Analog-Digital-Wandler Technischer Meilenstein in der Signalverarbeitung

Inhalt Einführung Ablauf der Signalverarbeitung Eigenschaften Verfahren Einsatzbeispiele Quellen Analog-Digital-Wandler für den Rasperry Pi (Einplatinencomputer)

Wozu benötigt man A/D- Wandler? Prinzip der Verarbeitung analoger Signale:

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 Signal ist nur noch zu bestimmten Zeitpunkten definiert Abtastung Quantisierung Quantisierung Abtastung Signal ist nur noch zu bestimmten Wertgrößen definiert

Erstellung eines binären digitalen Signals Codierung Was passiert in den einzelnen Schritten?

& 1. Vorverarbeitung des Signals Man sollte in Erfahrung bringen: 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?

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

3. Quantisierung die Spannungswerte im Moment der Abtastung werden in stufenförmige Zahlenwerte umgewandelt

4. Codierung Codierung beispielsweise mit 3 Bits

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

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 1 monoton fallend  0

Sigma-Delta-Wandler

Methoden Anwendung Vor-/Nachteile Flash-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

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.

Was passiert beim Abtasten eines analogen Signals? wertkontinuierlich  wertdiskret wertdiskret  wertkontinuierlich 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 3) Ein A/D-Wandler hat eine Auflösung von 3 Bits. Wie viele Spannungsstufen hat das Signal? 000 001 010 011 100 101 110 111 8 Spannungsstufen

4) Welches Verfahren ist das schnellste beim Umwandeln von analogen in digitale Signale? Flash Wandler mit 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.

https://www. uni-ulm. de/fileadmin/website_uni_ulm/iui. inst 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

Habt Ihr alles verstanden? Gibt es noch Fragen oder Anregungen zur Diskussion?

Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit!