki cyfrowej. Cóż na przykład

było by warte cyfrowe czyszczenie

szumów jakiegoś sygnału, jeśli na

ostatnim etapie przetwornik C/A po-

Rys. 23. Czas opóźnienia apertury

Rys. 25. Czas odpowiedzi przetworni-

ka A/C

Elektronika Praktyczna 12/2006

Rys. 24. Jitter apertury

K U R S

Rys. 26. Współpraca przetwornika A/C z multiplekse-

rem analogowym

nownie wprowadzałby do tego sy-

gnału szum, kto wie, czy nie więk-

szy niż na wejściu. Parametrów dy-

namicznych przetworników C/A nie

należy więc lekceważyć, na pewno

warto je poznać.

Czas ustalania się sygnału wyj-

ściowego ( Settling Time ) – Parametr

ten jest zdeﬁniowany jako czas po-

między zmianą sygnału cyfrowego,

a momentem osiągnięcia takiej warto-

ści wyjściowej, od której ewentualne

następujące później oscylacje są nie

większe niż 1/2 LSB ( rys. 28 ). Jeśli

przetwornik C/A posiada wejściowe

zatrzaski ( latch ) lub rejestry, to pa-

rametr settling time powinien być

mierzony od połowy impulsu stro-

bującego zatrzaski lub impulsu ze-

garowego dla rejestrów. Wyróżnia się

pełnozakresowy czas ustalenia się

wyjściowego napięcia przetwornika,

któremu odpowiada zmiana warto-

ści wejściowej od 000...0 do 111...1,

a także czas połowy zakresu (zmia-

ny od 011...1 do 100...0 lub 100...0

do 011...1). Oprócz opisanych wyżej

parametrów określa się również czas

zmiany samego napięcia wyjścio-

wego (bez powiązania tej zmiany

z impulsami zegarowymi lub strobu-

jącymi). Czas ustalenia się napięcia

wyjściowego jest w tym przypadku

mierzony od przekroczenia wejścio-

wego zakresu o 1/2 LSB do osiągnię-

cia wartości wyjściowej, po której

nie następują zmiany większe niż

1/2 LSB ( rys. 29 ).

Maksymalna czę-

stotliwość pracy

przetwornika jest

określona jako

f MAX =1/t s . Oczywi-

ście czasy ustale-

nia się napięcia

wyjściowego dla

zmian mniejszych

niż pełny zakres

przetwarzania

będą krótsze niż

dla pełnego zakresu.

Obszar zakłóceń impulsowych

( Glitch Impulse Area ) – zakłócenia

tego typu są szczególnie widocz-

ne w przetworniku C/A w momencie

przekraczania środka pełnego zakre-

su cyfrowego sygnału wejściowego

(np. z 100...0 na 011...1). Przypadek

taki jest przedstawiony na rys. 30 .

Bezpośrednią przyczyną zakłóceń

typu glitch jest nierówny czas pro-

pagacji poszczególnych przełączni-

ków przetwornika C/A. Wyjątkiem

są przetworniki sigma–delta, któ-

rych zasada działania wyklucza

powstawanie takich błędów. Zakłó-

cenia glitch są mierzone zazwyczaj

w jednostkach pV·s. Można się

również spotkać z pojęciem glitch

energy , ale należy podkreślić, że

jest to termin nieprawidłowy, gdyż

jednostka pVs nie wyraża ilości

energii. Na podstawie rys. 30 moż-

na wyróżnić sześć obszarów wy-

stępowania zakłóceń glitch. Każde-

mu przejściu przez połowę zakresu

przetwarzania towarzyszą dwa im-

pulsy. Odpowiednie obszary ozna-

czono cyframi 1, 2, 3 i 4. Ponadto

można utworzyć dwa obszary tzw.

n et glitch impulse . Jeden będzie

się składał z połączonych obszarów

1 i 2, drugi natomiast z obszarów

3 i 4. Taka klasyﬁkacja wprowadza

niestety trochę bałaganu w interpre-

towaniu danych katalogowych prze-

tworników C/A.

