Differences

This shows you the differences between two versions of the page.

--- hw:lab:e2_adc_pipeline:start [2011/02/10 09:34]
szymon.kulis
+++ hw:lab:e2_adc_pipeline:start [2019/03/08 14:08] (current)
@@ Line 1: / Line 1: @@
 ====== Implementacja i badanie potokowego przetwornika ADC ======
-===== Plan ćwiczenia =====
+===== Cel ćwiczenia =====
+Większość sygnałów w otaczającym nas świecie to sygnały analogowe (ciągłe zarówno w dziedzinie czasu jak i co do wartości). Ze względu na ograniczenia sprzętowe w systemach cyfrowych operujemy na sygnałach dyskretnych (zarówno w dziedzinie czasu jak i wartości). Aby możliwe więc było przetwarzanie cyfrowe koniecznym jest przetworzenie sygnałów analogowych na postać cyfrową zanim poddane zostaną dalszej obróbce.
-    - implementacja przetwornika potokowego
+Jedną z popularniejszych architektur przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) jest architektura potokowa (pipeline ADC [ref]). Celem tego laboratorium jest:
-    - badanie funkcji przejścia przetwornika
+   * Zapoznanie się z zasadą działania potokowego przetwornika analogowo-cyfrowego
-    - badanie parametrów statycznych przetwornika metodą histogramową
+   * Zapoznanie się z podstawowymi metrykami statycznymi opisującymi jakość działania przetwornika ADC. W szczególności nieliniowość różniczkowa (DNL), nieliniowość całkowa (INL) oraz efektywna liczba bitów (ENOB)
-    - badanie wpływu parametrów modelu (np. wzmocnienie) na parametry statyczne
+   * Zbadanie wpływu parametrów modelu przetwornika (wzmocnienie stopnia, offset komparatora) na jakość pracy przetwornika (tj. jego statyczne metryki)
+===== Implementacja modelu analogowo-cyfrowego przetwornika potokowego =====
+Podstawowa architektura N-bitowego potokowego przetwornika analogowo cyfrowego została zaprezentowana na rysunku \ref{}. Składa się on z N identycznych bloków MDAC pracujących synchronicznie z jednym zegarem (kwantyzacja czasu).
+{{  :hw:lab:e2_adc_pipeline:pipeline.png  |}}
+Wyjścia z kolejnych stopni są zarazem kolejnymi bitami słowa wyjściowego (ilość bitów wpływa na kwantyzacje wartości).
+Działanie jednego bloku ogranicza się do :
+  - porównanie czy wartość na jego wejściu jest większa czy mniejsza od (Vrefp - Vrefm)/2
+  - jeśli wartość jest większa to :
+      - wyjście danego stopnia zwraca 1
+      - od wartości analogowej jest odejmowane (Vrefp - Vrefm)/2, wynik jest mnożony przez dwa i przekazywany do następnego stopnia
+  - jeśli wartość jest mniejsza to :
+      - wyjście danego stopnia zwraca 0
+      - do wartości analogowej dodawane jest (Vrefp - Vrefm)/2, wynik jest mnożony przez dwa i przekazywany do następnego stopnia
+==== Zadanie 1 ====
+Zaimplementować procedurę(klasę) realizującą funkcje przetwarzania sygnału w taki sposób jak to robi przetwornik potokowy. Zaimplementowany model powinien mieć możliwość
+  * zmiany ilości bitów
+  * zmiany wzmocnienia we wzmacniaczu MDAC (domyślnie 2)
+  * zmiany offsetu komparatora (domyślnie 0)
+==== Zadanie 2 ====
+Dla tak przygotowanego modelu proszę wyznaczyć funkcje przejścia (tzn. zależność kodu wyjściowego od wartości analogowej podawanej na wejście) dla przetwornika 4 bitowego w przypadku domyślnych wartości wzmocnienia oraz offsety oraz dla wzmocnienia wynoszącego 1,9 i offsetcie 0,1.
