تحقیق مقاله مبدل آنالوگ

چکیده :

در این رساله یک مبدل آنالوگ به دیجیتال folding طراحی شده است. این مبدل آنالوگ به دیجیتال دقت 8 بیت دارد و سرعت نمونه برداری آن در حدود MS/s100 است. این مبدل توسط تکنولوژی 25/0 ، CMOSدیجیتال طراحی شده است و ولتاژ تغذیه آن  5/2 ولت می‌باشد. در این پروژه تمام شبیه سازیها توسط HSPICE انجام شده است. همچنین مدل شبیه سازی 49 level می‌باشد که توسط شرکت سازنده در اختیار ما قرار گرفته است. در این شبیه سازی گوشه های پروسس و عوامل mismatch مورد تحلیل قرار گرفته است.

یکی از مزیت های بسیار مهم این تکنولوژی هزینه ساخت بسیار پایین آن است. زیرا این تکنولوژی 25/0 ، یک تکنولوژی دیجیتال است و ما در این پروژه یک مدار آنالوگ با کیفیت بالا را با استفاده از تکنولوژی ارزان دیجیتال طراحی کرده ایم.

کلمات کلیدی:

نسبت Inter polation Ratio : Interpolation

نردبان مقاومتی : Resistive Ladders

بازده تولید: Yield

سیستمهای تصویر برداری مافوق صوت: Ultrasound Imaging Systems

نسبت folding : Folding Ratio

تقویت کننده های 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 ایده 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 های 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 از 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 می 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

مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال نقش مهمی به عنوان رابط بین دنیای آنالوگ و دیجیتال ایفا می‌کنند و مقدم بر هرگونه پردازش سیگنال است. مهمترین ویژگی‌های این المان قیمت پایین، اندازه کوچک و خصوصاً توان مصرفی پایین آن است. طراحی آسنکرون این المان، بدون کلاک و بر اساس تدبیر عبور از سطح قادر به تحقق ویژگی‌های فوق است. در این پروژه به بررسی تحلیلی مسأله عبور از سطح پرداخته، و رابطه بین نرخ بیش نمونه‌برداری (OSR)، تعداد سطوح و فاصله بین سطوح برای یک سیگنال گوسی با پهنای باند محدود محاسبه شده است و در ادامه دو روش دیگر برای نمونه‌گیری عبور از سطح معرفی گردیده است. در روش اول، نمونه‌برداری عبور از سطح تنها به کمک دو سطح که خود را با تغییرات سیگنال ورودی تطبیق می‌دهند، صورت می‌گیرد. در این روش از نواحی غیرفعال سیگنال که همبستگی زیادی دارند، نمونه‌های کمتری گرفته می‌شود و بنابراین تعداد متوسط نمونه‌ها کاهش می‌یابد. به بیان دیگر، این روش نمونه‌هایی با محتوای اطلاعاتی بالاتر تولید می‌نماید. در روش پیشنهادی دوم، فاصله بین دو سطح در روش اول، متناسب با شیب سیگنال ورودی تغییر پیدا می‌کند که باعث می‌گردد نمونه‌برداری عبور از سطح که ماهیتی آسنکرون دارد، یکنواخت‌تر گردد. در ادامه، الگوریتم تکرار به عنوان یک رهیافت مؤثر، برای بازسازی سیگنال از روی نمونه‌های غیریکنواخت مورد استفاده قرار می‌گیرد. الگوریتم تکرار در دو حالت سیستم معکوس (Inverse System) و نمونه‌برداری غیریکنواخت (Non-Uniform Sampling) برای هر سه نوع نمونه‌برداری عبور از سطح و به منظور بهبود عملکرد این مبدل‌ها مورد استفاده قرار گرفته، و پیچیدگی‌های مربوطه مقایسه گردیده است. سپس ساختار مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال سیگما- دلتا مطرح شده و با استفاده از الگوریتم تکرار و قرار دادن مدولاتور و مدولاتور سیگما- دلتا در حلقه تکرار، عملکرد این مبدل‌ها به طور محسوسی بهبود یافته است. در ادامه به مقایسه توأم بهبود عملکرد و پیچیدگی مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال عبور از سطح و سیگما- دلتا پرداخته شده است.

نمونه‌برداری

با استفاده از تبدیل فوریه می‌توان نشان داد که اگر از یک سیگنال آنالوگ با بسامد 2 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 2.2 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.