Institut für Physik Computergestütztes Messen Studienleistung zum Thema: Analog-Digital-Wandler ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn

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Analog-Digital-Wandler

Institut für PhysikComputergestütztes Messen Studienleistung zum Thema: Analog-Digital-Wandler

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Inhalt

1. Einführung

2. Ablauf der Signalverarbeitung

3. Eigenschaften

4. Verfahren

5. Einsatzbeispiele

Quellen

Analog-Digital-Wandler für den Rasperry Pi (Einplatinencomputer)

Analog-Digital-Wandler1. Einführung

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Prinzip der Verarbeitung analoger Signale:

Wozu benötigt man A/D- Wandler?



bei der Digitalisierung wird ein elektrisches Signal in eine Zahlenfolge von Nullen und Einsen codiert

die A/D-Wandler wenden dabei zahlreiche Rechnungen an, um dies umzusetzen (u.a. Fourier-Transformation)



Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales Signal

Qua

ntis

ieru

ng

Abtastung

Abtastung

Qua

ntis

ieru

ng

Signal ist nur noch zu bestimmten Zeitpunkten definiert

Signal ist nur noch zu bestimmten Wertgrößen definiert



Erstellung eines binären digitalen Signals

Codierung

Was passiert in den einzelnen Schritten?

Analog-Digital-Wandler2. Ablauf der Signalverarbeitung


1. Vorverarbeitung des Signals

Wie hoch ist die Amplitude in dem sich das Signal maximal bewegt, damit ich das Signal im digitalen verfügbaren Bereich maximal ausnutzen kann?

In welchem Frequenzbereich bewegt sich das Signal?

Man sollte in Erfahrung bringen:

&



2. Abtastung

das Signal wird zu bestimmten Zeitpunkten abgetastetdies geschieht mit Abtastfrequenz, die mindestens doppelt so groß sein muss, wie die maximale Frequenz des Signals:

Grund: damit bei der Rücktransformation des Signals keine Informationen verloren gehen und es rekonstruiert werden kann

Shannon-Abtasttheorem:



3. Quantisierung

die Spannungswerte im Moment der Abtastung werden in stufenförmige Zahlenwerte umgewandelt



4. Codierung

Codierung beispielsweise mit 3 Bits

Analog-Digital-Wandler3. Eigenschaften


Auflösung des A/D- Wandlers sind die Anzahl der Bits, die er am Ausgang liefert

Geschwindigkeit ist die Abtastfrequenz

z.B. Flash-Wandler sind zur Zeit die schnellsten (3.5 Giga Samples/ Sekunde)Samplingrate: Wie oft wird pro Sekunde abgetastet

Analog-Digital-Wandler4. Verfahren




Flash-Wandler

Der Eingangsspannung werden n Komparatoren zugeführt, die eine in n Stufen abgestufte Referenzspannung erhalten

Die Eingangsspannung wird mit jeder der Referenzspannungen verglichen, bis sie miteinander übereinstimmen

Umwandlung in binären Code



Flash-Wandler

Ein 4 Bit Flashplayer hat z.B. 16 Komparatoren.



Sigma-Delta-Wandler

nur die Änderungen der Monotonie des Eingangssignals werden digitalisiert

monoton steigend 1monoton fallend 0



Sigma-Delta-Wandler

Analog-Digital-Wandler5. Einsatzbeispiele


Methoden Anwendung Vor-/NachteileFlash-Wandler Oszilloskope,

Zur Digitalisierung von Videosignalen,Kommunikationstechnik,Überwachungstechnik

+ sehr schnell / hohe Auflösung

Delta-Sigma- Verfahren

Kommunikationstechnik + hohe Auflösung- langsam

Mehrrampenverfahren

Langsame Spannungsmesser,für manuelle und automatische Messungen

+ unempfindlich gegen überlagernde Störungen

Sukzessive Approximation

Industrieelle Steuerungstechnik, zur Überwachung schneller Vorgänge

- sehr störempfindlich

Analog-Digital-WandlerQuiz


Ein Analog-Digital-Wandler ist einer der wichtigsten Grundlagen für das Computergestützte Messen.

Jetzt könnt ihr mit ein paar Fragen überprüfen, ob Ihr das grundlegende Prinzip der A/D-Wandler verstanden habt.



1) Was passiert beim Abtasten eines

analogen Signals?

a) wertkontinuierlich wertdiskret

b) wertdiskret wertkontinuierlich

c) zeitkontinuierlich zeitdiskret



2) Wie hoch sollte die Abtastfrequenz laut dem Shannon-Abtasttheorem

mindestens sein?

fabtast ≥ 2 fmax



3) Ein A/D-Wandler hat eine Auflösung von 3 Bits. Wie viele

Spannungsstufen hat das Signal?

000001010011100101110111

8 Spannungsstufen



4) Welches Verfahren ist das schnellste beim Umwandeln

von analogen in digitale Signale?

Flash Wandlermit 3.5 Giga Samples/ Sekunde



5) Beim Delta-Sigma-Wandler werden nur die Änderungen

der Monotonie des Eingangssignals digitalisiert.

Dabei steht die 1

für monoton steigende und die

0 für monoton fallende Bereiche

des Signals.

Analog-Digital-WandlerQuellen


https://www.uni-ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/iui.inst.130/Mitarbeiter/oubbati/RobotikWS1113/Folien/ADDAWandler.pdf

http://mezdata.de/sj2006/09analogdigitalwandlung_danielerkert/index.php

http://www.vias.org/mikroelektronik/adc_flash.html

http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Sigma-Delta-Wandler-sigma-delta-converter-SDW.html

http://82.119.189.3/ext/dozent/lessig/Skript-AD-DA.pdf





http://www.vias.org/mikroelektronik/adc_flash.html



http://82.119.189.3/ext/dozent/lessig/Skript-AD-DA.pdf



Habt Ihr alles verstanden?

Gibt es noch Fragen oder Anregungen zur Diskussion?



Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit!

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