Przetworniki danych

Podręcznik poświęcony współczesnym przetwornikom analogowo-cyfrowym (A/C) i cyfrowo-analogowym (C/A). Zawiera wszystkie informacje niezbędne do pełnego zrozumienia zagadnień próbkowania, kwantyzacji oraz szumu w systemach z danymi spróbkowanymi, parametrów charakteryzujących poszczególne przetworniki, metod stosowanych w przetwornikach pracujących zgodnie z częstotliwością Nyquista i analizy ich właściwości, działania przetworników z nadpróbkowaniem i sigma-delta wraz z przykładami, jak również metod korekcji i kalibracji cyfrowej, testowania i opisu sposobów przetwarzania danych przy testowaniu i pomiarach parametrów.
Odbiorcy książki: studenci wydziałów elektroniki i technik informacyjnych wyższych uczelni technicznych, inżynierowie elektronicy oraz wszyscy zainteresowani współczesnymi przetwornikami A/C i C/A.

---

Spis treści:
Wykaz wybranych skrótów angielskich 11
Przedmowa 13
Rozdział 1
Wiadomości podstawowe 17
1.1. Idealny przetwornik danych 17
1.2. Próbkowanie 18
1.2.1. Podpróbkowanie 25
1.2.2. Jitter czasu próbkowania 27
1.3. Kwantyzacja wartości sygnału 30
1.3.1. Szum kwantyzacji 32
1.3.2. Właściwości szumu kwantyzacji 33
1.4. Szum kT/C 37
1.5. Dyskretne i szybkie przekształcenia Fouriera 40
1.6. Sposoby zapisu 47
1.7. Przetwornik c/a 48
1.7.1. Odtwarzanie idealne 49
1.7.2. Odtwarzanie rzeczywiste 49
1.8. Przekształcenie Z 53
Zadania 57
Literatura 59
Rozdział 2
Parametry przetworników danych 60
2.1. Rodzaj przetwornika 60
2.2. Warunki pracy 61
2.3. Podział parametrów 63
2.4. Właściwości ogólne 63
2.5. Parametry statyczne 64
2.6. Parametry dynamiczne 73
2.7. Parametry związane z przełączaniem i z sygnałami cyfrowymi 84
Zadania 85
Literatura 86
Rozdział 3
Przetworniki cyfrowo-analogowe pracujące zgodnie z częstotliwością Nyquista 88
3.1. Wprowadzenie 88
3.1.1. Zastosowania przetworników c/a 90
3.1.2. Źródła napięcia i prądu odniesienia 91
3.2. Rodzaje przetworników 93
3.3. Układy z sieciami rezystorów 93
3.3.1. Dzielnik rezystorowy 94
3.3.2. Wybór X-Y 96
3.3.3. Ustalanie się napięcia wyjściowego 97
3.3.4. Metoda segmentowa 100
3.3.5. Wpływ niedopasowania 102
3.3.6. Trymowanie i kalibracja 105
3.3.7. Potencjometr cyfrowy 108
3.3.8. Przetworniki c/a z drabinką rezystorową R-2R 108
3.3.9. Usuwanie zakłóceń szpilkowych 116
3.4. Układy z sieciami kondensatorów 117
3.4.1. Przetwornik c/a z dzielnikiem pojemnościowym 118
3.4.2. Pojemnościowy przetwornik MDAC 121
3.4.3. Przetworniki typu flip-around MDAC 122
3.4.4. Hybrydowe przetworniki c/a pojemnościowo-rezystorowe 124
3.5. Układy ze źródłami prądowymi 125
3.5.1. Podstawy działania 125
3.5.2. Jednostkowe źródło prądowe 128
3.5.3. Losowe niedopasowanie z wyborem jednostkowym 132
3.5.4. Wybór źródeł prądowych 133
3.5.5. Przełączanie prądów i segmentacja 135
3.5.6. Przełączanie źródeł prądowych 139
3.6. Inne rozwiązania 142
Zadania 146
Literatura 148
Rozdział 4
Przetworniki analogowo-cyfrowe pracujące zgodnie z częstotliwością Nyquista 151
4.1.Wprowadzenie 151
4.2. Dokładność zależności czasowych 153
