A/D-Wandler bei DEWETRON
In der Elektronik wandelt ein A/D-Wandler (Analog-Digital-Wandler oder ADC) ein analoges Signal in ein digitales Signal um. Das analoge Signal kann z. B. ein von einem Mikrofon aufgenommener Ton, in eine Digitalkamera einfallendes Licht sowie ein analoges Spannungs- oder Stromsignal sein. Die folgenden Abschnitte erklären das Funktionsprinzip eines A/D-Wandlers und veranschaulichen die A/D-Wandlung bei DEWETRON.
Was bedeuten die Begriffe “analog” und “digital”?
Die Begriffe „analog“ und „digital“ beziehen sich auf die Art der Darstellung des Signals. Während ein analoges Signal den Verlauf einer kontinuierlichen Größe über die Zeit beschreibt, ist ein digitales Signal ein diskretes Signal, das die Information in binärer Form (gespeichert in Form von Einsen und Nullen) überträgt. Da digitale elektronische Geräte (z. B. Mikrocontroller) keine analogen Signale verarbeiten können, finden A/D-Wandler Verwendung, um unsere analoge Welt in digitale Werte zu übersetzen.
Abbildung 1: Schematische Darstellung der A/D-Wandlung
Der Prozess hinter der A/D-Wandlung
Wie bereits erwähnt, wandelt der A/D-Wandler ein analoges Eingangssignal (in der Messtechnik meist Spannungen) in eine digitale Form um. Dabei besteht die Wandlung im Wesentlichen aus drei Schritten:
- Abtastung – Zeitdiskretisierung
- Quantisierung – Wertdiskretisierung
- Kodierung – Wertzuordnung
Abtastung
Ein Sample ist ein Wert zu einem bestimmten Zeitpunkt. Das Abtastverfahren bestimmt die maximale Bandbreite des abgetasteten Signals nach dem Nyquist-Abtasttheorem. Diese Theorie besagt, dass die Abtastfrequenz (die Anzahl der in einer Sekunde erhaltenen Samples – gemessen in S/s oder Hz) mindestens doppelt so groß sein muss wie die maximal mögliche Signalfrequenz, um das Signal rekonstruieren zu können. Folglich wird die Verarbeitung eines Signals mit einer höheren Abtastrate als Nyquist als „Oversampling“ bezeichnet.
Quantisierung
Quantisierung bezieht sich auf den Prozess, durch den die kontinuierlichen Amplitudenwerte durch eine begrenzte Menge diskreter Werte dargestellt werden. Um das Signal zu quantisieren, wird ein digitaler Wert der Amplitude gewählt, der der ursprünglichen analogen Amplitude am nächsten kommt. Diese Rundung führt zu einem Fehler, der nicht rückgängig gemacht werden kann und als Quantisierungsfehler bezeichnet wird.
Kodierung
Kodieren bedeutet, dem ermittelten Quantisierungsintervall einen Code zuzuordnen.
Es existieren mehrere verschiedene A/D-Wandlertypen mit unterschiedlicher Architektur, aber ähnlichem Funktionsprinzip. Die gängigsten Wandlertypen sind der Delta-Sigma-Wandler, der SAR-Wandler (Sukzessives Approximationsregister) und der Flash-Wandler.
A/D-Wandler @ DEWETRON
DEWETRON verwendet sowohl den Delta-Sigma-Wandler als auch den SAR-Wandler. Dabei unterscheiden wir vier verschiedene Systemarchitekturen für die folgenden Serien unserer Signalkonditionierungsmodule:
- TRION-2402 Serie
- TRION(3)-18xx-MULTI Serie
- TRION3-18xx-POWER Serie
- TRION-16xx/18xx Serie
A/D-Wandlung der TRION-2402 Serie
Jedes Modul der TRION-2402-Serie verwendet bis zu 8 Delta-Sigma-A/D-Wandler. Wenn Sie mit einer Datenrate von 102,4 kS/s abtasten, tastet der ADC das Eingangssignal tatsächlich mit 13,1072 MS/s ab (multiplizieren Sie die Datenrate mit 128) und erzeugt Abtastwerte von 1 Bit, die dem digitalen Filter zugeführt werden. Dann erweitert das Filter die Daten auf 24 Bit und weist Signalanteile größer als 51,2 kHz (Nyquist-Frequenz) zurück. Außerdem werden die Daten auf die gewünschte Rate von 102,4 kS/s konvertiert (resampled).
