Institut für PhysikComputergestütztes Messen Studienleistung zum Thema: Analog-Digital-Wandler
www.tu-chemnitz.deChemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn
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?
Analog-Digital-Wandler1. Einführung
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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)
Analog-Digital-Wandler1. Einführung
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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
Analog-Digital-Wandler1. Einführung
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Erstellung eines binären digitalen Signals
Codierung
Was passiert in den einzelnen Schritten?
Analog-Digital-Wandler2. Ablauf der Signalverarbeitung
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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:
&
Analog-Digital-Wandler2. Ablauf der Signalverarbeitung
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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:
Analog-Digital-Wandler2. Ablauf der Signalverarbeitung
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3. Quantisierung
die Spannungswerte im Moment der Abtastung werden in stufenförmige Zahlenwerte umgewandelt
Analog-Digital-Wandler2. Ablauf der Signalverarbeitung
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4. Codierung
Codierung beispielsweise mit 3 Bits
Analog-Digital-Wandler3. Eigenschaften
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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
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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
Analog-Digital-Wandler4. Verfahren
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Flash-Wandler
Ein 4 Bit Flashplayer hat z.B. 16 Komparatoren.
Analog-Digital-Wandler4. Verfahren
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Sigma-Delta-Wandler
nur die Änderungen der Monotonie des Eingangssignals werden digitalisiert
monoton steigend 1monoton fallend 0
Analog-Digital-Wandler4. Verfahren
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Sigma-Delta-Wandler
Analog-Digital-Wandler5. Einsatzbeispiele
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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
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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.
Analog-Digital-WandlerQuiz
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1) Was passiert beim Abtasten eines
analogen Signals?
a) wertkontinuierlich wertdiskret
b) wertdiskret wertkontinuierlich
c) zeitkontinuierlich zeitdiskret
Analog-Digital-WandlerQuiz
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2) Wie hoch sollte die Abtastfrequenz laut dem Shannon-Abtasttheorem
mindestens sein?
fabtast ≥ 2 fmax
Analog-Digital-WandlerQuiz
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3) Ein A/D-Wandler hat eine Auflösung von 3 Bits. Wie viele
Spannungsstufen hat das Signal?
000001010011100101110111
8 Spannungsstufen
Analog-Digital-WandlerQuiz
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4) Welches Verfahren ist das schnellste beim Umwandeln
von analogen in digitale Signale?
Flash Wandlermit 3.5 Giga Samples/ Sekunde
Analog-Digital-WandlerQuiz
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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
www.tu-chemnitz.de24Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn
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
Analog-Digital-Wandler
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Habt Ihr alles verstanden?
Gibt es noch Fragen oder Anregungen zur Diskussion?