Analog til digital-omformar, ofte forkorta tilAD-omformar, er ein komponent som konverterer eitanalogt signal til ein sekvens avbinære tal, som kan handsamast av einmikroprosessor,FPGA, etc. Dei inngår ilydkort,mobiltelefonar,høyreapparat,oscilloskop,spektrumanalysatorar,sensorar fortermometer,vindstyrke,vibrasjon osb. AD-omformarar arbeider med eielektrisk spenning på inngangen, så uansett kva fysisk parameter som vert målt har ein alltid einforsterkar mellom sensoren og AD-omformaren. Nokre AD-omformarar konverterer berreunipolare spenningar, medan andre konvertererbipolare spenningar. Når inngangsignalet er bipolart er som oftast den binære sekvensen på utgangen påtoerkomplement-form. Det finst rett nok omformarar som nyttar andre binære format, somforteikn og talverdi,einerkomplement,offset binær,BCD-koding,Gray-kode, etc., men toerkomplement er det dominerande formatet, på grunn av at det er lettare å lagaaritmetiske einingar for dette formatet. Mange AD-omformarar harbit-serial overføring av utgangsverdiane, på grunn av at det resulterer i meir kompaktekretskort, og at ein unngårklokkeforskyvning. Denne artikkelen gjer eit oversyn over dei vanlegaste AD-omformar-typane. AD-omformarar er generalt meir kompliserte enn DA-omformarar, og DA-omformarar inngår som byggeklossar i nokre av dei. For DA-omformarar sjå artikkelenDigital til analog-omformar.
Fig. 2 syner inn-ut overføringskarakteristikken for ein 4-bits bipolar AD-omformar. Inngangsspenninga er ei analog spenning, medan utgangesverdiane utgjer er binær verdiar påtoerkomplement-form. Inngangsspenninga er analog, så ho kan ha vilkårlege verdiar så lenge dei ligg innan arbeidsområdet til omformaren. Etter som toerkomplement representasjon brukar eit av kodeord (’000’) for å representera null, er talet på positive ord () eit mindre enn talet på negative ord (). Verdien FS (fullskala) i fig. 2 kan difor ikkje representerast. Den negative skalaen derimot går heilt end til -FS. Men når antall bit er stort har det inga praktisk betydning at det er ein positiv verdi mindre enn negative verdiardet, slik at det positive området er redusert med eit kvantiseringsinterval.
Oppløysinga er eit mål på kor nøyaktig inngangsspenninga kan representarast, og er relatert til antal bit. Maksverdien til inngangssignalt vert kalla Full-Skala (FS). For unipolare omformarar svingar inngangssignalet mellom null og FS, typisk 0 til 2,5 V, eller 0 til 5 V. For bipolare omformarar svingar inngangsspenninga mellom -FS og FS. Ein AD-omformaren deler arbeidsområdet [-FS, FS] inn idiskrete nivå, kalla kvantiseringsnivå, som for dei fleste AD-omformarane er like store. Kvart kvantiseringsinterval er da på
Men i staden for å arbeida med spenning iV er det ofte enklare å normalisera inngangsområdet til å ligga mellom 0 og FS = 1 for unipolare og mellom -FS = -1 og FS = 1 for bipolare AD-omformarar. Uavhengiag av kva representasjon ein nyttar er oppløysinga (nøyaktigheita) til ein AD-omformar relatert til antal bit, så det er vanleg å nytta antall bit som synonymt med oppløysing. Innan digitalsignalhandsaming ogtelekommunikasjon vel ein som oftast å spesifisera oppløysinga iSNR (sjå artikkelenKvantisering for meir om dette).
Oppløysinga kan òg oppgjevast i % av fullskala (% FS),ppm av fullskala (ppm FS), etc. Det finst og produsentar som spesifiserer kvantiseringsintervalet, iV,nV, etc., saman med fullskalaspenninga. Tabell 1 samanliknar nokre av desse einingane. Merk at desse verdiane berre er gyldige når inngangssignalet har uniformsannsynsfordeling.
| B | SNR i dB | % FS | ppm FS | |
|---|---|---|---|---|
| 16 | 65.536 | -96 | 0,0015 | 15 |
| 18 | 262.144 | -108 | 0,0004 | 4 |
| 20 | 1.048.576 | -120 | 0,0001 | 1 |
| 22 | 4.194.304 | -132 | 0,000024 | 0,24 |
| 23 | 16.777.216 | -144 | 0,000006 | 0,06 |
Fig. 3 syner ein sokallaflash-omformar, og kalladirekte-omformar. Han er oppbygd avkomparatorar, som arbeider i parallell, noko som har ført til at denne typen av og til vert kallaparallell-omformar[1]. Denne byggemåten gjer at omsettinga går svært snøgt, og det er denne eigenskapen som har ført til at dei vert kalla flash-omformarar.
