ITMI20131273A1

ITMI20131273A1 - Metodo e dispositivo per generare un segnale digitale di uscita corrispondente ad un segnale analogico di ingresso

Info

Publication number: ITMI20131273A1
Application number: IT001273A
Authority: IT
Inventors: Mario Chiricosta; Calogero Marco Ippolito; Mario Maiore; Orlando Peluso; Michele Giovanni Vaiana
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2015-01-31
Also published as: US9071260B2; US20150035691A1

Description

METODO E DISPOSITIVO PER GENERARE UN SEGNALE DIGITALE DI USCITA CORRISPONDENTE AD UN SEGNALE ANALOGICO DI INGRESSO

CAMPO TECNICO

Questa divulgazione concerne la conversione analogico-digitale e più in particolare un metodo e un relativo dispositivo per generare con grande precisione un segnale digitale corrispondente ad un segnale analogico.

BACKGROUND

Catene di amplificazione ad alta precisione per elaborazione di segnali analogici tipicamente impiegano molteplici acquisizioni ed effettuano medie per aumentare la risoluzione e ridurre il rumore. Un inconveniente di questo approccio è che sono accentuati gli errori di linearità dovuti ad un intervallo di non linearità della caratteristica di ingresso/uscita del convertitore analogico-digitale (ADC) utilizzato. La causa principale di questa non linearità è la non corrispondenza dei componenti analogici (per esempio, l'allineamento di un banco di condensatori in caso di un ADC a capacità commutata). Quindi è richiesto un metodo per migliorare l'accuratezza della conversione analogico-digitale, quando la caratteristica di ingresso/uscita dell’ADC utilizzato può contenere uno o più intervalli di non linearità centrati su un punto incognito della caratteristica.

Secondo una tecnica proposta da B. Provost e E. Sanchez-Sinencio [1], è utilizzata una rampa analogica altamente lineare (generata durante il test on-chip e off-chip), viene eseguita una misura di non linearità integrale (INL) e sono estratti coefficienti di compensazione. Secondo questa tecnica, una calibrazione è sostanzialmente eseguita nel dominio digitale.

Altre tecniche per compensare errori di linearità dell’ADC usando un convertitore digitale-analogico programmabile (DAC) aggiuntivo, come per esempio proposto da X.-L. Huang et al. [2]. L'idea base è di stimare la linearità dell’ADC misurando le transizioni di portante principale (“Major Carrier Transition” - MCT) dell'array di condensatori del DAC. Durante le procedure di calibrazione, l'array di condensatori del DAC è controllato per generare le MCT, che sono quindi compensate utilizzando un DAC differenziale aggiuntivo. Durante il funzionamento, un codice di compensazione è sottratto dall'uscita dell’ADC per ottenere repliche digitali più accurate di segnali di ingresso da convertire.

La figura 1 mostra un diagramma a blocchi semplificato di una catena di amplificazione AMP seguita da un ADC, che converte un segnale analogico di ingresso IN in digitale, e da un DSP (Digital Signal Processor) che implementa un'ulteriore elaborazione digitale. Il DSP tipicamente integra un filtro digitale (non mostrato) per migliorare l'accuratezza e ridurre il rumore di uscita, quindi il corrispondente segnale di uscita digitale OUT è una somma pesata di valori generati dall’ADC.

La figura 2a mostra una caratteristica di errore di uscita esemplificativa del dispositivo di conversione di figura 1 in cui sono presenti codici mancanti. In questo esempio, il filtro digitale del DSP è un filtro FIR (Finite Impulse Response) e genera ciascun valore di uscita mediando 512 campioni ottenuti con un ADC a 14 bit. La figura 2b mostra le 512 acquisizioni fatte dall’ADC per livelli di tensione di ingresso corrispondenti ad un intervallo della caratteristica di ingresso/uscita dell’ADC affetto da elevato errore DNL (Differential NonLinearity).

La variazione a gradino evidenziata e il picco DNL nella caratteristica di errore di ingresso/uscita dell’ADC produce discontinuità nella caratteristica di ingresso/uscita della conversione analogico-digitale. Queste discontinuità producono errori di accuratezza che sono spesso non accettabili in catene di amplificazione ad alta precisione per elaborazione di segnali analogici.

