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A/D-Wandler Grundkonfiguration

Flash-Methode

Diese Art von ADC verwendet 2N-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 2N-1 erforderlich) beschränken die Auflösung auf ungefähr 8 Bits.
A/D-Wandler – Konfiguration 1
(Flash-Typ)

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.

Basic Bipolar-Typ – A/D-Wandler-Konfiguration
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.

Grundlegende Konfiguration eines Wandlers vom Successive Approximation-Typ Aufeinanderfolgender Vergleich (klein/groß)
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.

ΔΣ-Methode

Nach der Überabtastung des analogen Signals wird dieses durch ΔΣ-Modulation in eine Reihe von Pulsen umgewandelt, die den Amplituden des analogen Signals entsprechen. Die Umwandlung in digitale Signale zur ursprünglichen Testrate wird abgeschlossen, indem mit einem digitalen Filter Daten gefiltert und bandexterne Geräusche entfernt werden.

Überabtastung

Der Quantifizierungsfehler wird durch das Testen mit einer höheren Rate als der ursprünglichen Testfrequenz reduziert.

Testfrequenz

Δ Σ-Modulation

Der Unterschied (Δ) zwischen der DAC-Ausgangsspannung und der getesteten Spannung (durch Überabtastung) wird mithilfe eines Integrators summiert. Die getesteten Werte werden dann in eine Reihe von Pulsen umgewandelt, indem sie mithilfe eines Komparators mit einer Referenzspannung verglichen werden.
Die Ausgangspulse werden zurück in den Eingang geleitet (was um eine Testoperation verzögert geschieht), wodurch der Quantifizierungsfehler, der am Komparator im Tieffrequenzbereich generiert wurde, reduziert wird. Hierfür ist eine Modulation nötig, damit dieser bei höheren Frequenzen größer wird.

ΔΣ-Modulations-Image

Der Pulsreihenausgang aus dem ΔΣ-Modulator zeigt neben der ursprünglichen Signalkomponente häufig eine große Quantifizierungsfehlerkomponente im Hochfrequenzbereich. Da diese Komponenten in der Frequenz getrennt sind, ist es leichter, nur die Quantifizierungsfehlerkomponente mithilfe eines digitalen Filters zu entfernen und eine höhere Auflösung zu erreichen als mit anderen Methoden.

Merkmale
  • Gehört zu den A/D-Wandlern mit der höchsten Auflösung (bis zu 24 Bit)
  • Relativ niedrige Umwandlungsgeschwindigkeit (max. Testfrequenz von 200 kHz)
  • Ist wegen der schlechten Reaktionszeit nicht geeignet für Anwendungen, die einen Multiplexer mit dem Eingang verbinden, um zwischen analogen Signalquellen wechseln zu können.
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