Analog-Digital Wandler

Digitale Messgeräte verarbeiten amplituden- und zeitdiskrete Signale. Analoge Messgrößen müssen dazu quantisiert werden, falls Messwertaufnehmer nicht unmittelbar diskrete Zahlenwerte erzeugen, die der analogen Größe proportional sind.

Die Hauptaufgabe bei einer digitalen Messung besteht in der Quantisierung, wobei die diskreten Werte einem ganzzahligen Vielfachen des sog. Messquants (kleinstes auflösendes Quantum) entsprechen. Zeit- und Amplitudenquantisierung erfolgen mit Hilfe von Analog/Digital-Umsetzern (ADU), die einem Analogwert ein digitales Datenwort aus einem Digitalcode zuordnen.

Gebräuchlichste Verfahren zur A/D Umsetzung sind

Spannung-Frequenz-Umsetzung

Analog-Digital-Wandler, die nach dem Spannungs-Frequenz-Verfahren arbeiten, formen die Messspannung in eine proportionale Frequenz um, die innerhalb einer konstanten Zeit mit einem Zhler gemessen wird (Frequenzmessung).
U/f Wandler
Abb.1a: Prinzipschaltplan eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers

Abb.1b: Spannungsverlauf bei verschiedenen Eingangsspannungen
Die Spannungs-Frequenz-Umwandlung kann verhltnismig einfach mit Multivibratoren erfolgen. Bei hheren Ansprchen an die Genauigkeit werden vorwiegend Integrationsschaltungen verwendet. Abb. 1a zeigt den prinzipiellen Aufbau eines U/f-Wandlers.

Die Messspannung Ux wird vom Operationsverstrker I integriert. Die Ausgangsspannung Ua des Integrators, die proportional zu Ux ist, wird am Komperator K mit einer konstanten Vergleichsspannung Ur verglichen. Ist Ua = Ur schaltet der Komperator, gibt einen Impuls ab and entldt den Integrationskondensator C, so dass die Integration von neuem beginnt. Der prinzipielle Verlauf von Ua ist in Abb. 1b dargestellt. Je grer Ux ist, umso kleiner wird der Abstand der Impulse. Die Frequenz wird durch die Zhlung der Impulse innerhalb einer konstanten Messzeit tM bestimmt.

Im Blockschaltbild nach Abb. 1a erfolgt die Entladung des Kondensators ber den Schalter S durch Kurzschlu. Das beschriebene Wandlerprinzip hat durch die Vernachlssigung der unumgnglichen Entladezeit tentl einen systematischen Fehler. Systematische Fehler, also systembedingte Fehler, lassen sich aber in Gegensatz zu statistischen Fehlern von vornherein rechnerisch erfassen und beim Aufbau bercksichtigen. Der systematische Fehler verringert sich mit dem Wert der Mespannung. Whrend die Entladezeit unabhngig von der Dauer der vorhergehenden Ladung ist, erhht sich die Ladezeit mit kleiner werdender Mespannung Ux. Abb. 1b zeigt diesen Zusammenhang.

Das Strverhalten von U/f-Wandlern ist gut, da durch die Integration der Mittelwert der Messgre ber die Messzeit gebildet wird. Durch eine geschickte Wahl der Messzeit ber eine Periode der Strspannung oder ein Vielfaches davon (tM = 20 ms bei 50Hz Netzeinstreuungen) wird erreicht, dass diese aus dem Messergebnis eliminiert wird. Wird der U/f-Wandler ohne Zhler betrieben, eignet er sich besonders fr die serielle Datenbertragung in der Fernmesstechnik.

Sägezahnverfahren (Spannung-Zeit-Umsetzung)

AD-Umsetzer nach dem Sägezahnverfahren sind Zeitverschlüßler. Die angelegte Meßspannung Ux (Analogwert) wird mit einer im Gerät erzeugten konstanten, sägezahnförmigen Spannung Uv verglichen.

Abb.1a: Prinzipschaltplan eines Sägezahn-AD-Umsetzers
Dabei wird die Zeit gemessen, welche diese sägezahnförmige Spannung mit bekannter Anstiegssteilheit benötigt, bis sie denselben Augenblickswert erreicht wie die unbekannte Meßspannung. Diese Zeit wird durch Impulse ausgezählt. Die Anzahl der Impulse ist gleich den Ziffernschritten. Dieser Digitalwert entspricht der angelegten Meßspannung. Es handelt sich hier um ein indirektes Umsetzungsverfahren.

Beim Sägezahnverfahren werden Meßspannung und lineare Sägezahnspannung miteinander verglichen und die Meßzeit durch Impulse ausgezählt.

Abbildung 1a zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines AD-Umsetzers nach dem Sägezahnverfahren. Durch ein Startsignal des Steuerteils wird der Sägezahngenerator gestartet und etwas verzögert ein Tor (elektronischer Schalter) geöffnet. Dabei gelangen Impulse des sehr konstanten Impulsgenerators durch das Tor auf einen Zähler. Die sägezahnförmige Vergleichsspannung Uv steigt mit konstanter Steilheit an. Sie wird auf die Vergleicherschaltung geführt, welche aus einem Operationsverstärker (Differenzverstärker) und einer nachfolgenden Triggerschaltung besteht. Erreicht die Vergleichsspannung, die auf den einen Eingang des Verstärkers wirkt, die gleiche Höhe wie die Meßspannung, welche auf den anderen Eingang des Verstärkers wirkt, so spricht die Triggerschaltung an. Der dabei abgegebene Impuls selbst steigt noch weiter an bis zum Maximalwert, sinkt dann schnell auf den Minimalwert ab und könnte dann wieder für einen neuen Meßvorgang gestartet werden.

