انالوگ

چكيده :
در اين رساله يك مبدل آنالوگ به ديجيتال folding طراحي شده است. اين مبدل آنالوگ به ديجيتال دقت ۸ بيت دارد و سرعت نمونه برداري آن در حدود MS/s100 است. اين مبدل توسط تكنولوژي ۲۵/۰ ، CMOSديجيتال طراحي شده است و ولتاژ تغذيه آن ۵/۲ ولت مي‌باشد. در اين پروژه تمام شبيه سازيها توسط HSPICE انجام شده است. همچنين مدل شبيه سازي ۴۹ level مي‌باشد كه توسط شركت سازنده در اختيار ما قرار گرفته است. در اين شبيه سازي گوشه هاي پروسس و عوامل mismatch مورد تحليل قرار گرفته است.

يكي از مزيت هاي بسيار مهم اين تكنولوژي هزينه ساخت بسيار پايين آن است. زيرا اين تكنولوژي ۲۵/۰ ، يك تكنولوژي ديجيتال است و ما در اين پروژه يك مدار آنالوگ با كيفيت بالا را با استفاده از تكنولوژي ارزان ديجيتال طراحي كرده ايم.
كلمات كليدي:
نسبت Inter polation Ratio : Interpolation
نردبان مقاومتي : Resistive Ladders
بازده توليد: Yield
سيستمهاي تصوير برداري مافوق صوت: Ultrasound Imaging Systems
نسبت folding : Folding Ratio
تقويت كننده هاي Folding : Folding Amplifiers
تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال

مقدمه
عصری را که در آن زندگی می کنیم به جرات می توان بیش از هر چیز، عصر پردازش سیگنالها دانست.سیگنالهای مورد پردازش ، علیرغم ماهیت گسسته از دیدگاه ما پیوسته فرض می شوند و طبیعتی آنالوگ به خود می گیرند. تا پیش از آنکه سیستمهای دیجیتال پا به عرصه وجود بگذارند سیگنال ها با تغییراتی از قبیل تغییر سطح ، تقویت و یا تضعیف می توانستند به سیستمهای پردازشگر وارد شوند.

از هنگامی که سیستمهای پردازشگر دیچیتال مطرح شده اند این مسئله نیز به همراه آن مطرح شد که چگونه می توان یک سیگنال آنالوگ را به یک سیستم دیجیتال وارد کرد و به طور متقابل ، چگونه باید سیگنالهای دیجیتال خارج شده از سیستمهای دیجیتال را به دنیای آنالوگ تحویل داد. در اینجا بود که ضرورت ساخت مبدلهای آنالوگ به دیجیتال و دیجیتال به آنالوگ احساس شد و انواع مختلفی از مبدلهای فوق معرفی شد. ارائه طرحهای جدید و ای

ده های نو به منظور بهبود کیفیت این مدارها تا امروز ادامه دارد و به نظر می رسد تا زمانی که سیگنالهای آنالوگ و دیجیتال وجود داشته باشند، این مبدلها به پیشرفت خود ادامه دهند.
امروزه به دلیل مزیت های عمده پردازش سیگنال های دیجیتال، طراحی مبدل های آنالوگ به دیجیتال مورد نظر می باشند . این مزیت های عمده باعث شد هاند که تکنولوژی مدارهای مجتمع در جهت طراحی مدارهای دیجیتال توسعه داده شوند . پایین آوردن ولتاژ منبع تغذیه ، کم کردن سطح لازم برای ساخت تراشه از جمله پیشرفت های تکنولوژی ها

