A/D-Wandler Grundkonfiguration

Flash-Methode

Diese Art von ADC verwendet 2^N-1-Vergleicher (für einen N-Bit-Wandler), um das analoge Signal mit aufeinanderfolgenden Referenzspannungen zu vergleichen. Die Ergebnisse werden dann mithilfe eines Encoders in ein digitales Format umgewandelt.

Funktionen

• Analoge Signale werden direkt in digitale Signale umgewandelt (da die Vergleicher selbst die Sampling-Geräte sind), wodurch ein Sample-and-Hold-Schaltkreis überflüssig wird.
• Somit wird eine extrem schnelle Umwandlung ermöglicht (Sampling-Frequenzen von über 1 GHz sind möglich).
• Durch die relativ größere Größe und den höheren Stromverbrauch (aufgrund der Anzahl von Vergleichern sind 2^N-1 erforderlich) beschränken die Auflösung auf ungefähr 8 Bits.

Pipeline-Methode

Im Falle einer 1.5-Bit/Stufe-Konfiguration werden folgende Prozesse der Reihe nach von Stufe 1 wiederholt. Diese bestimmt MSB über den Pipeline-Betrieb (VREF: Referenzspannung).

• Analoge Eingänge werden getestet (mithilfe eines S&H-Schaltkreises)
• Gleichzeitig werden die analogen Eingänge von ADC in ein 3-wertiges digitales Format umgewandelt (1.5 Bit). (Hier ist die Stufe für die digitalen Ausgänge definiert.)
  • Analoger Eingang ≦ -VREF/4 → D="00"
  • -VREF/4 ＜ Analoger Eingang ≦ +VREF/4 → D="01"
  • +VREF/4 ＜ Analoger Eingang →D="10"
• Diese digitalen Werte werden dann mithilfe eines Digital-zu-Analog-Wandlers (DAC) in analoge Werte umgewandelt.
  • D="00" → DAC-Ausgang：-VREF/2
  • D="01" → DAC-Ausgang：0
  • D="10" → DAC-Ausgang：+VREF/2
• Die negative DAC-Ausgangsspannung wird verstärkt (x2) und an die nächste Stufe ausgegeben.

Nachdem die Verarbeitung von Stufe N, die LSB bestimmt, abgeschlossen ist, wird die Verzögerung zwischen jeder Stufe korrigiert. Dann wird die digitale Umwandlung durch die Ergänzung des jeweiligen digitalen Ausgangs abgeschlossen.

Merkmale

• Hohe Auflösung aktiviert (bis zu 16Bit)
• Hochgeschwindigkeitsumwandlung möglich (Testfrequenz von max. 200MHz)
• Es gibt eine notwendige Wartezeit, bis das digitale Signal ausgegeben wird (basierend auf dem bipolaren Betrieb). Somit ist es nicht geeignet für Anwendungen, die eine Echtzeit-Verarbeitung benötigen (d. h. Kontrolle).

Approximation Method

Bei dieser Methode werden die getesteten analogen Eingänge nacheinander mit den Ausgängen des Wandlers verglichen, angefangen mit MSB.

• Das analoge Eingangssignal wird getestet (S&H)
• Ein Successive Approximation-Register (SAR), das dazu gedacht ist, dem internen DAC einen ungefähren digitalen Code bereitzustellen, wird initialisiert, damit das höchstwertigste Bit (MSB) auf „1" festgelegt wird.
• Die digitalen Werte aus dem SAR werden vom internen DAC in entsprechende analoge Werte umgewandelt.
• Die getestete Eingangsspannung wird mit der DAC-Ausgangsspannung verglichen.
  • Wenn die getestete Spannung > DAC-Ausgangsspannung → MSB = 1
  • Wenn die getestete Spannung < DAC-Ausgangsspannung → MSB = 0

Die digitale Umwandlung wird durch die Wiederholung des Betriebs bis LSB abgeschlossen.

Merkmale

• Umwandlung mit hoher Auflösung möglich (bis zu 18 Bit)
• Da eine Taktzeit erforderlich ist (Auflösung + α), ist die Umwandlungsgeschwindigkeit mäßig (max. Testfrequenz von 10 MHz)
• Gute Reaktion. Durch die Verbindung eines Multiplexers mit dem Eingang wird der Wechsel analoger Signale erleichtert.

Delta-Sigma-Modulation

Es finden eine Überabtastung eines analogen Signals und die Umwandlung in Low-Bit-Daten (d. h. 1 Bit), die der Amplitude des analogen Signals mit Delta-Sigma-Modulation entsprechen, statt. Dann wird die Umwandlung in ein digitales Signal mit der ursprünglichen Abtastrate abgeschlossen, indem die Daten gefiltert und unerwünschtes Rauschen mit einem digitalen Filter entfernt wird.

Überabtastung

Der Quantisierungsfehler wird verringert, indem mit einer höheren Frequenz als der ursprünglichen Abtastfrequenz abgetastet wird.

Delta-Sigma-Modulation

Die Differenz (Δ) zwischen der Ausgangsspannung des DA-Wandlers und der abgetasteten Spannung (durch Überabtastung) wird vom Integrator integriert (Σ). Dieser integrierte Wert wird dann durch Vergleich mit einer Referenzspannung mit Hilfe eines Komparators in Low-Bit-Daten umgewandelt.

Die Verzögerung der Ausgangsdaten um einen Abtastvorgang und ihre Rückführung zum Eingang ermöglicht eine Modulation, so dass der vom Komparator erzeugte Quantisierungsfehler im niedrigen Frequenzbereich kleiner und im hohen Frequenzbereich größer ist.

Die vom Delta-Sigma-Modulator ausgegebenen Low-Bit-Daten haben neben der ursprünglichen Signalkomponente eine große Quantisierungsfehlerkomponente im Hochfrequenzbereich. Da diese Komponenten jedoch frequenzmäßig getrennt sind und nur die Quantisierungsfehlerkomponente durch den digitalen Filter entfernt werden kann, lässt sich eine hohe Auflösung erzielen, die mit anderen Methoden nicht möglich ist.

Eigenschaften

• Höchste Auflösung unter den grundlegenden A/D-Wandlertypen (bis zu 32 Bits)
• Im Allgemeinen ist die Umwandlungsgeschwindigkeit langsamer als bei der sukzessiven Approximation.
• Die schlechte Reaktion ist ungeeignet für Anwendungen, bei denen ein Multiplexer an den Eingang angeschlossen wird, um analoge Signale mit hoher Geschwindigkeit zu schalten.