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Das Grundprinzip des S-A-Wandlers ist in Abbildung 3 dargestellt.


Abb. 3: Blockschalbild Sukzessive-Aproximations-Wandler

Dieser Wandler arbeitet so, wie der Abwiegevorgang bei einer unbekannten Masse. Bei diesem "Abwiegevorgang" stehen Gewichte zur Verfügung die sich so Stufen, daß das größte Gewicht dem halben Meßbereich entspricht. Jedes weitere Gewicht entspricht dann wieder der Hälfte der "Masse", sprich dem Wert im Meßbereich. Mit dem größten Gewicht wird begonnen. Ist dieses Gewicht zu groß, wird es wieder von der Waage genommen und das nächstkeinere Gewicht wird aufgelegt. Ist das zuerst aufgelegte gewicht zu klein, so bleibt es auf der Waage und das nächstkleinere Gewicht wird mit dazu aufgelegt. Der Komparator hat die Aufgabe, dafür zu sorgen ob das zuletzt aufgelegte Gewicht auf der Waage bleibt oder wieder entfernt wird. Die elektronische Schaltung zur Steuerung des Digital-Analog-Wandlers heißt SAR (Sukzessives-Approximations-Register).

Mit den Gewichten sind in diesem Beispiel die einzelnen Wertigkeiten der Bits gemeint, die den Digital-Analog-Wandler ansteuern. Falls sicher ist, das sich das Eingangssignal während einer Wandlung um nicht mehr als 0,5 LSB ändert, so kann der Wandler auch ohne Abtast-Haltekreis auskommen. Vorteile dieser Wandler sind der geringe Schaltungsaufbau, sowie preiswerte Herstellung und die Tatsache, daß sie sich für viele Anwendungen ausreichend schnell aufbauen lassen. Der Schwerpunkt im Einsatzgebiet liegt in der Meßwerterfassung auf PC-Karten

Der Flash-Wandler

Abbildung 4 zeigt das Blockschaltbild eines Flash-Wandlers für 3-Bit-Zahlen, der nach dem Parallelverfahren arbeitet.


Abb.4: Blockschalbild Flash-Wandler

Mit einem Dualcode von 3 Bit, muß der Eingangsspannungsbereich in 23 = 8 Quantisierungsintervalle aufgeteilt werden. Dazu sind sieben Komparatoren mit sieben Schwellspannungen nötig. Diese Schwellspannungen werden aus einer Referenzspannung generiert. Soll eine Eingangsspannung, die z.B. zwischen 5/2 ULSB und 7/2 ULSB liegt , umgewandelt werden, dann liefern die Komparatoren 1 bis 3 ein 1-Signal an ihren Ausgängen und die Komparatoren 4 bis 7 eine 0-Signal. Diese Komparatorzustände müssen nun noch durch eine Codewandlung in die Zahl 3 umgewandelt werden. Dieses geschieht durch eine 1- aus 2n-Codierung, mit anschließender Umsetzung in einen Binärcode. Die Komparatorausgänge können den Codewandler jedoch nicht direkt ansteuern, da die nicht konstante Eingangsspannung zeitweise völlig falsche Dualcodes erzeugen kann. Dieses kann nur durch eine Sample-and-Hold Schaltung beseitigt werden, die ein Ändern der Eingangs- spannung während der Wandlung verhindert. Durch diese Maßnahme wird jedoch die erreichbare Umwandlungsrate beeinträchtigt, da die Sample-and-Hold Schaltung eine gewisse Einstellzeit benötigt. Eine weitere Möglichkeit ohne die Sample-and-Hold Schaltung auszukommen ist es, den Komparatoren flankengetriggerte D-Filflops nachzuschalten. So bleibt das Eingangssignal des Codewandlers für eine ganze Taktperiode konstant. Solche Flash-Wandler sind in der Lage bis zu 100 MHz Umwandlungsrate zu erreichen. Der Nachteil ist aber das die Zahl der Komparatoren exponentiell mit der Bit-Zahl des digitalen Ausgangssignales zunimmt. So werden für einen 8-Bit-Wandler 255 Komparatoren benötigt. Diese Zahl berechnet sich aus: N = 2n-1 mit N = Anzahl der benötigten Komparatoren.

Der interpolative Wandler (Delta-Sigma-A/D-Umsetzer)

Die Delta-Sigma-Wandlung ist von J.C.Candy hervorgebracht worden und hat ihren Hauptgedanken darin, daß man Genauigkeit durch hohe Geschwindigkeit ausdrückt, um die Anforderungen an die Genauigkeit der Bauteile senken zu können. Abbildung 5 zeigt ein Blockschaltbild eines solchen Wandlers.


Abb. 5: Blockschaltbild Delta-Sigma-Wandler

Das Funktionsprinzip beruht darauf, daß das Signal sehr hoch abgetastet wird. Diese Abtastfrequenz, die im Bereich einiger MHz liegt also weit über der aus dem Abtasttheorem sich ergebenden Nyquistfrequenz, steht eine Auflösung von nur einem Bit gegenüber. Durch eine anschließende digitale Tiefpaßfilterung wird die Auflösung erheblich erhöht, wobei eine gleichzeitige Reduzierung der Datenrate stattfindet. Der Anwendungsbereich von Delta-Sigma-A/D-Umsetzern befindet sich bei Abtastfrequenzen bis 100kHz und Umsetzungsgenauigkeiten von bis zu 24 Bit.


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