ی حاضر می باشند اما به دلیل اینکه دنیای واقعی یک طبیعت

آنالوگ است ، بایستی طراحی مبدلهای آنالوگ به دیجیتال نیز با ولتاژهای پایین و در کنار مدارهای دیجیتال در داخل یک تراشه صورت گیرند. طراحی مدارهای دیجیتال با استفاده از تکنولوژیCMOS به علت قابلیت مجتمع سازی بالا،توان مصرفی کم و قیمت پایین به روشی متداول برای ساخت مبدل های آنالوگ به دیجیتال در آمده است.
طراحان مدارهای مجتمع همواره به دنبال کاهش ویژگیهایی همچون وزن و حجم و توان مصرفی و افزایش ویژگیهایی همچون کارایی و سرعت و دقت در آنها بوده اند. توان مصرفی یکی از ویژگیهای مهم در دستگاههای الکترونیکی خصوصاٌ انواع قابل حمل آن می باشد. با ساخت مدارهای دیجیتالCMOS و تکامل هر چه بیشتر تکنولوژی VLSI و روشهای طراحی مدارهای مجتمع دیجیتال، طراحی و ساخت مدارهای دیجیتال با توان مصرفی کم و دیگر ویژگیهای مناسب چندان مشکل نیست. به همین علت با گذشت زمان مدارهای دیجیتال در اکثر قسمتها جایگزین مدارهای آنالوگ شده اند . با وجود این همواره برای برقراری ارتباط بین این مدارات دیجیتال و دنیای خارج به برخی از مدارهای واسط آنالوگ نیاز داریم ..مبدل های آنالوگ به دیجیتال ودیجیتال به آنالوگ یکی ا

ز این مدارهای واسط می باشند. در مبدل های آنالوگ به دیجیتال ابتدا سیگنالهای آنالوگ از دنیای خارج گرفته می شود و پس از تقویت(یا تضعیف) و عبور از مدارهای خاصی به مبدل یا مبدل های آنالوگ به دیجیتال اعمال می شوند وسیگنال آنالوگ به دیجیتال تبدیل می شود

این سیگنالها سپس به قسمت پردازش دیجیتال ارسال می شود تا پردازشهای لازم توسط پردازشگر دیجیتال سیگنال که اغلب یک میکروپروسسور یا واحد پردازش یک میکروکنترلر م

ی باشد، انجام شود.سیگنالهای حاصل از پردازش دیجیتال به صورت دیجیتال هستند که برای ارسال به تجهیزات آنالوگ بایستی توسط یک مبدل دیجیتال به آنالوگ به حالت مناسب(آنالوگ با توان مناسب) تبدیل شوند.
یک مبدل آنالوگ به دیجیتال وسیله ای است که مقادیر دنیای واقعی(آنالوگ) را به کدهای دیجیتال تبدیل می کند تا امکان پردازش دیجیتال سیگنال های ورودی وجود داشته باشد.سیگنالهای آنالوگ دارای طیف پیوسته ای هستند.کار یک مبدل آنالوگ به دیجیتال ، تبدیل یک بازه به چند زیر بازه است .که به هر کدام از این زیر بازه ها معمولا یک پله گفته می شود. یک مبدل آنالوگ به دیجیتال که به اختصار ADC ،A/D می نامیده می شود یک مدار الکتریکی داخلی است که سیگنال های پیوسته را به اعداد دیجیتالی گسسته تبدیل می کند.
به طور کلی ،ADC یک وسیله ی الکترونیکی است که ولتاژ(یا جریان ) آنالوگ ورودی را به یک عدد دیجیتالی تبدیل می کند.دیجیتال خروجی می تواند از رویه کدهای مختلفی مانند سیتم دودویی یا مکمل دوم باینری استفاده کند .اگر چه که برخی از وسایل غیر الکترونیکی را نیز می توان به عنوان ADC در نظر گرفت
یک مبدل دیجیتال به آنالوگ هم وسیله ای است که مقادیر دیچیتال حاصل از پردازش دیچیتال سیگنال را به مقادیر آنالوگ تبدیل می کند تا امکان ارسال سیگنال ها به دنیای واقعی (آنالوگ) وجود داشته باشد. در واقع عکس عمل A/D توسط یک مبدل دیجیتال به آنالوگ انجام می شود
مبدل‌هاي آنالوگ به ديجيتال نقش مهمي به عنوان رابط بين دنياي آنالوگ و ديجيتال ايفا مي‌