Referansespenningane til dei ulike komparatorane vert avleia av ei referansespenning, som vert nedskalert i einspenningsdelarstreng, til ulike spenningar, som tener som referansespenningar for dei ulike komparatorane. Komparatorane skiftar tilstand når inngangsspenningane overstig referansespenningane. Utgangsspenningane frå komparatorane går vidare til einenkoder, som genererer eit eit-bits binært ord på utgangen. Strobesignalet som held fast utgangsspenningane til komparatorane blir drive frå eisampelklokke og fungerer som einS/H-krins, så flash-omformarar treng ikke noko anna S/H-krins.
Ulempa med flash-omformarar er at talet på motstandar og komparatorar blir svært høgt når omformaren har mange bit. Dei høver difor best når ein treng høgsampelfrekvens og moderat oppløysing (8 til 12 bit). På grunn av at dei treng relativt mykjeeffekt høver dei ikkje i utstyr med batteri.
Fig. 4 syner blokkdiagrammet til ein AD-omformar av suksessiv tilnærmings-typen. Dette typen vert òg kallaattendekopla subtraksons-omformar. Blokka merka SAR er eitregister som inneheld eit-bits ord, som vert sendt til ein DA-omformar, merka DAC. Inngangsspenninga vert så samanlikna med utgangsspenninga frå DA-omformaren. Omformaren har ein inngang for ein startimpuls og eit End Of Conversion (EOC)-utgang, som endrar verdi når omforminga er ferdig. Det er og inngang for eit klokkesignal (CLK), som driv elektronikken. Det er ikkje naudsynt at startimpulsen er synkroniserast med klokka[1].
Omforminga tek til når startsignalet vert aktivert. Alle bita i SAR-registret vert då set til logisk '0'. Om ingangsspenninga er positiv, som i døme vist i fig. 5, vert den Mest Signifikante Biten (MSB) (forteikenbiten) set til '0'. Om inngangsspenninga hadde vore negativ ville han ha vorte sett til '1' (toerkomplement representation). I dømet i fig. 5 er inngangsspenninga positiv, så MSB i SAR-registret vert sett til '0'. Ved neste klokkepuls ser vi at utgangsspenninga frå DA-omformaren er større enn inngangsspenninga. Den neste bit-en i SAR-registret vert difor sett til '0', og så vert det oppdaterte binærordet på utgangen av SAR-registret sendt til DA-omformaren. I den påfylgjande perioden er utgangsspenninga frå DA-omformaren mindre enn inngangsspenninga, så neste bit i SAR-registret vert sett til '1', etc. På dette viset vert alle bita i SAR-registret suksessivt sett til '0' eller '1' og utgangsspenninga frå DA-omformaren nærmar seg suksessivt inngangsspenninga. Det er denne suksessive tilnærminga som har gjeve opphav til nametsuksessiv tilnærmins-omformar.
Denne typen AD-omformar treng klokkeperiodar for å finna fram til binærordet som tilsvarar inngangsspenninga. Kor lang tid som går med for å bestemma verdien på kvar bit i SAR-registret er avhengig av kor snøgt DA-omformaren arbeider, noko som i sin tur avheng av antal bit. Om ein aukar oppløysinga til omformaren ved å auka bit-talet, treng difor kvar iterasjon lengre tid, så konverteringstida aukar meir enn med dei ekstra iterasjonane som trengst.
DA-omformaren av suksessiv tilnærmings-typen nyttar oftesvitsja kondensator-teknologi, som kan kalibrerast ved å svitsja inn/ut små trimmekondensatorar[1]. Modernemikroelektronikk gjer det mogeleg å produsera 12-bits suksessiv tilnærmings-omformarar som arbeider med sampelratar godt over 1 MHz, eller 16-bits omformarar som arbeider med sampelfrekvansar over 10 kHz. Denne typen omformarar vert av og til nytta som byggeklossar i-omformarar.
Pipeline-omformarar, òg kallaSubranging, nyttar to eller fleire AD-omformarar etter kvarandre, slik at dei formar eipipeline. Fig. 6 syner ein to-trinns omformar av denne typen. Han er bygd opp av to-bits AD-omformarar og ein-bits DA-omformarar. Inngangsspenninga vert fyrst konvertert til eit-bits binærord av den øvste AD-omformaren (grovomformaren). Dette binærordet vert så omforma til ei analog spenning av ein-bits DA-omformar. Spenninga vert så subtrahert frå inngangsspenninga, slik at ein får ei differanse-, eller feilspenning. Denne spenninga vert så skalert med ein faktor av forsterkaren merka A i fig. 5. Den resulterande spenninga vert så omforma til eit binærord av den nedre AD-omformarer (finomformaren), som òg har ei oppløysing på-bit. Begge binærorda går så til ein enkodar, merkaEncoder i fig. 6, som dividerer binærverdien frå finomformaren med og sett saman den resulterande verdien med binærordet frå grovomformaren til eit-bits binærord på utgangen. Divisjon med er det same som eit høgre-skift med plassar, noko som er lett å utføra for dendigitale elektronikken i enkodaren.
Når det to binærorda frå grov- og finomformaren skal settast saman til eit-bits binærord, krevst det at det mest signifikante ordet (frå grovomformaren) må ha ei nøyaktigheit betre enn det Minst Signifikante Biten (MSB) i det minst signifikante ordet (frå finomformaren) for å garanteramonotonitet. For å få til dette har dei to AD-omformarane eit moderat antall bit, men opp til 6 bit finst[2]. Den resulterande omformaren får då 12 bit, noko som er nok når han vert nytta som ein byggekloss i ein-omformar.
Halv-flash-omformarar: I tidlege omformarar av denne typen var dei to-bits AD-omformarane alltid flash-omformarar[1], og dei vart ofte kallahalv-flash-omformarar. Etter som kvar av dei to-bits omformarane har berre komparatorar, som er gong mindre enn ein full flash-omformar, oppnår ein ein kraftig reduksjon av kompleksiteten og dermed av naudsynt areal påhalvleiarbrikka, i høve til full-flash-omformarar. Men etter kvart har andre typar, som suksessiv tilnærmings-omformarar òg vorte tekne i bruk.
Multitrinns-omformarar: Som ei vidareutvikling av dei totrinns pipeline-omformararene skildra her kan ein plassera fleire trinn etter kvarandre. Dei einskilde AD-omformarane har då færre bit, så omforminga går snøggare. Alle trinna arbeider i parallell (samstundes), så sjølv om resultatet ikkje er tilgjengeleg før alle trinna er ferding så går tida mellom kvart binærord som vert tilgjengelg ned. Denne typen parallellisme vert kannatemporal parallellisme. Fleirtrinns pipeline-omformarar vert ofte kallamultitrinns omformarar, og vert nytta der ein treng høge sampelfrekvensar.
Ein dobbelrampe AD-omformar er bygdt opp rundt einintegrator og eintellarkrins, som vist i fig. 7. Inngangsspenningavert påført inngangen på integratoren. Når omforminga tek til er brytaren i øvre stilling og tellaren, som er nullstillt, tek til å tella opp, styrt av klokka CLK. Etter ei tid vert posisjonen til brytaren endra, slik at inngangen på integratoren vert påtrykkt ei referansespenning. Ved tida er ladninga til kondensatoren proporsjonal med gjennomsnittsverdien til inngangsspenninga over intervalet. Referansespenninga er negativ, så utgangsspenninga frå integratoren vil ta til å falla mot null, som illustrert i fig. 8. Når spenninga når null vert tellaren stoppa. Stigningskoeffisienten til spenninga over kondensatoren under oppladning
og under utladning
.
Ettersom ladninga på kondensatoren ved tida er proporsjonal med og ladninga som vert fjerna frå kondensatoren under utladning er proporsjonal med, er talet på opptellingar (klokkepulsar) proporsjonal med, eller. Verdien til binærordet i tellaren når har nådd ned på null er difor ein binær representasjon av inngangsspenninga. Då denne typen vart innført tidleg på 1960-talet[3] byrjatransistorar å verta tilgjengeleg og det vart mogleg å laga etter måten kompaktevoltmetre.
Utdjupande artikkel for dette emnet erSigma-Delta-omformar.
Til størredynamikkområde ein AD-omformar har til steilar lytantialiasinfileret vera for å hindraaliasing.-omformarar vart utvikla for å løysa dette problemet[4]. Dei nyttaroversampling ogstøyforming for å oppnå eit stort dynamikkområde utan at ein treng steile antialiasinfiler. Dei vart utvikla omlag samstundes for bruk innan innandigital audio ogtelekommunikasjon, frå slutten av 1970-talet og utover, og er i dag svært utbreidde. Dei aller flestelydkort nyttar-omformarar.
Fig. 9 gjev ei grafisk framstilling av samanhengen mellom dynamikkområda (i antal bit) og sampelfrekvensane for ulike AD-omformar-arkitekturar. Ein ser at flash-omformarar har størst sampelfrekvens. Dei vert produserte for sampelfrekvensar på fleire GHz, som mellom anna vert nytta forradar ogspektrumanalysatorar. Suksessiv tilnærming (Pesées successives i fig. 9) og pipeline-omformarar vert produserte med opp til 16 bit, men sampelfrekvensane er ikkje like høge som for flash-omformarar. Ein ser òg at pipeline-omformarar dekkjer eit større område enn suksessiv tilnærming, og vert produserte for sampelfrekvensar på fleire hundre MHz. Dei arkitekturane som har størt dynamikkområde er dobbelrampe- og-omformarar, men-omformarar er tilgjengelege for høgare sampelfrevensar enn dobbelrampe-omformarar. Dobbelrampe-omformarar vert nytta når ein treng å målalikespenningar og lågfrekvente spenningar med stor nøyaktigheit, som som til dømes imultimetre.