4.2.1. Błędy czasowe 153
4.2.2. Błąd metastabilności 156
4.3. Przetworniki fleszowe jednostopniowe (pełnofleszowe) 157
4.3.1. Napięcia odniesienia 157
4.3.2. Niezrównoważenie komparatorów 160
4.3.3. Autozerowanie niezrównoważenia 162
4.3.4. Ograniczenia praktyczne 165
4.4. Dzielenie na podzakresy i przetworniki dwustopniowe 167
4.4.1. Wymagania dotyczące dokładności 169
4.4.2. Przetwarzanie dwustopniowe jako proces nieliniowy 174
4.5. Składanie sygnałów i interpolacja 175
4.5.1. Składanie podwójne 177
4.5.2. Interpolacja 178
4.5.3. Zastosowanie interpolacji w przetwornikach fleszowych 179
4.5.4. Zastosowanie interpolacji w przetwornikach ze składaniem sygnałów 180
4.5.5. Interpolacja w celu poprawy liniowości 181
4.6. Przetworniki z przeplotem czasowym 185
4.7. Przetwornik z kompensacją równoległą 188
4.7.1. Błędy i ich korekcja 191
4.7.2. Redystrybucja ładunku 193
4.8. Przetworniki potokowe 194
4.8.1. Wymagania dotyczące dokładności 198
4.8.2. Korekcja cyfrowa 199
4.8.3. Parametry dynamiczne 205
4.8.4. Układ wytwarzający sygnał reszty danych spróbkowanych 208
4.9. Inne metody 209
4.9.1. Przetwornik cykliczny (lub algorytmiczny) 210
4.9.2. Przetwornik całkujący 211
4.9.3. Przetwornik napięcie-częstotliwość 213
Zadania 214
Literatura 216
Rozdział 5
Elementy układowe przetworników danych 219
5.1. Układy próbkująco-pamiętające 219
5.2. Układ p/p z mostkiem diodowym 220
5.2.1. Niedoskonałości mostka diodowego 221
5.2.2. Ulepszony mostek diodowy 222
5.3. Przełączany wtórnik emiterowy 223
5.3.1. Realizacja układu 224
5.3.2. Komplementarny, bipolarny układ p/p 226
5.4. Właściwości układów p/p z tranzystorami bipolarnymi 227
5.5. Układ próbkująco-pamiętający CMOS 232
5.5.1. Przenikanie przebiegu zegarowego 233
5.5.2. Kompensacja przenikania przebiegu zegarowego 235
5.5.3. Dwustopniowy wzmacniacz OTA jako układ śledząco-pamiętający 237
5.5.4. Wykorzystanie masy pozornej w układach p/p CMOS 238
5.5.5. Analiza szumowa 240
5.6. Przełącznik CMOS o małym napięciu zasilającym 245
5.6.1. Zasada działania 245
5.6.2. „Bootstrapping” przełącznika 247
5.7. Wzmacniacze składające sygnał 249
5.7.1. Składanie sygnałów prądowych 250
5.7.2. Składanie sygnałów napięciowych 251
5.8. Konwerter napięcie-prąd 252
5.9. Wytwarzanie przebiegu zegarowego 256
Zadania 257
Literatura 259
Rozdział 6
Nadpróbkowanie i modulatory ΣΔ niskiego rzędu 261
6.1.Wprowadzenie 261
6.1.1. Zalety nadpróbkowania 261
6.1.2. Modulacja delta i sigma-delta 263
6.2. Kształtowanie szumów 264
6.3. Modulator pierwszego rzędu 265
6.3.1. Wyjaśnienia intuicyjne 270
6.3.2. Zastosowanie kwantyzacji jednobitowej 271
6.4. Modulator drugiego rzędu 273
6.5. Projektowanie układu 275
6.5.1. Niezrównoważenie 276
6.5.2. Skończona wartość wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego 276
6.5.3. Skończona wartość pasma częstotliwości wzmacniacza operacyjnego 279
6.5.4. Skończona wartość szybkości zmian napięcia wyjściowego wzmacniacza operacyjnego 280
6.5.5. Nieidealne działanie przetwornika a/c 283
6.5.6. Nieidealne działanie przetwornika c/a 283
