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.

Jedną z popularniejszych architektur przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) jest architektura potokowa (pipeline ADC [ref]). Celem tego laboratorium jest:

• Zapoznanie się z zasadą działania potokowego przetwornika analogowo-cyfrowego
• Zapoznanie się z podstawowymi metrykami statycznymi opisującymi jakość działania przetwornika ADC. W szczególności nieliniowość różniczkowa (DNL), nieliniowość całkowa (INL) oraz efektywna liczba bitów (ENOB)
• Zbadanie wpływu parametrów modelu przetwornika (wzmocnienie stopnia, offset komparatora) na jakość pracy przetwornika (tj. jego statyczne metryki)

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).

Wyjścia z kolejnych stopni są zarazem kolejnymi bitami słowa wyjściowego (ilość bitów wpływa na kwantyzacje wartości). Działanie jednego bloku ogranicza się do :

1. porównanie czy wartość na jego wejściu jest większa czy mniejsza od (Vrefp - Vrefm)/2
2. jeśli wartość jest większa to :
   1. wyjście danego stopnia zwraca 1
   2. od wartości analogowej jest odejmowane (Vrefp - Vrefm)/2, wynik jest mnożony przez dwa i przekazywany do następnego stopnia
3. jeśli wartość jest mniejsza to :
   1. wyjście danego stopnia zwraca 0
   2. do wartości analogowej dodawane jest (Vrefp - Vrefm)/2, wynik jest mnożony przez dwa i przekazywany do następnego stopnia

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)

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.

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:

gdzie V (N + 1) i V (N ) są progami przełączania kolejnych schodków, natomiast VLSB oblicza się z :

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:

1. implementacja parametryzowalnego modelu przetwornika potokowego (wzmocnienie, napięcie komparatorów)
2. badanie funkcji przejścia przetwornika
3. badanie parametrów statycznych przetwornika metodą histogramową
4. badanie wpływu parametrów modelu (np. wzmocnienie) na parametry statyczne