SOMMARIO

La richiedente ha trovato un metodo innovativo di conversione di un segnale analogico in digitale che permette di migliorare in maniera significativa la caratteristica di errore della conversione anche quando si usa un convertitore analogico-digitale con una caratteristica di ingresso/uscita che può contenere un intervallo di non linearità.

Questo metodo, implementato in un relativo dispositivo, comprendente le operazioni di:

sommare, al segnale analogico di ingresso, un segnale periodico che ha una frequenza principale minore della metà di una frequenza di campionamento del convertitore analogico-digitale e un'ampiezza maggiore di un'ampiezza stimata dell'intervallo di non linearità generando un segnale di somma;

convertire in formato digitale il segnale di somma con il convertitore analogicodigitale, generando un corrispondente segnale digitale di somma;

filtrare il segnale digitale di somma con un filtro digitale, la cui risposta in frequenza ha zeri in corrispondenza di tutti gli impulsi dello spettro di frequenza del segnale digitale di somma dovuti al segnale periodico, generando il segnale digitale di uscita come replica filtrata del segnale digitale di somma.

Il segnale periodico può essere per esempio un segnale triangolare, o un segnale ad onda quadra, o un segnale sinusoidale.

Le rivendicazioni come depositate sono parte integrante di questa descrizione e sono qui incorporate per espresso riferimento.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La figura 1 illustra un noto diagramma a blocchi elementare di un dispositivo di conversione per generare un segnale digitale di uscita corrispondente ad un segnale analogico di ingresso.

La figura 2a mostra gli effetti della presenza di un intervallo di linearità con codici mancanti nella caratteristica di errore del dispositivo di conversione di figura 1.

La figura 2b mostra gli effetti della presenza di un intervallo di non linearità con un picco positivo di DNL nella caratteristica di errore del dispositivo di conversione di figura 1.

La figura 3 illustra un diagramma a blocchi elementare secondo questa divulgazione di un dispositivo di conversione per generare un segnale digitale di uscita corrispondente ad un segnale analogico di ingresso.

La figura 4 illustra risposte in frequenza esemplificative di un filtro a media mobile per tre diversi numeri di campioni usati per calcolare medie mobili.

Le figure 5a e 5b illustrano un funzionamento simulato del dispositivo di conversione di figura 3 che somma una forma d'onda triangolare o una forma d'onda sinusoidale, rispettivamente, ad un segnale di ingresso da convertire.

La figura 6 confronta caratteristiche di errore esemplificative di un ingresso analogico dipendente dalla temperatura convertito usando il dispositivo di figura 3 e il noto dispositivo di conversione in figura 1.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

La tecnica qui proposta migliora l'errore di linearità dell’ADC sommando un segnale periodico con un valore DC nullo prima della conversione del dominio digitale. Questo segnale periodico è sommato all'ingresso dell’ADC ed è quindi filtrato, per esempio attraverso un processo di media, nel dominio digitale. L'approccio non richiede alcuna modifica della sezione analogica/digitale originaria e non richiede alcuna procedura di calibrazione aggiuntiva.

Un diagramma a blocchi di un dispositivo di conversione secondo questa divulgazione è illustrato in figura 3. Secondo la tecnica qui divulgata, un segnale periodico è sommato alla tensione di ingresso dell’ADC prima della conversione del dominio digitale: questa operazione può essere fatta indipendentemente all'uscita dell'amplificatore AMP, come mostrato nella figura citata, o all'ingresso dell'amplificatore o persino nell’ADC stesso prima della conversione del dominio digitale.

È da notare che il segnale periodico non deve essere obbligatoriamente un segnale analogico. Per esempio, se l'amplificatore AMP è un amplificatore a tempo discreto, il segnale periodico può essere un segnale a tempo discreto.

Sarà mostrato nel seguito che questa tecnica permette di ridurre il numero di acquisizioni eseguite in corrispondenza di livelli di ingresso corrispondenti a qualsiasi eventuale intervallo di non linearità della caratteristica di ingresso/uscita dell’ADC al quale il segnale di uscita è soggetto ad un errore DNL relativamente grande.

