Messtechnik (Fach) / A/D und D/A Wandler (Lektion)

Verfahren der A/D- und D/A-Umsetzung

Diese Lektion wurde von AndreKarl erstellt.

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• Welche Funktion erfüllt ein A/D-Umsetzter und welche Schritte sind hierfür nötig? Ein A/D-Umsetzer wandelt analoge Eingangsspannung in Entsprechende digitale Ausgangsspannung bzw. eine proportionale Digitalzahl um. Hierzu ist die Abtastung, Quantisierung und Codierung des Analogsignals erforderlich.
• Was versteht man unter der Auflösung eines A/D-Umsetzers und wie wird diese üblicherweise angegeben? Die Auflösung eines A/D-Wandlers gibt an, wie groß Änderungen der Analogespannung mindestens sein müssen, um eine Binärcoderveränderung zu bewirken. Sie wird meist durch die Anzahl der Bits oder in Prozent angegeben.
• Wodurch zeichent sich der A/D-Umsetzer nach der Parallelvergleichsmethode aus und mit welcher schaltungstechnischen Maßnahme wird das erreicht? Flash-Wandler zeichnen sich durch die hohe Wandlungsgeschwindigkeit aus. Dies wird durch den gleichzetigen Vergleich der analogen Eingangsspannung mit mehreren Referenzspannungswerten (parallel geschalteten Komparatoren) erreicht.
• Vergleichen Sie einen Flash-Wandler mit einem A/D-Umsetzer nach dem Wägeverfahren bezüglich Flächenbedarf und Verlustleistung. Der Flash-Wandler benötigt deutlich mehr Komparatoren als ein SAR-Wandler. Dies bedeutet zugleich eine größere Chipfläche und eine höhere Verlustleistung.
• Welche Wandlungsprinzipien kombiniert ein Zweistufen-Umsetzer und welche Wandlungsgeschwindigkeit ergibt sich im Vergleich zu Flash- und SAR-Wandlern? Der Zweistufen-Umsetzer stellt eine Kombination des Parallelverahrens und des Wägeverfahrens dar. Dadurch werden Wandlungsgeschwindigkeiten erreicht, welche über denen des SAR-Wandlers und unter denen des Flash-Wandlers liegen.
• Wodurch zeichnen sich Pipeline-Umsetzer aus? Pipeline-Umsetzer stellen eine gute Kombination von Baugröße, Auflösung, Geschwindigkeit, Leistungsverbrauch und Entwurfsaufwand dar. Sie zeichnen sich durch eine relativ hohe Auflösung bei gleichzeitigen guten Rausch- und Dynamikeigenschaften aus.
• Welche Nachteile haben Pipeline-Wandler und was bedeutet in diesem Zusammenhang die Datenblattangabe "data latency=3,5 clock cycles"? Pipeline-Wandler haben systembedingt eine Verzögerungszeit, welche als "pipeline delay" oder "data latency"" mit der Einheit "Taktzyklen" ("clock cyckles") bezeichnet wird. Die Angabe "3,5 clock cycles" bedeutet, dass der zeitliche Versatz zwischen Abtastzeitpunkt und fertigem Wandlungsergebnis 3,5 Taktzyklen beträgt.
• Wie unterscheiden sich Flash-Wandler und Pipeline-Wandler hinsichtlich ihres praktisch erreichbaren Durchsatzes? Der erreichbare Durchsatz von Pipeline-Wandlern ist relativ hoch und liegt theoretisch etwa bei den Werten von Flash-Wandlern. Praktisch ist das bedingt durch die hohen Anforderungen an die Verstärker der Stufen nicht erreichbar.
• Worauf basiert die Funktionsweise eines A/D-Umsetzers nach der Zählmethode? Die Funktionsweise eine A/D-Umsetzers nach der Zählpunktmethode beruht auf einem Abzählen, wie oft die Referenzspannung addiert werden muss, um die Eingangsspannug zu erhalten.
• Welche Eigenschaften weist ein Zwei-Rampen-Umsetzer auf und welchen Nachteil besitzt er im Vergleich zu einem Flash- und einem SAR-Wandler? Dual-Slope-Wandler zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau, hohe Genauigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber Störsignalen aus. Ihr Nachteil gegenüber Flash- und SAR-Wandlern ist in der längeren Umsetzungszeit zu sehen.
• Wie erfolgt die A/D-Umsetzung im Kompensationsverfahren? Beim A/D-Umsetzer nach dem Kompensationsverfahren wird die analoge Eingangsspannung mit der Ausgangsspannung eines D/A-Umsetzers verglichen, dessen Ansteurung durch einen Auf-/Abwärts-Zähler erfolgt.
• Welcher A/D-Umsetzer wandelt die Eingangsspannung in eine Folge von Rechteckpulsen, deren Frequenz proportional dem Mittelwert der Eingangsspannung ist, um? Der Ladungsbilanz-Umsetzer bzw. Spannungs-Frequenz-Wandler.
• Warum bezeichnet man den Sigma-Delta-A/D-Wandler auch als Oversampling-Wandler und welche Bedeutung hat in diesem Zusammenhabng die Datenblattangabe "decimation rate= 128x"? Sigma-Delta-A/D-Wandler können am Ausgang die digitalen Ergebnisse mit der nach dem Abtasttheorem nötigen Frequenz zur Verfügung stellen und dabei das Eingangssignal mit einer deutlich höheren Frequenz abtasten. Deshalb nennt man sie auch Oversampling-Wandler. In diesem Zusammenhang bedeutet die Angabe "decimation rate = 128x", dass die Signalabtastung mit einer um den Faktor 128 größeren Frequenz der  n bit-Ausgangsworte ist.
