Il documento fornisce una panoramica sui convertitori analogico-digitali (ADC), descrivendo i diversi tipi e i principi di funzionamento, inclusi i parametri chiave come risoluzione, errore di quantizzazione e frequenza di campionamento. Viene anche menzionato il teorema di Shannon-Nyquist, che stabilisce le condizioni per il campionamento dei segnali analogici, e l'importanza del numero di bit nell'accuratezza della conversione. Infine, si approfondiscono le varie architetture di convertitori, tra cui flash, successivi, e sigma-delta.

1. Elettrotecnica ed Elettronica- Ing. Pasquale Alba 2017
CONVERTITORI
A/D o ADC
Impieghi. Segnali analogici. N° di bit, risoluzione, passo ed errore
di quantizzazione. Frequenza di campionamento. Teorema di
Shannon-Nyquist. Tempo di conversione. Codici. Circuito Sample &
Hold. Linearità integrale e differenziale. Tipi di convertitori: 1) flash
o istantaneo o a comparatori in parallelo, 2) a feedback o
approssimazioni successive, 3) a conteggio: a) gradinata o rampa
digitale b) tracking o a contatore up/down 4) ad integrazione a) ad
una rampa b) a doppia rampa. 5) Sigma-Delta. Esercitazioni.
1
STAMPA SOLO
SE NECESSARIO

2. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
Segnali Analogici e Digitali
2
Un segnale analogico può essere
quello prodotto da un microfono o
dal cuore cioè il segnale ECG
(elettrocardiogramma)
Il convertitore lo converte in un
segnale digitale ossia una sequenza
di numeri per memorizzarlo,
trasmetterlo o elaborarlo.
ADC
0101101011100
Analog to Digital Converter

3. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
Impieghi dei Convertitori A/D
3
Acquisizione audio
Registratori digitaliProtesi acustiche Smartphone
Telecamere e fotocamere
Scanner e copiatrici

4. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
Segnali Analogici e Digitali
4
I segnali analogici sono
continui nel tempo e nei
valori. Possono assumere
qualsiasi valore entro un
determinato intervallo.
I segnali digitali variano a
salti sia nel tempo che nei
valori. quelli che possono
assumere solo due valori
sono detti binari.

5. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 5
Uno dei parametri più importanti di un ADC è il numero di bit N.
Un numero binario formato da N bit può esprimere 2N valori diversi.
Ad esempio con N=4 bit posso avere 24=2·2·2·2=16 valori da 0000 a
1111. Il segnale analogico di ingresso che era continuo in ampiezza,
cioè poteva assumere tutti i possibili valori, dopo la conversione viene
quindi approssimato con un segnale numerico che in ampiezza può
assumere soltanto dei livelli discreti ossia separati tra loro, cioè si sposta
a scatti tra un numero finito di valori.
Con N=4 bit, i possibili livelli sono 16. Con N=5 ho 32 livelli.
ADC
Numero di bit del convertitore e quindi del segnale digitale

6. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 6
Il codice di uscita normalmente utilizzato è quello digitale binario positivo
che parte da zero quando il segnale analogico ha il valore minimo del
campo di variazione e assume il valore “tutti uno” quando il segnale ha il
valore fondo scala (FSR, full scale range).
Il bit più a destra è quello di peso minore (20) e si chiama LSB (least
significant bit, bit meno significativo).
Il bit più a sinistra è quello di peso maggiore (2N-1) e si chiama MSB (most
significant bit, bit meno significativo).
Codice di uscita del segnale digitale
1 0 1 0 0 1 1 0
MSB LSB

7. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017 7
N bit
ADC n° di livelli
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
…
16
2
4
8
16
32
64
128
256
512
1024
…
65536
Quanto maggiore è il
numero N di bit, tanto
migliore sarà
l’approssimazione cioè i
livelli saranno molti e fitti e
il segnale digitale
approssimerà meglio
quello analogico.
Questa approssimazione
si chiama
quantizzazione.
La quantizzazione
produce un errore di
quantizzazione.
Numero di bit del convertitore e di livelli discreti del segnale

8. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
Passo di Quantizzazione o Risoluzione
8
Il Passo di Quantizzazione Q è l’intervallo tra due livelli contigui,
espresso in termini del segnale analogico di ingresso.
Un convertitore a N bit ha 2N possibili codici numerici binari. Ai codici
sono associati 2N possibili intervalli del segnale analogico di ingresso.
Gli intervalli sono separati da 2N-1 soglie. Quando il segnale analogico
attraversa una soglia, il codice numerico cambia.
Se il campo di variazione del segnale analogico di ingresso è ∆V allora il
passo di quantizzazione è:
Q= ∆V / 2N
Ad esempio, se l’ingresso analogico ha un intervallo di variazione da 0 a
10V, il passo di quantizzazione di un convertitore a 10 bit sarà:
Q=10V/210 = 10V/1024 = 0,009765V
Q è anche chiamato risoluzione del convertitore o anche valore del
LSB o 1 LSB.

9. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
Errore di Quantizzazione
9
La quantizzazione è una approssimazione del segnale di ingresso
quindi produce un errore di quantizzazione 𝜺.
Scegliendo opportunamente i livelli delle soglie, si può fare in modo
che il massimo errore di quantizzazione sia pari alla metà del passo
di quantizzazione cioè 𝜺=Q/2.

10. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
Numero di bit comunemente utilizzati
10
8 bit, 256 livelli di quantizzazione: usato negli oscilloscopi,
nell’audio per telefonia, segnale VGA RGB a 16Mn colori
10 bit, 1024 livelli: usato per gli ingressi analogici di molti
microcontrollori (PIC, Arduino) per misurare ad es.
temperature
16 bit, 65536 livelli: utilizzato nello standard CD Audio
18 bit, 256k livelli: usato in convertitori audio ad alta
definizione
21 bit, 2,1milioni di livelli: convertitori per trasduttori di
altissima risoluzione
24 bit: 16,8 milioni di livelli: ADC audio ad altissima
risoluzione, trasduttori

11. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
Range dinamico
11
La Dinamica è il rapporto tra il massimo segnale e il minimo segnale che il
convertitore può risolvere.
Dynamic Range is the ratio of the largest to the smallest possible signals that can
be resolved.
Dynamic Range = 20 * Log(2N - 1)
Resolution (N bits) Dynamic range (dB)
6
8
10
12
14
16
18
20
36.0
48.1
60.2
72.2
84.3
96.3
108.4
120.4

12. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
Frequenza di campionamento ƒc
12
Indica quante volte nell’unità di tempo il segnale analogico viene
letto e convertito in digitale.
Maggiore è la frequenza di campionamento e migliore è la
risoluzione temporale con cui il segnale digitale approssima
quello analogico.
Intervalli di tempo troppo ampi, fanno perdere i dettagli delle
variazioni rapide del segnale.
Come scegliere la Frequenza di campionamento?
Teorema di Shannon-Nyquist:
per potere ricostruire il segnale analogico originale a partire dalla
sua versione digitale, il segnale analogico deve essere
campionato ad una frequenza maggiore del doppio della
massima frequenza ƒmax contenuta nel segnale:
ƒc ≥ 2ƒmax

13. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
Tipi di ADC principali
13
1. Convertitore flash (o simultaneo o parallelo o a
comparatori in parallelo)
2. Convertitore ad approssimazioni successive con
feedback
3. Convertitore a rampa digitale (a contatore in salita)
4. Convertitore track-converter (a contatore up-down)
5. Convertitore a integrazione (a singola o a doppia
rampa)
6. Convertitore ∑-∆ sigma-delta

14. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
Convertitore flash o parallelo o a comparatori in parallelo
14
ref
Vref
Vref
Va
R
R
C7
+
–
C6
+
R
2
–
R
C5
+
–
⎯
Vref
Vref
R
C4
+
–Vref
R
C3
+
–Vref
R
C2
+
–Vref
C1
+
–Vref
R
2
⎯
R
e
g
i
s
t
r
o
C
o
d
i
f
i
c
a
t
o
r
e
LSB
2SB
MSB
Clock
14
13
14
11
14
9
14
7
14
5
14
3
14
1
fig. 7.20
Convertitore
a comparatori
in parallelo
a 3 bit.
1. Il segnale analogico di ingresso Va arriva a tutti i
comparatori (in figura sono 7)
2. Ogni comparatore confronta il valore Va con un
valore di soglia.
3. Con 7 comparatori e 7 soglie di tensione, divido in 8
intervalli il campo di variazione di Va
4. L’uscita di ogni comparatore è alta quando Va
supera la rispettiva soglia, è bassa quando Va è
minore della soglia.
5. Le uscite dei comparatori saranno alte a cominciare
dal basso fino a quel comparatore la cui soglia è
minore di Va.
6. Le uscite dei comparatori a partire dall’alto sono
basse fino a quel comparatore che ha soglia
maggiore di Va.
7. Il “Registro” memorizza lo stato dei comparatori
8. Il “Codificatore” è un circuito logico combinatorio
che dalla schiera di livelli produce in uscita un
codice binario corrispondente al livello. Nel caso
in figura, per codificare 8 intervalli bastano 3 bit.
Soglia n.5

15. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
Convertitore A/D ad approssimazioni successive
15
1. Il SAR è un Registro ad
Approssimazioni Successive.
2. Inizialmente SAR viene
impostato con il MSB=1
3. Il contenuto del SAR viene
convertito in analogico V’a dal
DAC e comparato dal
comparatore C con il segnale
analogico Va da convertire
4. Se V’a > Va allora MSB viene
posto a 0 e viene posto a 1 il
bit immediatamente inferiore.
5. Se V’a < Va viene posto a uno
il bit immediatamente
inferiore.
6. Il procedimento prosegue fino
al LSB
C

16. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
Convertitori A/D a conteggio: a) a rampa digitale o gradinata
16
Start Of Conversion

17. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
Convertitori A/D a conteggio: b) tracking o up-down
17
Track-converter. Il convertitore a conteggio può essere migliorato impiegando un
contatore avanti/indietro o up/down.
Il convertitore così fatto è chiamato a rampa digitale continua o convertitore
asservito o servo-convertitore (track-converter).
Il contatore conta in avanti o indietro a seconda che l'uscita del comparatore sia 1
oppure 0 logico e quindi a seconda che Va sia maggiore o minore di V.
Il convertitore avanti-indietro non richiede l'azzeramento del contatore a ogni ciclo
di conversione; il contatore manterrà il numero conteggiato nella conversione già
fatta e parte da quello per la conversione successiva, incrementandolo o
decrementandolo per seguire le variazioni di V.
Rispetto al convertitore a conteggio a rampa che parte sempre da zero, il servo-
convertitore richiede mediamente la metà dei conteggi e può quindi può convertire
ad una frequenza doppia del precedente.

18. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
Vo
Vc
Va
Clock
Contatore
Uscite
digitali
Reset
C
Ck
+
(a)
–
+
–
R
S
–Vref
(b)
t
Vc
t
Ck T
t
Reset
Va
Vo
t
Va, Vo
d’onda relative.
Convertitori A/D ad integrazione a) ad una rampa
18
Comparatore
Integratore

19. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
273
uali la frequenza di clock, la costante di tempo RC dell’integratore, la tensione di riferimento
Vref, si comprende come la precisione e la stabilità offerte da questa tecnica di conversione
iano piuttosto limitate.
Vo
Vc
Va
Clock
Contatore
Uscite
digitali
Reset
C
Ck
+
(a)
–
+
–
R
S
–Vref
(b)
t
Vc
t
Ck T
t
Reset
Va
Vo
t
Va, Vo
Convertitore
aYd a una
rampa e forme
d’onda relative.
E&E 3B - Petrini © 2013 De Agostini Scuola SpA – Novara
Convertitori A/D ad integrazione a) ad una rampa
19
1. E’ simile a quello precedente ma qui la
rampa è analogica anziché digitale ed è
prodotta da un integratore.
2. L’operazionale a sinistra è un integratore
e produce una rampa cioè una tensione
Vo che nel tempo sale linearmente, la
cui pendenza dipende da C, R e Vref
3. Il secondo operazionale è un
comparatore che confronta il valore della
rampa con il segnale analogico Va da
convertire
4. Quando V0=Va il contatore si ferma e il
suo valore è il risultato della
conversione.
5. Infine il segnale Reset azzera
l’integratore scaricando C e la rampa e il
conteggio ripartono.

20. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
lock.
Vo
Va
C
+
FF
MSB LSB
1
(a)
–
+
G
–
R
A
Q J
K
B
S1
Qn–1 Q0
Ck
Clock
–Vref
S2
Contatore
binario
a n stadi
1
(b)
0
t
Vo
T1 T2
T Tn
Ck1 2= T T TCk2 1– = λ
–
V
RC
ta
V
RC
tref
–
V
RC
Ta n
Ck2
Convertitori A/D ad integrazione b) doppia rampa
20
E’ un miglioramento di quello
precedente: qui la rampa può andare in
salita o in discesa quindi funziona ad
inseguimento (tracking) del segnale di
ingresso (in modo analogo al track
converter a doppia rampa digitale, con
la differenza che qui la rampa è
analogica.)

21. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
Convertitori A/D Sigma-Delta
21
+
1
+
ADC
1 bit
Filtro
digitale
Dato
digitale
Integratore
Modulatore Σ-∆
DAC
1 bit
V3
V2
V1
V4
Vi
–
–
Σ 1 n
La frequenza fo (output data rate) deve essere inferiore ad almeno la metà della frequenza
di campionamento fc ma superiore a 2fM, dove fM è la frequenza più elevata delle compo-
nenti armoniche del segnale di ingresso Vi . Il rapporto fo Y2fM rappresenta il rapporto di
sovracampionamento (oversampling).
La conversione Sigma-Delta presenta numerosi vantaggi. Oltre a risultare compatibile e
particolarmente adatta ai metodi di progettazione basati sull’elaborazione digitale dei segna-
li, offre un’eccellente linearità e assoluta monotonicità e consente una sostanziale riduzione
dei disturbi e del rumore dovuti sia alla quantizzazione sia a fenomeni di aliasing. È quindi
particolarmente adatta alla conversione con elevata risoluzione di segnali di bassa frequenza
Il nome ∑-∆ significa Somma-Differenza. Sulla base dell’ingresso V1 (errore) l’Integratore
produce una rampa V2 in salita o in discesa. Questa nel comparatore “ADC 1 bit” viene
confrontata con lo zero. Quando la rampa passa per lo zero il “DAC 1 bit” commuta alto
o basso (V4 può assumere due soli valori di tensione). Questo valore V4 è sottratto
all’ingresso Vi e costituisce l’errore V1. Se l’errore V1 è grande l’Integratore ha una
rampa ripida e porta più rapidamente in commutazione l’ADC 1 bit. Il tempo di
commutazione è lento invece se l’errore V1 è piccolo. Il DAC 1 bit deve avere valore
max e min pari agli estremi dell’intervallo di variazione del segnale di ingresso Vi. Il
sistema produce in uscita un treno di bit in cui la densità di 1 è alta quando il segnale è
alto ed è bassa quando il segnale è basso.

22. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
Sample & Hold = Campiona & Mantieni
22
S&H
Va
ADC
1. Il blocco S&H viene messo a monte del
convertitore.
2. serve a memorizzare e tenere fermo il
valore del segnale analogico Va mentre
viene convertito
3. Il valore che viene memorizzato è quello
dell’istante in cui viene dato il segnale di
comando di campionamento Vc
4. La ragione dell’esigenza del S&H è
soprattutto nei convertitori ad
approssimazioni successive
5. Infatti supponiamo che il segnale sia
vicino a metà scala, che il codice binario
sia quindi 1000-0000, e che il bit MSB
sia stato già memorizzato. Se il segnale
cala anche di poco ma in modo
sufficiente ad avere un codice binario
0111-1111, alla fine della conversione
avremo il codice errato 1111-1111 che
ha un errore molto grande.
buffer buffer
segnale
a gradinata
segnale
continuo

23. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
Esercitazione 1
23
Elencare i principali parametri di un convertitore A/D in ordine di
importanza decrescente.
1. Numero di bit
2. Tempo di conversione (o massima frequenza di campionamento)
3. Precisione, linearità
4. Interfaccia seriale o parallela

24. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
Esercitazione 2
24
Una pressa per prove distruttive sui materiali con forza di fondo
scala FSR=300kN ≈ 30 Ton, ha una cella di carico a strain-gauge
collegata ad un ADC a 21 bit. Calcolare in termini della grandezza di
ingresso: il valore del LSB e il massimo errore di quantizzazione 𝜺max.
Il valore del LSB è il passo di quantizzazione Q ed è:
Con N=21 bit l’intervallo di ingresso è diviso in 2N=221=2’097’152
intervalli quindi il passo di quantizzazione è:
300kN / 2’097’152 = 0,14305115 N (pari a circa 14 grammi forza).
Il massimo errore di quantizzazione è Q/2 = 0,0715N

25. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
Esercitazione 3
25
Spiegare la funzione del blocco Sample & Hold e descrivere quale
inconveniente potrebbe accadere se non ci fosse.
Il blocco S&H campiona e mantiene costante il segnale per tutto il
tempo necessario al convertitore per completare la conversione.
Se il segnale variasse durante la conversione in un convertitore ad
approssimazioni successive, i diversi bit calcolati in tempi diversi
potrebbero produrre un errore molto grande.

26. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
Esercitazione 4
26
Costruire un sistema di acquisizione utilizzando un convertitore AD a
8 bit con uscita parallela tipo ADC0804.
Collegare ad ogni bit un LED con resistore per visualizzare i bit.
Collegare dei pull-up con dei pulsanti verso massa a CS RD WR
INTR
e value In addition the voltage reference input can
usted to allow encoding any smaller analog voltage
o the full 8 bits of resolution
tures
mpatible with 8080 mP derivatives no interfacing
c needed - access time - 135 ns
y interface to all microprocessors or operates
nd alone’’
DC DC
log span adjusted voltage reference
Key Specifications
Y Resolution
Y Total error g LSB g LSB and g
Y Conversion time
ical Applications
TL
8080 Interface

27. Elettrotecnica & Elettronica - Ing. Pasquale Alba 2017
Esercitazione 4
27
Costruire un sistema di acquisizione utilizzando un convertitore AD a
8 bit con uscita parallela tipo ADC0804
TL H 5671
8080 Interface
TL H 5671–31
Error Specification
Zero Error an
Part
Full-
VREF 2e2
Number
Scale
(No Adjus
Adjusted
ADC0801 g LSB
ADC0802 g L
ADC0803 g LSB
ADC0804 g1 L
ADC0805
TRI-STATE is a registered trademark of National Semiconductor Corp
Z-80 is a registered trademark of Zilog Corp
C1995 National Semiconductor Corporation

28. Tecnologie Elettriche Elettroniche e Applicazioni / Installazione e Manutenzione - Ing. Pasquale Alba
Credits Riconoscimenti
Si ringraziano per immagini e informazioni tecniche:
• National Semiconductors
• Fairchild
• Analog Devices
• tutti coloro che hanno reso disponibili su Internet informazioni qui
riportate
28
La presente dispensa a scopo didattico contiene sia contenuto originale dell’autore che contenuti reperiti su Internet. Tutti diritti
sui contenuti reperiti, appartengono, ove coperti da copyright, ai rispettivi proprietari. Ove si ritenga esistano violazioni di
copyright, imprecisioni o errori si prega di segnalarli a: ing.pasqualealba@gmail.com . Questo materiale può essere diffuso
citando la fonte. In caso si voglia stampare si consiglia di usare un layout con 4 diapositive per ogni pagina.
Le informazioni qui contenute sono ritenute accurate e hanno scopo di studio senza fini di lucro, tuttavia l’autore non esclude che
siano presenti errori o imprecisioni e declina ogni responsabilità diretta o indiretta per danni a persone o cose derivanti da un
eventuale loro uso a scopo professionale; chi ne fa uso se ne assume pienamente la responsabilità.