+=====  Badanie parametrów statycznych przetwornika metodą histogramową =====
+W idealnym przetworniku analogowo-cyfrowym każdy ze schodków funkcji przenoszenia ma taką samą szerokość (porównaj poprzedni punktu). Różnice pomiędzy idealną szerokością schodków
+a ich rzeczywistą szerokością nazywamy nieliniowością różniczkową (ang. Differen-
+tial Non-Linearity - DNL) i obliczamy ją dla każdego z N schodków przy pomocy
+następującego równania:
+<latex>
+DNL(N) = \frac{V (N + 1) − V (N) − V_{LSB} }{ V_{LSB}}
+</latex>
+gdzie V (N + 1) i V (N ) są progami przełączania kolejnych schodków, natomiast VLSB
+oblicza się z :
+<latex>
+V_{LSB} = \frac{V_{REF}}{2^N}
+</latex>
+Nieliniowość całkowa (ang. Integral Non-Linearity - INL) natomiast jest to odległość każdego ze schodków od prostej łączącej początek pierwszego i ostatniego schodka idealnej funkcji przenoszenia (rys. 1.5(b)). Istnieje zależność pomiędzy nieliniowością różniczkową
+a całkową, a mianowicie nieliniowość całkową możemy wyznaczyć z równania:
+<latex>
+INL(N) = \sum{DNL(N)}
+</latex>
+Najpopularniejszą metodą wyznaczania obu wyżej wymienionych nieliniowości jest
+tak zwana metoda histogramowa. W metodzie tej na wejście badanego układu poda-
+wany jest sygnał narastający liniowo (rys. 4.1a), a wyniki konwersji umieszczane są
+w zbiorczym histogramie.
+{{  :hw:lab:e2_adc_pipeline:hist.png?650  |}}
+Przy zadanej częstotliwości próbkowania i zboczu sygnału
+narastającego na każdy poziom przetwornika przypada stała liczba próbek, a co za
+tym idzie ilość danych kodów wyjściowych w histogramie 4.1b. Jeśli długości po-
+szczególnych poziomów są różne, ma to odzwierciedlenie w histogramie wyjściowym
+.1c. Wysokości poszczególnych przedziałów Ni wykorzystywane są do wyznaczenia
+nieliniowości różniczkowej jako:
+<latex>
+DNL(N) = \frac{Ni}{N_{avr}}
+</latex>
+gdzie <latex> N_{avr}</latex> jest średnią ze wszystkich schodków. Ze względów praktycznych schodki skrajne najczęściej są odrzucane, jako że zawierają one znacznie większą liczbę przypadków. Jest to związane z tym, iż przetwornik dla napięć z poza zakresu pełnej skaliwskazuje kody brzegowe. Mając wyznaczone nieliniowości różniczkowe, nieliniowości całkowe wyznacza się przy pomocy zależności 4.2.
+==== Zadanie 3 ====
+Zaimplementować procedurę realizującą wyżej opisaną metodę histogramową.
+==== Zadanie 4 ====
+Wyznaczyć zależności DNL/DNL od numeru kodu dla przetwornika 10 bitowego (model z zadania 1) w przypadku domyślnych wartości wzmocnienia oraz offsetu oraz dla wzmocnienia wynoszącego 1,9 i offsetcie 0,1.
+===== Oczekiwane wyniki =====
+==== zadanie 1/2 ====
+{{  :hw:lab:e2_adc_pipeline:transfer.png?300  |}}
+==== zadanie 3/4 ====
+{{  :hw:lab:e2_adc_pipeline:inldnl.png?300  |}}
+===== Do przemyslenia =====
+  * wprowadzac brakujace kody ?
+  * mowic cos o bledzie wzmocnienia i offsetu ?
+  * robic cwiczenia z niesymetrycznymi referencjami ?
+===== Dla ambitnych =====
+  * ENOB w funkcji gain
+  * ENOB w funkcji offsett
+  * implementacja 2bit/stage

lumiwiki

User Tools

Site Tools

Differences

Page Tools