6.6. Projektowanie systemów 284
6.6.1. Zakres dynamiczny integratora 284
6.6.2. Optymalizacja zakresu dynamicznego 289
6.6.3. Realizacja modulatora danych spróbkowanych 295
6.6.4. Analiza szumów 297
6.6.5. Błąd kwantyzacji i dithering 301
6.6.6. Kwantyzatory jednobitowe i wielobitowe 303
Zadania 306
Literatura 307
Rozdział 7
Przetworniki ΣΔ o czasie ciągłym, wysokiego rzędu i przetworniki c/a ΣΔ 310
7.1. Zwiększenie stosunku sygnału do szumu 310
7.2. Wysokiego rzędu kształtowanie szumu 312
7.2.1. Rozwiązania jednostopniowe 315
7.2.2.Analiza stabilności 316
7.2.3. Sprzężenie zwrotne z sumowaniem wagowym 318
7.2.4. Modulator ze sprzężeniem lokalnym 321
7.2.5. Łańcuch integratorów z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym 323
7.2.6. Kaskadowy modulator ΣΔ 324
7.2.7. Zakres dynamiczny MASH 328
7.3. Modulatory ΣΔ
7.3.1. Ograniczenia układu próbkująco-pamiętającego 333
7.3.2. Realizacje układów o czasie ciągłym (CT) 335
7.3.3. Projektowanie układów o czasie ciągłym (CT) na podstawie
równoważnych im układów z danymi spróbkowanymi 339
7.4. Pasmowoprzepustowy modulator ΣΔ 342
7.4.1. System N-torowy z przeplotem 345
7.4.2. Synteza funkcji przenoszenia szumów (NTF) 350
7.5. Przetworniki c/a z nadpróbkowaniem 352
7.5.1. Przetwornik c/a 1-bitowy 353
7.5.2. Podwójny przetwornik c/a z powrotem do zera 357
Zadania 358
Literatura 361
Rozdział 8
Udoskonalone metody cyfrowe 364
8.1.Wprowadzenie 364
8.2. Pomiary błędów 365
8.3.Trymowanie elementów 367
8.4. Kalibracja z priorytetem 369
8.5. Kalibracja w tle 372
8.5.1. Wzmocnienie i niezrównoważenie w przetwornikach z przeplotem 375
8.5.2. Kalibracja niezrównoważenia bez redundancji 375
8.6. Dopasowanie dynamiczne 378
8.6.1. Randomizacja motylkowa 381
8.6.2. Indywidualne uśrednianie poziomu 386
8.6.3. Ważone uśrednianie danych 390
8.7. Decymacja i interpolacja 395
8.7.1. Decymacja 395
8.7.2. Interpolacja 399
Zadania 402
Literatura 402
Rozdział 9
Testowanie przetworników a/c i c/a 405
9.1.Wprowadzenie 405
9.2. Karta testująca 407
9.3. Test jakości i niezawodności 409
9.4. Przetwarzanie danych pomiarowych 411
9.4.1. Wykres najlepszego dopasowania 411
9.4.2. Dopasowanie przebiegu sinusoidalnego 413
9.4.3. Metoda histogramowa 414
9.5. Statyczne testowanie przetworników c/a 418
9.5.1. Test charakterystyki przenoszenia 418
9.5.2. Sumowanie błędów 419
9.5.3. Błędy nieliniowości 420
9.6. Dynamiczne testowanie przetworników c/a 421
9.6.1. Właściwości widmowe 422
9.6.2. Czas przetwarzania 423
9.6.3. Energia zakłócenia impulsowego 424
9.7. Testowanie statyczne przetworników a/c 425
9.7.1. Cel testu statycznego 425
9.7.2. Pomiar granicy wyjściowego słowa cyfrowego 427
9.8. Dynamiczne testowanie przetworników a/c 429
9.8.1. Parametry w dziedzinie czasu 429
9.8.2. Poprawienie czystości fal sinusoidalnych 431
9.8.3. Pomiar niepewności aperturowej 432
9.8.4. Pomiar czasu ustalania 434
9.8.5. Zastosowanie FFT do testowania 435
Zadania 437
Literatura 438
o czasie ciągłym 331 o czasie ciągłym, wysokiego rzędu i przetworniki c/a ΣΔ 310