Rys. 28. Czas ustalania się sygnału wyjściowego w prze-

tworniku C/A

Impulsy glitch stanowią efekt

niepożądany. Niestety skutecznie

opierają się ﬁltrowaniu. Krótkie cza-

sy ustalania się napięcia wyjścio-

wego ( settling time ) również nie

zawsze zmniejszają glitch impulse

area . Ostatecznie oczekujemy, aby

parametr glitch impulse area dane-

go przetwornika był równy zeru dla

każdego z dwóch przejść przez śro-

dek zakresu:

AREA1–AREA2=AREA3–AREA4

Przemilczamy dyskretnie przypa-

dek idealny, w którym każdy z obsza-

rów 1, 2, 3 i 4 jest równy zero, jako

mało prawdopodobny w praktyce.

Zniekształcenia harmoniczne

( Harmonic Distortion ) – Chyba do-

brze znamy zasadę naczyń połączo-

nych – gdy coś zmieni się w jed-

nym naczyniu, natychmiast zmiany

zauważamy również w drugim. Po-

dobnie jest z zakłóceniami glitch.

Jak wiemy, są one zależne od stanu

Rys. 27. Czas regeneracji przetworni-

ka A/C po przepięciu

Rys. 29. Czas zmiany napięcia

wyjściowego przetwornika C/A (bez

powiązania tej zmiany z impulsami

zegarowymi lub strobującymi)

Elektronika Praktyczna 12/2006

K U R S

Rys. 30. Obszar zakłóceń impulsowych ( Glitch Impulse

Area )

przetwornika, a ściślej mówiąc po-

wstają głównie w chwili przekracza-

nia środka zakresu przetwarzania.

Towarzyszy temu generacja harmo-

nicznych pojawiających się w sy-

gnale wyjściowym. Na jeden okres

przebiegu sinusoidalnego przypadają

dwa momenty, w których są gene-

rowane zakłócenia glitch (punkty

A i B na rys. 31 , punkt C należy

już do następnego okresu) i dlatego

w widmie zobaczymy drugą harmo-

niczną. Zauważmy, że takie wyso-

koczęstotliwościowe harmoniczne

będą przyczyną powstawania odpo-

wiadających im składowych aliasin-

gowych, które pojawią się poniżej

częstotliwości Nyquista i z tego po-

wodu będą niemożliwe do odﬁltro-

wania (znajdują się w zakresie pa-

sma użytkowego).

Współczynnik całkowitych znie-

kształceń harmonicznych ( THD – To-

tal Harmonic Distortion ) jest dosyć

trudny do zmierzenia. Wykorzystuje

się do tego często techniki DSP.

Elimina-

cja zakłóceń

glitch przez

użycie ukła-

du SHA ( Sample–Hold–Ampli-

ﬁer ) – Układ SHA może być wy-

korzystany do eliminacji zakłóceń

glitch, jak to pokazano na rys. 32 .

Dana wyjściowa przetwornika C/A

zostaje zapamiętana w układzie prób-

kująco–pamiętającym, tym samym

wyjście przetwornika C/A jest izolowa-

ne od wszystkich urządzeń współpra-

cujących z nim. Zakłócenia glitch nie

mają więc możliwości przedostania

się do wyjścia. Ewentualne zakłóce-

nia powstające na wyjściu układu

SHA nie zależą od stanu przetworni-

ka i mogą być łatwo ﬁltrowane.

Efekt roll–off sin(x)/x – Na wyj-

ściu przetwornika C/A występuje

przebieg schodkowy ( rys. 33a ), co

wynika z zasady jego działania. Prze-

bieg taki może być potraktowany

jako seria impulsów prostokątnych,

których szerokość jest równa odwrot-

Rys. 31. Powstawanie zniekształceń harmonicznych w wyniku

istnienia Glitch Impulse Area

ności częstotliwości podawania da-

nych na wejście (w tym przypadku

trudno mówić o częstotliwości prób-

kowania). Widmo takiego sygnału

ma charakter opisany zależnością:

sin

� �

�

� �

�

której interpretacja graﬁczna jest

przedstawiona na rys. 33b . Z obli-

czeń wynika, że dla częstotliwości

Nyquista f c /2 poziom sygnału spa-

da o 3,92 dB w stosunku do często-

tliwości niskich. Dla skorygowania

tego efektu stosuje się ﬁltr o trans-

mitancji będącej odwrotnością funk-

cji sin(x)/x.

Jarosław Doliński

jaroslaw.dolinski@ep.com.pl

Rys. 32. Eliminacja zakłóceń glitch poprzez zastosowanie

układu SHA

Rys. 33. Efekt roll–off

Elektronika Praktyczna 12/2006

�

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: