CONVERTITORI ANALOGICO-DIGITALI

Convertitori a comparatori in parallelo

Un convertitore con uscita a n bit e' costituito da 2n-1 comparatori e da un codificatore. Il segnale Va da convertire viene applicato agli ingressi non invertenti dei comparatori; l'ingresso invertente di ciascun comparatore e' connesso ad una rete resistiva che ripartisce la tensione di riferimento in 2n fasce in modo da fissare i livelli di riferimento. Ciascun comparatore commuta la sua uscita a 1 quando Va supera il rispettivo livello di riferimento.
Questo tipo di convertitore consente elevate velocita' di conversione (dell'ordine di 10ns) e non richiede generalmente l'impiego di circuiti S/H. L'incoveniente di questo tipo di convertitore e' l'elevato numero di comparatori richiesti per alte risoluzioni.

 

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Convertitori ad approssimazioni successive

Questo metodo di conversione e' il piu diffuso in quanto consente un buon compromesso fra velocita di conversione e risoluzione.
Si basa sullo stesso principio che viene utilizzato per determinare il peso di un oggetto con una bilancia di precisione a due piatti. Si supponga di dover pesare un oggetto di peso inferiore ad 1Kg, disponendo di una serie di pesi campione di valore decrescente, pari ciascuno alla meta' del precedente: ½Kg, ¼Kg, ecc. Posto l'oggetto su un piatto della bilancia, sull'altro vengono posti i pesi campione in ordine, partendo dal maggiore. Ogni volta che l'aggiunta di un peso fa inclinare la bilancia dalla parte dei pesi, lo si sostituisce con il peso immediatamente inferiore. Il peso dell'oggetto e' dato dalla somma dei pesi campione rimasti sul piatto. Associando ai pesi campione le corrispondenti cifre binarie si puo esprimere il peso dell'oggetto in forma digitale.
Dopo il comando di conversione (SOC) il registro SAR si trova nello stato 1000. Questo dato immesso nel DAC fornisce il primo livello analogico da confrontare con il segnale Va. Se Va > V'a il bit piu significativo rimane alto, altrimenti si porta a 0. Al segnale di clock viene portato ad 1 il secondo bit e si ripete il procedimento per tutti i bit. La fine della conversione viene segnalata dal blocco di temporizzazione con EOC e l'uscita puo essere letta.
Con questa tecnica si richiedono n cicli di clock per convertire una tensione di ingresso in un dato ad n bit.

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Convertitori a conteggio

Convertitori a rampa digitale: Un convertitore a conteggio è composto da un contatore binario, un convertitore D/A e un comparatore, oltre che alla logica di controllo e temporizzazione.

Funzionamento: il comando di conversione SOC inizializza il sistema azzerando il contatore tramite l'ingresso di Reset e abilitando successivamente, tramite la porta AND, il conteggio degli impulsi di clock. L' uscita del contatore, convertita dal DAC, fornisce una tensione V'a crescente con andamento a gradinata,per questo motivo viene anche chiamato convertitore a rampa digitale.Quando questa tensione raggiunge e supera lievemente il valore di Va , il comparatore commuta portando Va a 0 e disabilitando il conteggio. Il numero di impulsi conteggiati dal contatore è proporzionale a Va e il tempo di conversione dipende dal valore di Va.

Per una data frequenza di campionamento e per un dato numero di bit d'uscita, il convertitore a conteggio richiede una frequenza di clock molto più elevata di quella utilizzata da un convertitore ad approssimazioni successive. Per n bit di uscita occorre prevedere un tempo di conversione pari a 2n cicli d i clock. Perciò i convertitori a rampa digitale si prestano per applicazioni in cui la frequenza di campionamento sia inferiore a 100 kHz.

 

Un miglioramento al convertitore a conteggio è l'impiego di un convertitore avanti-indietro; si ottiene così un convertitore a rampa digitale continua o convertitore asservito o servo-convertitore (track converter). Il contatore conta in avanti o indietro a seconda che l'uscita del comparatore sia 1 oppure 0 logico e quindi a seconda che Va sia maggiore o uguale a V'a. Questo convertitore non necessita dell' azzeramento del contatore ad ogni ciclo di conversione; perciò il contatore manterrà il numero conteggiato da una conversione alla successiva, incrementandolo o decrementandolo al variare di Va. il servo-convertitore richiede circa la metà dei conteggi e può quindi impiegare una frequenza doppia.