کنند و مقدم بر هرگونه پردازش سيگنال است. مهمترين ويژگي‌هاي اين المان قيمت پايين، اندازه کوچک و خصوصاً توان مصرفي پايين آن است. طراحي آسنکرون اين المان، بدون کلاک و بر اساس تدبير عبور از سطح قادر به تحقق ويژگي‌هاي فوق است. در اين پروژه به بررسي تحليلي م سطوح براي يک سيگنال گوسي با پهناي باند محدود محاسبه شده است و در ادامه دو روش ديگر براي نمونه‌گيري عبور از سطح معرفي گرديده است. در روش اول، نمونه‌برداري عبور از سطح تنها به کمک دو سطح که خود را با تغييرات سيگنال ورودي تطبيق مي‌دهند، صورت مي‌گيرد. در اين روش از نواحي غيرفعال سيگنال كه همبستگي زيادي دارند، نمونه‌هاي كمتري گرفته مي‌شود و بنابراين تعداد متوسط نمونه‌ها كاهش مي‌يابد. به بيان ديگر، اين روش نمونه‌هايي با محتواي اطلاعاتي بالاتر توليد مي‌نمايد. در روش پيشنهادي دوم، فاصله بين دو سطح در روش اول، متناسب با شيب سيگنال ورودي تغيير پيدا مي‌کند که باعث مي‌گردد نمونه‌برداري عبور از سطح که ماهيتي آسنکرون دارد، يکنواخت‌تر گردد. در ادامه، الگوريتم تکرار به عنوان يک رهيافت مؤثر، براي بازسازي سيگنال از روي نمونه‌هاي غيريکنواخت مورد استفاده قرار مي‌گيرد. الگوريتم تکرار در دو حالت سيستم معکوس (Inverse System) و نمونه‌برداري غيريکنواخت (Non-Uniform Sampling) براي هر سه نوع نمونه‌برداري عبور از سطح و به منظور بهبود عملکرد اين مبدل‌ها مورد استفاده قرار گرفته، و پيچيدگي‌هاي مربوطه مقايسه گرديده است. سپس ساختار مبدل‌هاي آنالوگ به ديجيتال سيگما- دلتا مطرح شده و با استفاده از الگوريتم تکرار و قرار دادن مدولاتور و مدولاتور سيگما- دلتا در حلقه تکرار، عملکرد اين مبدل‌ها به طور محسوسي بهبود يافته است. در ادامه به مقايسه توأم بهبود عملکرد و پيچيدگي مبدل‌هاي آنالوگ به ديجيتال عبور از سطح و سيگما- دلتا پرداخته شده است.
نمونه‌برداری
با استفاده از تبدیل فوریه می‌توان نشان داد که اگر از یک سیگنال آنالوگ با بسامد ۲ برابر حداکثر بسامد موجود در آن نمونه‌برداری کنیم، می‌توان با استفاده از مقادیر به دست آمده، سیگنال اصلی دقیقاً بازسازی کرد. به بسامد دو برابر مزبور بسامد نایکویست گفته می‌شود و در سیستم‌های عملی جهت ملاحظات خاصی ۲٫۲ در نظر گرفته می‌شود. حاصل نمونه‌برداری از سیگنال آنالوگ را سیگنال گسسته گویند.

کوانتیزه‌سازی
سیگنال گسسته را جهت دیجیتال‌سازی باید به مقادیر خاصی محدود کرد، به این عملیات، کوانتیزه‌سازی گویند. یک دلیل کوانتیزه سازی آن است که دستگاه‌های کنونی قدرت تشخیص صد در صد یک سیگنال و ذخیره سازی آن را ندارند.
دیجیتال سازی
سیگنال کوانتیزه را به صورتهای مختلف می‌توان دیجیتال (یعنی به رشتهٔ صفر و یک)

تبدیل کرد، که این خود اساس پیدایش دانش کدینگ است. هر سطح کوانتیزه را به صورتهای مختلف می‌توان دیجیتال کرد. این شیوه مربوط به علوم تازه کشف شده توسط بشر بنام داشاقینگ است که بیشتر مورداستفاده دانشجویان است.
پاسخ: طراحی مبدل های آنالوگ به دیجیتال
________________________________________
مبدل های آنالوگ به دیجیتال (ADC)
1- روش Flash:
در این روش ولتاژ ورودی ما همواره با یک ولتاژ ریفرنس مقایسه شده و در صورتیکه ولتاژ ورودی از ولتاژ مقایسه بیشتر باشد ، آپ امپ به اشباع مثبت میرود و ولتاژ VCC را در خروجی خود تولید میکند ، در صورتیکه ولتاژ از ولتاژ مقایسه کمتر باشد ، آپ امپ ۰ ولت در خروجی خود ظاهر میسازد ، که همانگونه که در شکل پیداست ، برای هر آپ امپ یک ولتاژ منحصر به فرد برای مقایسه تولید شده است ( توسط تقسیم ولتاژ بین مقاومتها )
خروجی آپ امپها به یک انکودر ۸ به ۳ با اولویت متصل است ، این انکودر با توجه به عدد دریافتی در ورودی خود ، یک عدد سه بیتی در خروجی خود تولید میکند .
در صورتیکه مثلا آپ امپ شماره ۵ ولتاژ VCC در خروجی تولید کند و آپ امپهای با اولویت بالاتر عددی تولید نکنند . ( وقتی آپ امپ شماره ۵ به اشباع رفته است ، حتما آپ امپ های ۴ و ۳ و ۲و ۱ هم در حالت اشباع مثبت قرار دارند ) انکودر در ورودی عدد با اولویت بالاتر و ورودی بالاتر را در نظر میگیرد و بدون توجه به بقیه آپ امپها ( ۴ و۳و۲و۱ ) عدد مربوط به فعا

ل بودن ورودی ۵ را در خروجی تولید میکند .

همانگونه که در شکل پیداست ، این مبدل ۳ بیتی است و از دقت بالایی برخوردار نیست . برای افزایش دقت باید از تعداد بیشتری آپ امپ و مقاومت استفاده شود .
برای مقاومتها باید از مقاومتهایی با تلورانس ۰% یا بسیار پائین استفاده کنید .در صورت استفاده از مقاومتهای معمولی در هر درجه حرارت یک عدد متفاوت در خر

وجی ADC ظاهر خواهد شد .

روش فلش ، سریعترین روش برای تبدیل مقادیر آنالوگ به دیجیتال میباشد ، اما دارای معایبی است ، تعداد بسیار زیاد آپ امپها ، عملا این روش را برای کاربرد های عادی نامناسب ساخته است ، در آینده به روش های اقتصادی تری اشاره خواهم داشت

روش های دیگری که برای تبدیل داده های آنالوگ به دیجیتال به کار میروند عبارتند از :
روش تبدیل تک شماره ایی (Single Counter )
روش تبدیل ردیابی (Tracking)
روش تقریبات متوالی Succesive Approximation

در روش تبدیل تک شماره ایی ، زمان تبدیل به نسبت کند و وابسته به مقدار ورودی است ، که به همین دلیل از شرح این روش میگذرم ، ( در صورت نیاز شرح این روش را هم در آینده قرار خواهم داد )

روش ردیابی گونه اصلاح شده روش روش تبدیل تک شماره ایست که مدت زمان تبدیل تنها در تبدیل اول زیاد خواهد بود و خروجی قابلیت دنبال کردن ورودی را داراست که بدلیل اینکه خروجی دارای مقداری ریپل است و هیچ گاه در عدد ثابتی قرار نمیگیرد از این روش نیز عبور میکنم .

اما روش استاندارد و راهی که بسیاری از شرکت های تولید تراش

 

ه برای قرار دادن مبدل آنالوگ به دیجیتال در آی سی خود در پیش گرفته اند استفاده از روش تقریبات متوالی میباشد که از آی سی های استفاده کننده از این تکنولوژی به خانواده ADC08XX میتوان اشاره کرد .
روش تقریبات متوالی دارای زمان تبدیل ثابت و مستقل از اندازه ولتاژ ورودی است و عملیات تبدیل با استفاده از نوع خاصی از شمارنده ها به نام اختصاری SAR صورت میگیرد که عملکرد مدار را در پست بعدی شرح میدهم .
مبدل آنالوگ به دیجیتال (که کوتاه شده ی آن ADC ،A/D یا A to D می باشد.)یک مدار الکتریکی داخلی است که سیگنال های پیوسته را به اعداد دیجیتالی گسسته تبدیل می کند.عمل عکس توسط یک مبدل دیجیتال به آنالوگ انجام می شود ADC)).

به طور کلی ،ADC یک وسیله ی الکترونیکی است که ولتاژ(یا جریان ) آنالوگ ورودی را به یک عدد دیجیتالی تبدیل می کند.دیجیتال خروجی می تواند از رویه کدهای مختلفی مانند سیتم دودویی یا مکمل دوم باینری استفاده کند .اگر چه که برخی از وسایل غیر الکترونیکی یا وسایلی که تنها بخشی از آن ها الکترونیکی است مانند rotary encoder ها را نیز می توان به عنوان ADC در نظر گرفت.

