Elettronica applicata/Conversione A/D

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Indice del libro

Errori[modifica]

Un convertitore analogico/digitale (A/D) lineare ha la seguente caratteristica ideale:

Caratteristica ideale di un convertitore A/D lineare
Categorie di errori
  • errori statici: riguardano il comportamento a regime, cioè con segnale di ingresso costante;
  • errori dinamici: riguardano il comportamento in transitorio, cioè con segnale di ingresso variabile.

Errori statici[modifica]

Errori lineari[modifica]

Errori statici lineari sulla caratteristica reale di un convertitore A/D lineare

Gli errori statici lineari si ricavano dal confronto tra la caratteristica ideale e la miglior retta approssimante:

  • errore di offset : è pari all'intercetta sull'asse D della retta approssimante:
  • errore di guadagno : è pari alla differenza tra la pendenza della caratteristica ideale e quella della retta approssimante:

Gli errori statici lineari si possono compensare tramite un'opportuna taratura del circuito.

Errori di nonlinearità[modifica]

Errori statici di nonlinearità sulla caratteristica reale di un convertitore A/D lineare
  • errore di nonlinearità integrale : è il massimo scostamento della caratteristica reale dalla retta approssimante considerando il grafico complessivo;
  • errore di nonlinearità differenziale : preso un LSB, è lo scostamento della caratteristica reale dalla caratteristica ideale:
    • errore di codice saltato/mancante: l'errore di nonlinearità differenziale è maggiore di 1 LSB a causa di un valore digitale saltato.

Errori dinamici[modifica]

Tempo di conversione[modifica]

Il tempo di conversione è il ritardo dal momento in cui viene applicato l'ingresso al momento in cui l'uscita è commutata a un valore stabile. È dovuto ai ritardi dei circuiti logici interni.

Convertitori standard di base[modifica]

Classificazione dei convertitori A/D
Parametri di classificazione
  • complessità: è legata al numero di comparatori utilizzati;[1]
  • tempo di conversione: è legata al numero massimo di cicli di clock richiesti per eseguire una conversione.

Convertitori veloci sono più complessi e più costosi, convertitori semplici ed economici sono più lenti → a seconda dell'applicazione si può scegliere di ottimizzare un parametro o l'altro.

Convertitore flash parallelo[modifica]

Convertitore A/D flash parallelo

A ogni soglia corrisponde un comparatore non invertente: ogni comparatore confronta l'ingresso analogico A con la soglia ricavata tramite resistenze da una tensione di riferimento , e riporta in uscita 0 se questa è inferiore alla soglia o 1 se superiore → tutti i comparatori al di sotto del livello analogico di ingresso riportano in uscita 1, mentre al di sopra riportano 0. Un codificatore M-N converte questa codifica termometrica ( bit) in codica binaria ( bit).

Parametri
  • molto veloce: è composto da un solo livello di circuiti logici → ritardo di propagazione minimo pari a 1 ciclo di confronto;[2]
  • molto complesso: occorrono comparatori → costoso.

Convertitore a inseguimento[modifica]

Convertitore A/D a inseguimento

L'uscita D viene convertita in un segnale analogico A' da un convertitore D/A in reazione, in modo che un comparatore non invertente possa confrontarla con l'ingresso A, quindi un contatore a ogni colpo di clock incrementa o decrementa D di 1 LSB fino a quando il segnale di reazione A' non raggiunge la migliore approssimazione dell'ingresso A:

  • se A' < A il contatore viene incrementato;
  • se A' > A il contatore viene decrementato.
Parametri
  • molto lento: nel caso peggiore occorrono cicli di confronto per convertire bit;
  • semplice: richiede un solo comparatore → economico.

Convertitore ad approssimazioni successive[modifica]

Convertitore A/D ad approssimazioni successive

A ogni colpo di clock si determina il valore di un bit consecutivamente a partire dal MSB fino al LSB: l'ingresso A viene ogni volta confrontato con la metà del campo rimasto (inizialmente il campo è pari al fondo scala ):

Sequenza di approssimazione per un segnale costante
  • se A si trova nella metà inferiore del campo rimasto, il bit corrente è posto a 0 e la metà inferiore è assunta come campo corrente;
  • se A si trova nella metà superiore del campo rimasto, il bit corrente è posto a 1 e la metà superiore è assunta come campo corrente.
Parametri
  • lento: nel caso peggiore occorrono cicli di confronto per convertire bit;
  • semplice: richiede un solo comparatore → economico.

Note[modifica]

  1. Poiché è difficile quantificare il numero di elementi elettrici elementari come transistori e resistenze, si considerano blocchi funzionali di più alto livello.
  2. Il ritardo del codificatore M-N è trascurabile.