NANO III - MSR. Signalabtastung Analog Digital Converter (ADC) Digital Analog Converter (DAC) Themen: DAC

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1 NANO III - MSR Themen: Signalabtastung Analog Digital Converter (ADC) A ADC D Digital Analog Converter (DAC) D DAC A Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 1

2 Signalabtastung Praktisch alle heutigen Messgeräte (DMM, DSO, DAQ- Karten) besitzen eine digitale Auswertung und Anzeige. Deshalb müssen die analogen Messwerte in Digitalwerte umgewandelt werden; dabei kommt es zur Signalabtastung. Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 2

3 Signal wird abgetastet Ein kontinuierliches Analogsignal S(t) wird in festen Zeit- Intervallen (T) abgetastet. Der Signalverlauf zwischen den Zeit-Intervallen geht verloren! Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 3

4 Sample & Hold Vor dem Analog/Digital Wandler (ADC) muss das analoge Signal abgetastet (Sample) und dann während der Wandlung gehalten (Hold): Sample & Hold Schaltung Digitales Abtastsignal Die Analogspannung wird mit Hilfe eines Schalters und einer Kapazität während der Wandlungszeit des ADC gespeichert Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 4

5 Abtasttheorem Zeitbereich Das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem besagt, dass die Abtastfrequenz (f A ) mindestens doppelt so gross sein muss als die höchste Frequenz die man wandeln will: Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 5

6 Abtasttheorem Frequenzbereich Durch das Abtasten mit der Frequenz (f A ) findet eine Faltung statt, welche die Frequenzbänder 2 und 3 in das Nutzfrequenzband 1 herunter transformieren (Aliasing): f A = Abtast Frequenz Amplitude f A 2f A f A /2 f A Frequenz 2f A Um dies zu verhindern, müssen vor der Abtastung alle Frequenzen oberhalb von f A /2 herausgefiltert werden! Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 6

7 Anti-Aliasing Aliasing Filter Ein Anti-Aliasing Filter (Tiefpass) verhindert das ungewollte heruntermischen von Frequenzen oberhalb von f A /2. f A = Abtast Frequenz Amplitude Anti-Aliasing Filter f A 2f A 1 f A /2 f A Frequenz 2f A Ist kein solches Filter vorhanden (z.b. bei einem Digital Oszi), so muss man die gemessenen Signale sehr vorsichtig interpretieren! Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 7

8 ADC das Bindeglied analog digital Analoge Welt Digitale Welt Signalaufbereitung Anti- Aliasing Filter ADC Digitale Werte Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 8

9 Analog Digital Converter (ADC) Analoges Signal ADC Digitaler Wert Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 9

10 ADC Spezifikationen Wichtige Angaben zu einem ADC: Eingangs-Spannungsbereich (z.b. ±10 V) Auflösung (z.b. 12 bit = Stufen) Abtastrate (z.b. 100 ksamples/sec = alle 10 µs ein aktueller digitaler Wert) Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 10

11 Auflösung von ADCs & DACs Beispiel: ADC/DAC mit einem Eingangs/Ausgangsbereich von ±10 V: Auflösung [bit] Diskrete Stufen Spannungsschritte [mv] Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 11

12 ADC Typen Es gibt eine Vielzahl von verschiedenen ADC Typen. Jeder hat seine Vor- und Nachteile und somit seine speziellen Anwendungsgebiete (nicht vollständig): Dual-Slope ADC (DS-ADC) Langsam, genau und stabil DMM Flash ADC Sehr schnell, geringe Auflösung DSO Sigma-Delta (Σ -ADC) Sehr hohe Auflösung, kostengünstig Messtechnik Successive-Aproximation ADC (SA-ADC) Relativ schnell und genau Allgemeine Anwendung Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 12

13 Prinzip Dual-Slope ADC Die Messspannung wird während einer festen Zeit aufintegriert und danach mit einer Referenzsteilheit wieder bis zu Null abintegriert. Diese Zeit ist kann mit einem digitalen Zähler gemessen werden: 1/2 (U IN +U REF ) T = U REF ΔT ΔT/T = 1/2 (U IN /U REF ) + 1/ 2 Amplitude 1/2 (U IN +U REF ) T/RC - U REF ΔT/RC Reset Komparator schaltet bei 0V T Um Netstörungen (50 Hz) zu unterdrücken wird die Aufintegrations-Zeit auf ein ganz-zahliges der Netzperiode (20 ms) festgelegt. Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 13 ΔT Zeit

14 Schaltung Dual-Slope ADC Der Taktgenerator (Clock) wird zur Steuerung der Schalter und zum Zählen der Abintegrations-Zeit benötigt. Damit Spannungen bis zu Null gemessen werden können, wird die Referenzspannung auch aufintegriert. Clock Start Konversion Eingang 2R R Reset Logik Status U IN 2R U REF R C Referenzspannung Integrator Komparator Zähler Digitalwert Ausgang Der Integrator muss nur während einem Messzyklus sehr konstant bleiben! Eine Sample & Hold Stufe ist wegen der Integration nicht nötig. Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 14

15 Schaltung Flash ADC Der Flash ADC nimmt die Wandlung in einem Durchgang (Flash) vor. Die Anzahl der nötigen Komparatoren steigt mit 2 n, wobei n = Anzahl der bits; d.h. für einen 8 bit Flash ADC sind 256 Komparatoren nötig. U Input U REF 7/8U REF R 5/8U REF R 3/8U REF R/ bit Flash ADC Logik Digitalwert Ausgänge Bit 1 R Bit 0 1/8U REF R/2 + 4 Komparatoren Sehr schnelle Wandlung möglich (< 5 ns), meist auf 8 bit beschränkt. Eine Sample & Hold Stufe ist nötig. Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 15

16 Prinzip Sigma-Delta ADC Mit Hilfe eines sogenannten 1 bit Σ -Modulators wird ein hochfrequenter bit-stream generiert, welcher mittels digitalen Filtern in einen hoch aufgelösten Digitalwert umgerechnet wird. + Eingang Σ _ R Integrator + C Komparator + Digitales Filter Digitalwert Ausgang Dezimations Filter Modulator 1Bit DAC Analog Digital Wandler mit einer Auflösung von 24 bit möglich. Wegen der hohen Abtastrate braucht es nur ein ganz einfaches Anti-Aliasing Filter. Eine Sample & Hold Stufe ist wegen dem integrierenden Verhalten nicht nötig. Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 16

17 Prinzip Successive-Approximation ADC Das Vorgehen ist wie bei einem Wägeverfahren (Balkenwaage) mit fest abgestuften Gewichten (immer eine Halbierung). Die Prüfspannung wird der Messspannung sukzessive angenähert Signal Messspannung Prüfspannung Zeit Für n-bit benötigt es n-sukzessive Wägeschritte. Ein 12 bit Wandler braucht also 12 Schritte. Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 17

18 Schaltung Successive-Approximation ADC U IMESS U PRÜF Komparator + DAC Start Konversion n Bit Clock Logik und Schieberegister Register Status Digitalwert Ausgang n Bit Um die Prüfspannung zu generieren wir ein Digital zu Analog Wandler (DAC) benötigt. Der Komparator prüft ob die Prüfspannung grösser als die Messspannung ist. Da die Messspannung während der Wandlungszeit konstant bleiben muss, ist eine Sample & Hold Schaltung ist zwingend nötig. Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 18

19 DAC das Bindeglied digital analog Analoge Welt Digitale Welt Signalverarbeitung Filter DAC Digitaler Wert Bus-Interface PCI Bus Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 19

20 Digital Analog Converter (DAC) Diskretes analoges Signal: DAC Digitaler Wert Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 20

21 DAC Spezifikationen Wichtige Angaben zu einem DAC: Ausgangs-Spannungsbereich (z.b. ±10 V) Auflösung (z.b. 12 bit = Stufen) Update-Rate (z.b. 1 MSamples/sec = alle 1 µs ein neuer Analogwert) Analoge Spannung Update-Rate Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 21

22 DAC Ausgabefrequenz Die maximale DAC Ausgabefrequenz ist die Hälfte der Update-Rate (Nyquist). Deshalb braucht es nach dem DAC auch ein entsprechendes Tiefpassfilter (LP-Filter) um das analoge Signal zu rekonstruieren: 1 Nach 2.Filter Digitale Werte DAC LP Filter Amplitude Zeit Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 22

23 DAC Typen Die beiden wichtigsten DAC Typen funktionieren nach den folgenden Prinzipien: R2R-Netzwerk: Schaltern zwischen V ref und GND schalten die Widerstands-Kette (R,2R) entsprechend der Bitkombination um. Lässt sich gut integrieren (IC) V ref Pulsbreitenmodulation: Der Analogwert wird durch Filterung einer pulsbreitenmodulierter Spannung (0V, +V ref,-v ref ) gewonnen. Einfach und langsam aber hochgenau V out Nano III MSR Physics Basel, Michael Steinacher 23

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