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Convertitori ad integrazione

Esistono due tipi di convertitori ad integrazione: convertitori ad una rampa e quelli a doppia rampa.

Convertitori ad una rampa:Questo convertitore viene anche chiamato convertitore tensione-tempo dal momento che, contando i cicli di clock, fornisce la misura dell' intervallo di tempo T, proporzionale a Va.

 

Funzionamento: il segnale analogico Va da convertire è confrontato con il segnale a rampa generato da un circuito integratore a cui è applicata una particolare tensione di riferimento costante -Vref. Finché la tensione incognita Va è maggiore a Vo, l'uscita del comparatore è a livello alto e abilita il conteggio del contatore binario ad n bit, a cui viene inviato un segnale di clock a frequenza fissa. Quando Va supera Vo, il comparatore commuta e il contatore si blocca, mantenendo memorizzato il numero conteggiato. L'interruttore S, comandato da un opportuno segnale di controllo o di Reset,chiudendosi provvede a scaricare velocemente il condensatore portando a 0 l'uscita Vo. Lo stesso segnale di Reset disabilita il conteggio e azzera il contatore. 

Poiché l'uscita dell'integratore è espressa come

e la commutazione avviene quando Va=Vo , il numero l a cui arriva il contatore nell'intervallo T sarà proporzionale a Va secondo la relazione:

La precisione e la stabilità sono piuttosto limitate dal momento che i valori forniti da questo convertitore dipendono dalla frequenza di clock, la costante di tempo RC dell'integratore, la tensione di riferimento Vref. 

Convertitori a doppia rampa: Gli inconvenienti appena enunciati vengono superati ricorrendo al convertitore a doppia rampa.

 

Funzionamento:All'inizio del processo di conversione,dopo che il sistema è stato azzerato, il commutatore S1si trova nella posizione A e la tensione campionaria Va ,in questo caso positiva, è applicata all'ingresso dell'integrazione. La tensione di uscita di quest'ultimo sarà una rampa negativa Vo=Vat/RC . L'uscita del comparatore si mantiene quindi alta e abilita il conteggio degli impulsi di clock, di periodo TCk , da parte del contatore binario ad n stadi. il conteggio prosegue per 2n cicli di clock, finché la commutazione a zero di tutte le uscite del contatore non porta ad uno l'uscita del flip flop FF. A questo punto S1 viene commutato nella posizione B e all'ingresso dell'integratore si presenta la tensione di riferimento -Vref , di polarità opposta a quella di Va. L'uscita dell'integratore, che ha raggiunto il valore -VaT1/RC,comincia a salire con pendenza Vref/RC . Il contatore conta fino a quando l'uscita dell'integratore, raggiungendo il valore 0, fa commutare il comparatore così da ristabilire il segnale di clock. Il numero l memorizzato nel contatore è proporzionale al valore di Va. si noti infatti che durante la rampa positiva la pendenza è fissa e indipendente dal valore di Va; la durata di questa rampa T2-T1= l TCk, dipende però dal valore di tensione a cui è scesa in precedenza l'uscita dell'integratore, ovvero da Va. Più precisamente, poiché l'escursione di Va durante le due rampe è la stessa, si avrà 

                   

Ricordando che T1=2nTCk e T2-T1=  l TCk, si ottiene

   

Il sistema funziona correttamente se Va < Vref ; se poi Vref = 2n, l indica indirettamente i valore numerico di Va.

Naturalmente alla fine del conteggio il dato digitale l viene memorizzato in un registro di uscita, il contatore e il flip flop FF vengono azzerati e il condensatore C scaricato mediante la chiusura di S2. Il sistema è così pronto per una nuova conversione.

Questo convertitore offre notevole precisione e stabilità se la tensione di riferimento è precisa e stabile; non è invece critica la frequenza del segnale di clock purché sia stabile durante ciascun ciclo di conversione. Inoltre si deve osservare che l'integrazione del segnale da convertire consente una notevole riduzione dei disturbi alternativi ad esso sovrapposti.

