Digitale Messtechnik

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Fabian Schulze
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1 Digiale Messechnik Viele Sensoen liefen Signale in Fom von Som ode Spannung in analoge Fom, d.h. koninuielich in Zei und Ampliude. Sollen diese Signale digial veabeie weden, so muss igendwo in de Messkee eine Umwandlung in digiale Signale, duch eine analog/digial Wandlung efolgen. Digiale Signale haben einige Vozüge: Messwee können beliebig gespeiche weden die digialisieen Messwee eleiden keine weieen Fehle beliebig lange Anzeigendaue komplexe Weieveabeiung is möglich de Messvogang kann auomaisie sowie schnell und of wiedehol weden. gosse Mengen von Messdaen können veabeie weden. 5

2 Analog Digial Wandle Analog Digial Wandle (ADC) wandeln analoge Spannungswee in digial dageselle Zahlenwee um. Es efolg eine zeidiskee Abasung. U U analog zeidiske digial Die Spannungsmessung efode imme einen Vegleich mi Bezugsween. Daaus esulieen uneschiedliche Konsukionspinzipien fü ADCs. Man unescheide nach: Anzahl de Kompaaoen Anzahl von Vegleichsschien Anzahl de Vegleichsspannungen 6

3 Vefahen zu Analog Digial Wandlung Pinzip Paallelvefahen Kompensaionsvefahen flash Kaskade sukzessive zählend Appoximaion Schie N N Kompaaoen N - ( N/ -) Spannungen N - ( N/ -) N mi DAC N mi DAC Wolänge 6-8 Bi - Bi 8-6 Bi 8-6 Bi Abasae - 5MS/s - 5 MS/s - ks/s < ks/s Umsezung abasend abasend mi SH abasend mi SH nachlaufend abasend Anwendung DSO, Tansienenekode Videosignale mi SH Daa Logge, Audiosignale Messechnik Pinzip Zwischengösse Pulsae Ladungsvegleich Zwischengösse Zei Dual Slope Dela Sigma Schie koninuielich koninuielich N Kompaaoen Spannungen ode mehee DACs Wolänge - Bi - Bi - Bi Abasae ks/s ks/s ks/s Umsezung inegieend inegieend nachlaufend Anwendung Päzisionsmessechnik 7

4 Flash Analog Digial Wandle Sobe Analog Inpu VEF 3/ Pioiy Encode and Lach N Digial Oupu / Basiselemen is de Kompaao ein Spannungseile eil die efeenzspannung die Kompaaoen zeigen an ihen Ausgängen, ob die angelege Spannung gösse ode kleine als die efeenzspannung is fü die Umsezung in N Bis weden N - Kompaaoen benöig Gay Code als Zwischencode is voeilhaf 8

5 digiale We analoge Ampliude c c c 3 c 4 c 5 c 6 c 7 Gay Code Ausgang de Kompaaoen g g g

6 Pakische Schalung eines Analog/Digial Wandles fü Videosignale: Blockschalbild: BAS (Video Sync) Vesäke Sync Abennung A D echne Ineface B U S 3 Bi H sync V sync

7 Kaskaden Umseze Die Messung wid in eine Gobmessung fü die höheweigen Bis und in eine Feinmessung fü die niedeweigen Bis uneeil. es weden wenige Kompaaoen benöig die Messung daue länge die Kaskade kann aus meheen Sufen besehen (Pipeline Flash ADCs) Analog Inpu SH - Gain esidue Signal 4-Bi Flash 4-Bi DAC 4-Bi Flash 4 4 Oupu egise 8 Zues wid die Spannung gob mi 6 Sufen gemessen. Das Egebnis sind die Bis 7-4 des Daenwos. Das Egebnis wid in einem DAC wiede in ein analoges Signal umgewandel und vom Eingangssignal abgezogen. In eine zweien Sufe wid de es wiede mi 6 Sufen gemessen. Das liefe die niedeweigen Bis 3 -. Es können meh als Sufen vohanden sein und eine aufwendige Fehlekoeku.

8 Kompensaionsvefahen Kompensaionsvefahen abeien mi eine egelschleife. Eingang UE UDAC Vegleiche - Seueung DAC Die Seueung veände den digialen Eingangswe des DAC solange, bis de Kompaao Gleichhei melde und häl dann diesen Zusand. De jeweilige digiale We is popoional de Eingangsspannung. Es gib folgende Gundypen: inkemenale Umseze sukzessive Appoximaion

9 Inkemenale Umseze Eingang UE Vegleiche - V/ Zähle UDAC DAC Ausgang UDAC Ue Vowäszählschi ückwäszählschi 3

10 Umsezung duch sukzessive Appoximaion Eingang UE Vegleiche - Seueung UDAC DAC Ausgang dn- d UDAC Ue Tak dn- dn- d d 4

11 Fehle bei de Analog Digial Umsezung Quanisieungsauschen: Jede Zahl, die de ADC liefe, enspich einem Beeich des analogen Eingangssignals: U = U ADC - U analog Die maximale auschspannung beäg: ± U/ Bei gleichveeilen Ampliuden : U U = e ff / Digiale Code Oupu Analoge Inpu q = LSB 5