ADC های غیر خطی

اگر تابع چگالی احتمال سیگنالی که دیجیتالی می شود یکنواخت

باشد،آنگاه نسبت سیگنال به نویزی که به نویز تجزیه شده وابسته است بیش ترین امکان را دارد.به همین دلیل متداول است که سیگنال را پیش ازquantization از تابع توزیع تراکمی آن (CDF)می گذرانند.این روش مناسبی است زیرا نواحی که مهم ترند با دقت بیشتری quantized می شوند.در فرایند dequantization به معکوس CDFاحتیاج هست

برای اجتناب از ناهمواری ،ورودی ADC باید فیلتر low-pass شود تا فرکانس هایی که بیش از نصف سرعت نمونه برداری هستند پاک شوند.این فیلتر ،فیلتر صاف کردن

نا همواری ها نامیده می شودو برای یک سیستم ADC کاربردی که با سیگنال های آنالوگ فرکانس بالا کار می کند ضروری است.

اگر چه که در اکثر سیستم ها ناهمواری نا مطلوب است،اما می توان از آن برای ایجاد اختلاط پایین و همزمان یک دسته ی محدود سیگنال فرکانس بالا استفاده کرد.(بسامد مخلوط کن را ببینید.)

انواع واکنش ها

ADC های خطی

ADC های غیر خطی

 

خطای روزنه

سرعت نمونه برداری

نا همواری (انحراف)

در هم آميختگی

 

 

فوق نمونه برداری

ساختار ADC

مبدل های تجاری آنالوگ به دیجیتال

کاربرد در ضبط موسیقی

کاربرد های دیگر
ADC يك مبدل آنالوگ به ديجيتال مي باشد كه با استفاده از پايه ۹ يعني Vref مي توان مقدار دامنه سيگنال ورودي را با توجه به مقدار ولتاژ اين پايه تنظيم كرد.
به اين صورت كه اگر اين پايه را رها كنيم و به جايي وصل نكنيم ولتاژ دامنه سيگنال ورودي مي تواند در محدوده ۰ تا ۵ ولت باشد كه در اين صورت گام هر پله برابر با ۱۹٫۲۳=۲۵۶÷۵ ميلي ولت خواهد شد. براي ديگر ولتاژ ها هم در زير مشخص شده است:
Verf=2v -> vin=0v-4v 4/255=15.62mv
Verf=1.5v -> vin=0v-3v 3/255=11.71mv
Verf=1.28v -> vin=0v-2.56v 2.56/255=10mv
Verf=1v -> vin=0v-2v 2/255=7.81mv
Verf=.5v -> vin=0v-1v 1/255=3.90mv
گام پله يعني اينكه به ازاي چه مقداري از دامنه ورودي خروجي يك واحد باينري بالا يا پايين برود. مثلا با ولتاژ پايه ۲ولت خروجي ديجيتال ما به ازاي هر ۱۵٫۶۲ ميلي ولت ورودي يك واحد افزايش مي يابد يعني ۱۸٫۶۲=۰۰۰۰۰۰۰۱B و ۳۷٫۲۴=۰۰۰۰۰۰۱۰B خواهد شد و در ساير ولتاژ ها هم همين طور مي باشد. البته اگر قادر به توليد اين ولتاژ هاي پايه نباشيم

مي توانيم توسط يك پتانسيومتر ۱۰ كيلو و با تنظيم آن يك ولتاژ مبنا ايجاد كرد.
تشريح پايه ها:
۱) CS اين پايه در واقع انتخاب كننده چيپ مي باشد. كار برد اين پايه در مدارتي كه نياز به دو يا چند سنسنور باشد كه براي هر سنسور يك ADC استفاده مي كنيم و در ميكرو ما مي توانيم توسط اين پايه مشخص كنيم كه كدام يك از ADC ها انتخاب شوند و ميكرو زير برنامه چه سنسوري را اجرا كند. البته در مداراتي كه از يك سنسور استفاده مي كنيم چون ما يك آيسي داريم مي توانيم آن را زمين كنيم.