Questo convertitore presenta però l'inconveniente di un tempo di conversione elevato e dipendente dall'entità del segnale analogico di ingresso; viene perciò usato in sistemi di misura dove la velocità non è un parametro di primaria importanza.

Le principali limitazioni del convertitore descritto sono dovute alle correnti di perdita degli interruttori, alla tensione di offset e alle correnti di polarizzazione dell'operazionale.Gli effetti di questi errori possono essere ridotti adottando tecniche di conversione più sofisticate come la conversione a tre rampe o a quattro rampe(quad slope converter).

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Convertitori Sigma-Delta

Il convertitore Sigma-Delta quantizza il segnale analogico di ingresso con bassissima risoluzione ed elevatissima frequenza di campionamento. E' costituito da un modulatore Sigma-Delta che fornisce una sequenza seriale di bit con frequenza elevatissima e di un filtro digitale che presenta in uscita dati digitali di frequenza inferiore ma con risoluzione molto più ampia. Il modulatore S-D è costituito da un anello di reazione negativa in cui sono inseriti un convertitore A/D ad 1 bit, un convertitore D/A ad un bit, un nodo sommatore ed un integratore.

Funzionamento:La tensione analogica fornita dal DAC viene sottratta al segnale di ingresso Vi da convertire; il risultato viene integrato e confrontato con zero, ossia convertito in un bit di valore 1 o 0. Il DAC presenta in uscita una tensione analogica corrispondente al valore di questo bit, tensione che viene nuovamente sottratta al segnale di ingresso.Queste operazioni sincronizzate da un segnale di clock, si ripetono con frequenza elevatissima fc, cosicché all'uscita dell' ADC ad 1 bit, e quindi del modulatore, si presenta una sequenza seriale di bit con cadenza fc. Il contenuto informativo sul valore di Vi è rappresentato dal duty cicle del treno di impulsi che si presenta sull'uscita del modulatore. Quindi la sequenza di bit viene trattata da un filtro passa basso digitale che calcola il valore medio su un certo numero di campioni e fornisce ad un registro di uscita, con frequenza fo<fc, dati digitali espressi in parole ad n bit.

La frequenza fo (output data rate) deve essere inferiore ad almeno alla metà della frequenza di campionamento ma superiore a 2fM. Il rapporto fo/2fM rappresenta il rapporto di sovracampionamento(oversampling). La conversione Sigma-Delta offre un'eccellente linearità e assoluta monotonicità e consente una riduzione dei disturbi e del rumore; tuttavia presenta qualche svantaggio dovuto al ritardo introdotto dal filtro digitale. 

 

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Specifiche dei convertitori A/D

    I parametri e i dati caratteristici principali che definiscono le prestazioni dei convertitori A/D sono:

  • Dinamica della tensione di ingresso: rappresenta il campo di valori consentiti per la tensione di ingresso.
  • Impedenza di ingresso: la gamma di valori si estende da 1kW a 1MW
  • Configurazione dei dati di uscita: riguarda i livelli di tensione e corrente, il codice, il formato.
  • Tempo di conversione: i valori variano dal centinaio di ms a qualche ns per dispositivi di altissima velocità.
  • Risoluzione:rappresenta il più piccolo valore del segnale analogico che può essere convertito e corrisponde al valore dell'LSB.
  • Precisione:fornisce la misura dello scarto massimo fra il valore di tensione analogica reale e quello ideale richiesti per ottenere un dato valore digitale in uscita.
  • Errore di linearità: è la deviazione massima della curva di trasferimento reale rispetto alla retta passante per i punti estremi 0v e FS che interpola la curva di trasferimento ideale.
  • Errore di linearità differenziale: esprime la massima variazione dell' ampiezza della fascia  di valori analogici corrispondente ad un dato valore digitale rispetto all'ampiezza teorica(LSB).
  • Errore di offset: fa in modo che  la curva di trasferimento reale non passi per l'origine.
  • Errore di guadagno: corrisponde alla differenza di pendenza fra la curva di trasferimento ideale e quella reale.
  • Coefficienti di temperatura:specificando l'instabilità dei vari parametri al variare della temperatura.
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