12 Diffeenielle Nichlineaiä Digiale Code Oupu Digiale Code Oupu Fehle Analoge Inpu Analoge Inpu ohne Fehle mi Fehle Die diffeenielle Nichlineaiä gib an, ob die Quanisieungssufen des ADC alle gleich bei sind. Die Messung efolg saisisch. De Spannungsbeeich wid of duchfahen und die Egebnisse weden egisie. Dann ehäl man: DNL() i = Hi () H H Die inegale Nichlineaiä is dann: INL k k = i = ( ) DNL() i 6

13 Abasheoem Die Abasung analoge Signale kann nu endlich of efolgen und benöig Zei. Is das Abasinevall T a so is die Abasfequenz: f a Soll das analoge Signal aus den abgeaseen Ween ekonsuie weden können, muss f a gösse als das Doppele de gössen im Messignal enhalenen Fequenz sein. = T a Abasheoem: f a > f max Dies wid in de egel duch ein Tiefpassfile ezwungen. (Ani Aliasing File) Senso U ana () S/H ADC U dig (nt a ) Die Auflösung kann duch mehfaches Abasen und duch Ausnuzung des Signalauschens ehöh weden. 7

14 Digiales Speicheoszilloskop x Kanal Delay ADC AM DAC Tigge Pozesso µc DAC x y Kanal Delay ADC AM DAC y Im digialen (Speiche) Oszilloskop weden die Spannungen an den Eingängen mi hohe ae abgease. Die digialen Wee sehen im Speiche zu Weieveabeiung. Das Oszilloskop enhäl in de egel einen vollsändigen echne mi enspechende Peipheie. Sondefomen: Tansienenekode Logikanalysao 8

15 Digiale Seckenmessung inkemenale Längengebe: Das bewege Teil is mi einem Codelineal vebunden, das von einem fessehenden Punk aus (meis opisch) abgease wid. Lichquelle beweglich fes Lichsenso S Signalausweung: U U - K U Zähle U ef (Schalschwelle) U De Zählesand is ein Mass fü die Secke. 9

16 Kodieung: Das dieke ezeugen von Bonäcode is ungünsig. Man vewende dahe den sog. Gay Code, bei welchem sich beim Übegang von eine Posiion zu nächsen imme nu Bi ände Voeile: Fehleekennung kleine Anzeigefehle

17 ichungsekennung: Zum Ekennen de Bewegungsichung weden Sensoen benöig, die um ¼ ase vesez angeodne sind. Lichquelle Lochscheibe Doppellichsenso Signalausweung: S S U - K D Q Q* ZV Z U - K U ef (Schalschwelle) Im Flip-Flop wid die Bewegungsichung gespeiche. Sein Ausgang schale die Zählichung des Zähles um

18 Pulsdiagamm: K echs K Q Q = H K links K Q Q = L. Anwendungen: Maus ollkugel Posiionieungen

19 Eigenschafen kodiee Gebe: aufwendig messen von einem definieen Anfangspunk aus liefen diek das Egebnis behalen den Messwe bei Spannungsausfall unempfindlich gegen Söungen Eigenschafen inkemenale Gebe: gue Auflösung Nullpunk läss sich beliebig fessezen zähl auch Söungen velie den Messwe bei Spannungsausfall 3

20 Digiale Zeimessung Zwischen einem Sa und einem Sop Signal weden Pulse eine fesen,genauen Fequenz gezähl. De Zählesand is ein Mass fü die Zei. ese f N x Sa Sop S Q Q* Gae Pulsdiagamm: ese Tak Sa Sop Gae Zählpulse Quanisieungsfehle: N x ± 4

21 Messung seh kuze Zeien n ungeade τ τ τ τ τ... Sa S Q Zei (gob) Sop Q* D D D... τ Ausweelogik Zei (fein) ingoszillao ungeade Inveeanzahl bei jedem Pulsduchgang wid das enspechende FF enwede ode gesez Sop fie die Kee ein de Zähle gib das Gobegebnis an de Zusand de FF gib das Feinegebnis an die Messwee sehen sofo nach dem Sop Puls zu Vefügung Messbeeich bis ps 5

22 Messung de Peiodendaue f D Q D Q U - Q* Q* Pulsdiagam: Eingangssignal Kompaaoausgang ese Gae Zählpulse Tak 6

23 Ezeugung ungedämpfe Schwingungen Ungedämpfe Schwingungen können u.a. duch einen migekoppelen Vesäke ezeug weden. k v U e V U a U k Alle Gössen U e, U a, U, k v,k sind komplex. U U a = kvu = k U Simm U in Beag und Phase mi U e übeein, so kann U U e esezen. Die Bedingung fü Schwingungen is dami e a k k U U k a v = U e = k k U = v e = U e Fü Ampliude und Phase bedeue das: mi k v Ampliude : Phase : = a v e iα a a und = k = a α α =,π, L,Nπ v v v e iα 7

24 8 C Oszillao 4 3 v a a k C i C i Z, C i Z U Z Z Z U k U = = = = = ω ω ω k v is eell. Wegen k v k = muss dami auch k fü die esonanzfequenz eell sein. C C C i C i C C / k = = ω ω ω Sez man = und C =C dann is die esonanzfequenz ω =/C und k =/3. Es muss dann auch k v =3 = 3 / 4 sein, also 3 = 4. Diese Oszillao is nich ampliudensabil. - U e U C C 4 3 U a

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