Il segnale periodico può essere un qualsiasi segnale periodico tempo continuo o tempo discreto la cui frequenza principale fS/N (in cui fSè la frequenza di campionamento dell’ADC e N è un numero intero) e tutti i toni delle frequenze armoniche coincidono con gli zeri della risposta in frequenza del filtro digitale (contenuto nel DSP) che genera il segnale digitale di uscita filtrando il segnale digitale generato dal convertitore analogico-digitale. Se, per esempio, il filtro digitale è un FIR (Finite Impulse Response) e il numero di punti provenienti dall’ADC usati per il filtraggio è uguale a M, il segnale di uscita è dato da

(1) e la risposta in frequenza del filtro digitale è data da

(2)

Qualsiasi segnale periodico, il cui spettro di frequenza e comprende solo toni centrati sugli zeri dell'equazione (2), è eliminato dal FIR.

Se il valore DC del segnale periodico non è zero, il segnale di uscita sarà affetto da una componente di offset che può essere facilmente rimossa.

Considerando, per esempio, che il filtro digitale è un filtro a media mobile, la risposta in frequenza del segnale digitale è

(3)

e la risposta in frequenza per tre valori di M è illustrata in figura 4.

Per un filtro a media mobile la risposta in frequenza presenta i seguenti zeri

(4)

per k/M minore di o uguale a 1/2.

Si supponga che l'unità DSP integri un filtro a media mobile che genera ciascun valore del segnale di uscita mediando 512 punti dell'uscita dell’ADC, che significa M=512, e che il segnale periodico è un'onda triangolare periodica con una frequenza uguale a fS/8, che vuol dire N=8. In questo caso esemplificativo considerato, il segnale periodico modula l'uscita ADC come mostrato in figura 5a.

Fino alla frequenza di Nyquist fS/2, lo spettro di frequenza dell'onda triangolare considerata ha due toni a fS/8 e 3*fS/8, che coincidono con gli zeri della risposta in frequenza del filtro a media mobile (per M=512). Di conseguenza, l'onda triangolare non influenza il segnale digitale di uscita perché essa viene cancellata dal filtro.

Supponendo che il valore di ingresso corrispondente a 10380 LSB è un valore ad elevato errore DNL, grazie alla modulazione imposta dalla forma d'onda triangolare, solo un campione su quattro sarà valutato intorno a 10380 LSB. In altre parole, quando l'ingresso dell’ADC corrisponde ad un livello ad alto errore DNL, allora un numero ridotto di conversioni sarà effettuato a questo livello di ingresso e di conseguenza il peso dell'errore di linearità è diminuito. Nell'esempio proposto l'errore DNL è ridotto di quattro volte, cioè di N/2 volte.

Risultati confrontabili sono ottenuti usando un segnale periodico sinusoidale, come mostrato in figura 5b.

La figura 6 confronta caratteristiche di errore ottenute collegando un ingresso analogico dipendente dalla temperatura in ingresso al dispositivo di figura 3, e collegando lo stesso ingresso al dispositivo di figura 1. La temperatura è stata variata da -20°C sino a 100°C in modo da generare una tensione di rilevazione analogica che aumenta linearmente. Il dispositivo di figura 3 e il dispositivo di conversione di figura 1 sono stati connessi in modo da convertire la tensione analogica di rilevazione in formato digitale. Dal grafico di confronto di figura 6 è evidente che il dispositivo di figura 3 assicura una migliorata riduzione di errori di nonlinearità.

La tecnica proposta garantisce un'attenuazione dell'errore DNL uguale a N/2, quindi preferibilmente il numero intero N (cioè il rapporto tra la frequenza di campionamento fSe la frequenza del segnale periodico) è scelta essere quanto più grande è possibile. Il massimo valore di N è N=M, in cui M è il numero di punti usati per l'operazione di media del filtro digitale.

Tuttavia il massimo valore di N dovrebbe essere determinato in modo da tenere in considerazione anche i seguenti aspetti:

- l'ampiezza del segnale periodico limita la massima ampiezza del segnale analogico di ingresso che può essere convertito, perché l’ADC ha una caratteristica di conversione con saturazione;

- per distribuire i campioni dell’ADC su diversi livelli, la distanza tra due campioni consecutivi del segnale periodico, che è legata all'ampiezza del segnale periodico e al numero N e che è di circa 50 LSB nell'esempio di figura 5a, dovrebbe essere preferibilmente determinata in modo da essere maggiore del livello di rumore che corrompe il segnale analogico di ingresso da convertire, altrimenti la riduzione dell'errore DNL potrebbe diventare trascurabile;

- se l'ampiezza picco-picco del segnale periodico, che è di circa 200 LSB nell'esempio di figura 5a, è già maggiore di due livelli consecutivi ad alto errore DNL dell’ADC, l’attenuazione dell’errore DNL non viene ulteriormente migliorata aumentando ulteriormente l'ampiezza del segnale periodico.