Abbildung 2: Schematische Darstellung der TRION-2402 Systemarchitektur
A/D-Wandlung der TRION(3)-18xx-MULTI Serie
Die TRION(3)-18xx-MULTI Serie verwendet einen 18 Bit 5 MS/s Ultra-Low-Noise Sukzessive-Approximation-ADC pro Kanal. Dies ermöglicht daher die Messung einer Signalbandbreite von bis zu 2 MHz mit sehr geringem Rauschen und hervorragender Genauigkeit. Durch die Verwendung von frequenzkompensierten Analogverstärkern kann die TRION(3)-18xx-MULTI-Serie zudem die Phasenverschiebung zwischen den Kanälen sehr gering halten. Der Kanal-zu-Kanal-Phasenfehler innerhalb einer Karte liegt typischerweise unter 5 ns. Mit anderen Worten: Sie können ein 1-kHz-Sinussignal mit einem maximalen Phasenfehler von 0,002° messen.
Abbildung 3: Schematische Darstellung der TRION3-1850 Systemarchitektur
A/D-Wandlung der TRION(3)-18xx-POWER Serie
Die TRION(3)-18xx-POWER-Serie verwendet einen 18 Bit 10 MS/s Ultra-Low-Noise Sukzessive-Approximation-ADC pro Kanal. Dies ermöglicht die Messung einer Signalbandbreite von bis zu 5 MHz mit sehr geringem Rauschen und ausgezeichneter Genauigkeit.
Abbildung 4: Schematische Darstellung der TRION3-1810M Systemarchitektur
A/D-Wandlung der TRION-16xx/18xx Serie
Die TRION-1620-Serie verwendet einen 16 Bit 2 MS/s Ultra-Low-Noise Sukzessive-Approximation-ADC pro Kanal. Dies ermöglicht die Messung einer Signalbandbreite von bis zu 1 MHz mit sehr geringem Rauschen und ausgezeichneter Genauigkeit. Durch die Verwendung von frequenzkompensierten Analogverstärkern kann die TRION-1620-Serie die Phasenverschiebung zwischen den Kanälen sehr gering halten. Der Kanal-zu-Kanal-Phasenfehler innerhalb einer Karte liegt typischerweise unter 20 ns. Mit anderen Worten: Sie können ein 1-kHz-Sinussignal mit einem maximalen Phasenfehler von 0,007° messen.
Abbildung 5: Schematische Darstellung der TRION-1620 Systemarchitektur
Wir sind DEWETRON!
DEWETRON ist der Hersteller von hochpräziser Messtechnik. Neben der eigenen Messsoftware OXYGEN bieten wir modulare Datenerfassungshardware, die Sie mit austauschbaren Signalkonditionierungsmodulen (TRION- und TRION3-Serie) an jede Messaufgabe anpassen können. Unsere KundInnen sind in Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobil, Energie, Industrie und vielen anderen tätig. Darüber hinaus bieten wir einen unübertroffenen Service und Support.
DEWETRON fördert #lifelonglearning. Deshalb teilen wir regelmäßig nützliche Informationen (wie Tutorial Videos, Whitepapers und Webinare) auf LinkedIn und YouTube. Folgen Sie uns, um keine Updates zu verpassen. Und wenn Sie zusätzliche Informationen oder persönliche Unterstützung suchen, können Sie uns einfach eine Nachricht schicken.
