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

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1 Institut für Physik Computergestütztes Messen Studienleistung zum Thema: Analog-Digital-Wandler ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn Analog-Digital-Wandler Technischer Meilenstein in der Signalverarbeitung

2 Institut für Physik Computergestütztes Messen Studienleistung zum Thema: Analog-Digital-Wandler ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn Inhalt 1. Einführung 2. Ablauf der Signalverarbeitung 3. Eigenschaften 4. Verfahren 5. Einsatzbeispiele Quellen Analog-Digital-Wandler für den Rasperry Pi (Einplatinencomputer)

3 Analog-Digital-Wandler 1. Einführung 3 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn Prinzip der Verarbeitung analoger Signale: Wozu benötigt man A/D- Wandler?

4 Analog-Digital-Wandler 1. Einführung 4 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn 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)

5 Analog-Digital-Wandler 1. Einführung 5 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales Signal Quantisierung Abtastung Quantisierung Signal ist nur noch zu bestimmten Zeitpunkten definiert Signal ist nur noch zu bestimmten Wertgrößen definiert

6 Analog-Digital-Wandler 1. Einführung 6 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn Erstellung eines binären digitalen Signals Codierung Was passiert in den einzelnen Schritten?

7 Analog-Digital-Wandler 2. Ablauf der Signalverarbeitung 7 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn 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: &

8 Analog-Digital-Wandler 2. Ablauf der Signalverarbeitung 8 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn 2. Abtastung das Signal wird zu bestimmten Zeitpunkten abgetastet dies 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:

9 Analog-Digital-Wandler 2. Ablauf der Signalverarbeitung 9 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn 3. Quantisierung die Spannungswerte im Moment der Abtastung werden in stufenförmige Zahlenwerte umgewandelt

10 Analog-Digital-Wandler 2. Ablauf der Signalverarbeitung 10 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn 4. Codierung Codierung beispielsweise mit 3 Bits

11 Analog-Digital-Wandler 3. Eigenschaften 11 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn 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

12 Analog-Digital-Wandler 4. Verfahren 12 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn

13 Analog-Digital-Wandler 4. Verfahren 13 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn 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

14 Analog-Digital-Wandler 4. Verfahren 14 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn Flash-Wandler Ein 4 Bit Flashplayer hat z.B. 16 Komparatoren.

15 Analog-Digital-Wandler 4. Verfahren 15 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn Sigma-Delta-Wandler nur die Änderungen der Monotonie des Eingangssignals werden digitalisiert monoton steigend  1 monoton fallend  0

16 Analog-Digital-Wandler 4. Verfahren 16 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn Sigma-Delta-Wandler

17 Analog-Digital-Wandler 5. Einsatzbeispiele 17 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn MethodenAnwendungVor-/Nachteile Flash-WandlerOszilloskope, Zur Digitalisierung von Videosignalen, Kommunikationstechnik, Überwachungstechnik + sehr schnell / hohe Auflösung Delta-Sigma- VerfahrenKommunikationstechnik+ hohe Auflösung - langsam MehrrampenverfahrenLangsame Spannungsmesser, für manuelle und automatische Messungen + unempfindlich gegen überlagernde Störungen Sukzessive ApproximationIndustrieelle Steuerungstechnik, zur Überwachung schneller Vorgänge - sehr störempfindlich

18 Analog-Digital-Wandler Quiz 18 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn 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.

19 Analog-Digital-Wandler Quiz 19 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn 1) Was passiert beim Abtasten eines analogen Signals? a) wertkontinuierlich  wertdiskret b) wertdiskret  wertkontinuierlich c) zeitkontinuierlich  zeitdiskret

20 Analog-Digital-Wandler Quiz 20 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn 2) Wie hoch sollte die Abtastfrequenz laut dem Shannon-Abtasttheorem mindestens sein? f abtast ≥ 2 f max

21 Analog-Digital-Wandler Quiz 21 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn 3) Ein A/D-Wandler hat eine Auflösung von 3 Bits. Wie viele Spannungsstufen hat das Signal? Spannungsstufen

22 Analog-Digital-Wandler Quiz 22 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn 4) Welches Verfahren ist das schnellste beim Umwandeln von analogen in digitale Signale? Flash Wandler mit 3.5 Giga Samples/ Sekunde

23 Analog-Digital-Wandler Quiz 23 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn 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.

24 Analog-Digital-Wandler Quellen 24 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn https://www.uni- ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/iui.inst.130/Mitarbeiter/oubbati/RobotikWS111 3/Folien/ADDAWandler.pdf converter-SDW.html

25 Analog-Digital-Wandler 25 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn Habt Ihr alles verstanden? Gibt es noch Fragen oder Anregungen zur Diskussion?

26 Analog-Digital-Wandler 26 Chemnitz ∙ 8. Juni 2015 ∙ Stefanie Horn Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit!


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