Con le indicazioni di cui sopra, il tecnico esperto può scegliere la frequenza di campionamento fS, l'ampiezza del segnale periodico e l’ADC da usare a seconda dell'ampiezza massima di un segnale di ingresso da convertire, e può quindi fissare un numero N possibile per raggiungere tutti gli obiettivi di cui sopra.

BIBLIOGRAFIA

[1] B. Provost and E. Sanchez-Sinencio, “A practical self-calibration scheme implementation for pipeline ADC” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 2004.

[2] X.-L. Huang et al, “A self-testing and calibration method for embedded successive approximation register ADC” - 16th Asia and South Pacific Design Automation Conference (ASP-DAC) 2011.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo di generazione di un segnale digitale di uscita corrispondente ad un segnale analogico di ingresso usando un convertitore analogico-digitale con una caratteristica di ingresso/uscita che può contenere un intervallo di non linearità, comprendente le operazioni di: sommare, al segnale analogico di ingresso, un segnale periodico che ha una frequenza principale minore della metà di una frequenza di campionamento di detto convertitore analogico-digitale e un'ampiezza maggiore di un'ampiezza stimata di detto intervallo di non linearità generando un segnale di somma; convertire detto segnale di somma in formato digitale con detto convertitore analogico-digitale, generando un corrispondente segnale digitale di somma; filtrare detto segnale digitale di somma con un filtro digitale, la cui risposta in frequenza ha zeri in corrispondenza di tutti gli impulsi dello spettro di frequenza di detto segnale digitale di somma dovuti a detto segnale periodico, generando detto segnale digitale di uscita come replica filtrata di detto segnale digitale di somma.
2. Metodo della rivendicazione 1, in cui l'ampiezza di detto segnale periodico è determinato in modo che detto segnale di somma non eccede un valore di saturazione di detto convertitore analogico digitale.
3. Metodo della rivendicazione 1 o 2 in cui detta operazione di filtraggio è eseguita con un filtro a media mobile.
4. Metodo di una delle rivendicazioni da 1 a 3 in cui detto segnale periodico appartiene all'insieme composto da segnali sinusoidali, segnali ad onda quadra e segnali triangolari.
5. Metodo di una delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui detto segnale periodico è un segnale analogico con un valore DC nullo.
6. Dispositivo per generare un segnale digitale di uscita corrispondente ad un segnale analogico di ingresso, comprendente: un convertitore analogico-digitale con una caratteristica di ingresso/uscita che può contenere un intervallo di non linearità; un sommatore configurato per generare un segnale di somma come la somma di detto segnale analogico di ingresso con un segnale periodico avente una frequenza principale minore della metà di una frequenza di campionamento di detto convertitore analogico-digitale e un'ampiezza maggiore di un'ampiezza stimata di detto intervallo di non linearità; detto convertitore analogico-digitale essendo connesso per ricevere durante il funzionamento detto segnale di somma e per generare un corrispondente segnale digitale di somma; un filtro digitale, la cui risposta in frequenza ha zeri in corrispondenza di tutti gli impulsi dello spettro di frequenza di detto segnale digitale di somma dovuti a detto segnale periodico, configurato per ricevere il ingresso detto segnale digitale di somma e per generare detto segnale digitale di uscita come replica filtrata di detto segnale digitale di somma.
7. Il dispositivo della rivendicazione 6, comprendente inoltre un generatore di segnali periodici accoppiata funzionalmente a detto sommatore e adatto a generare detto segnale periodico.
8. Dispositivo della rivendicazione 7, in cui detto generatore di segnali periodici è scelto nell'insieme composto da un oscillatore sinusoidale, un generatore d'onda quadra, o un generatore di onda triangolare.
9. Dispositivo di una delle rivendicazioni da 5 a 8, in cui detto filtro digitale è un filtro FIR a media mobile.