• Nennen Sie die Vorteile und Anwendungen des Sigma-Delta-A/D-Wandlers. Die wesentlichen Vorteile des Sigma-Delta-A/D-Wandlers sind die Unterdrückung von Rausch- und Störsignalen, eine gewissse Flexibilität hinsichtlich Auflösung und Ausgangssignalfrequenz sowie die geringe Nichtlinearität. Sie eignen sich für niederfrequente Anwendungen, welche hohe Aulösungen und gutes Rausch- bzw. Störsignalverhalten erfordern. hierzu gehören z.B. die Kommunikationstechnik, die Präzisions- und Energiemesstechnik, die Sensorsignalverarbeitung, die Motorkontroll- und steuerungstechnik, Prozesskontrollsysteme sowie der digitale Video- und Audiobereich.
• Nennen Sie die wichtigsten statischen Fehler eines A/D-Umsetzters und geben Sie jeweils kurz deren Bedeutung bzw. wesentliche Kennzeichen an. wichtige statische Fehler: Quantisierungs-, Verstärkungs- und Offsetfehler sowie differentieller und integraler Linearitätsfehler. Der Quantisierungsfehler ist ein systematischer, stets vorhandener Fehler, welcher infolge der begrenzten Auflösung entsteht. Beim differentillen Linearitätsfehler liegt eine Abweichung der tatsächlichen Größe des Quantums von dessen Sollwert vor. Der Verstärkungsfehler gibt die Abweichung der Steigung der tatsächlichen Übertragungskennlinie gegenüber dem Nullpunkt. Offset- und Verstärkungsfehler lassen sich meist auf vernachlässigbare Werte reduzieren, deutlich aufwendiger ist das bei ihrem Temperaturkoeffizienten. Der integrale Linearitätsfehler entsteht durch nicht gleich breite Quantisierungsstufen und gibt die über den gesamten Eingangsspanungsbereich maximal vorhandene Abweichung der realen Übertragungsfunktion von der idealen Transferfunktion an. Linearitätsfehler lassen sich nicht vermeiden.
• Wie hängen SNR und die Auflösung eines A/D-Wandler zusammen? Mit zunehmender Auflösung sinkt SNR um 6 dB je Bit. Zeigt also ein A/D-Wandler eine vegleichsweise gutes Rauschverhalten (Sigma-Delta-Wandler), so lassen sich relativ hohe Auflösungen erreichen.
• Worin unterscheiden sich SNR und SINAD? SNR berücksichtigt nur den Quantisierungsfehler, während SINAD auch sonstige Verzerrungen einbezieht. Für einen idealen A/D-Wandler, bei dem es nur einen Quantisierungsfehler gibt, sind beide Größen gleich.
• Was bedeutet ENOB? ENOB gibt die efektive Auflösung eines realen A/D-Wandlers an und besagt, dass sich der reale Wandler verhält wie ein idealer Wandler mit der Anzahl Bits, die gleich ENOB ist.
• Welche grundsätzliche Funktion hat ein D/A-Wandler und welche Beziehung besteht zwischen der jeweils möglichen Zahl der Aus- und Eingangssignalwerte? Ein D/A-Wandler setzt eine Digitalzahl in eine ihr proportionale Ausgangsgröße um, wobei jeder einzelne eingangscode zu genau einem diskreten, analogen Ausgangswert führt.
• Aus welchen Komponenten besteht im wesentlichen ein direkter D/A-Umsetzer? Ein direkter D/A-Umsetzer besteht im wesentliche aus den Komponenten: Steuer- bzw Schaltlogik, elektronische Schalteranordnung, Schaltnetzwerk, Referenzspannung und Ausgangsstufe.
• Was sind "String-DAC´s" und welche positive Eigenschaften haben diese? "String DAC´s" sind D/A-Wandler mit Kelvin-Spannungsteiler. Dieser besteht aus gleichen Widerständen und liegt an der Referenzspannung. Über einen Decoder wird die dem Eingangscode entsprechende analoge Spannung an den Ausgang geschaltet. Neben Ausführungen mit einem Widerstandszweig gibt es auch Realisierungen mit zwei Spannungsteilern und man nennt diese dann "segmented string DAC" oder "segmented voltage DAC". Zu den positiven Eigenschafte gehören ein einfacher aufbau, gutes Glitchverhalten und die Monotonie.
• Was ist ein R/2R- Leiternetzwerk und welche positiven Eigenschaften weist es auf? Ein R/2R-Leiternetzwerk ist ein aus nur zwei unterschiedlichen Widerstandswerten bestehender Kettenleiter. Dadurch ist die Realisierung enger Toleranzen bei geringem Temperaturdrift sowie ein sehr gutes DNL- und INL- Verhalten möglich.
• Wo findet das R/2R-Leiternetzwerk Anwendung? Das R/2R-Leiternetzwerk wird z.B. in D/A-Umsetzern für industrieelle Bereiche, bei multiplizierenden D/A-Wandlern, als Bestandteil von SAR-A/D-Umsetzern und in D/A-Wandlern mit gewichteten sowie ungewichteten Stromquellen eingesetzt.
• Welche Möglichkeiten zur Erzeugung binär gewichteter Ströme bei D/A-Umsetzern mit Schaltungsteilern in Bipolartechnologie kennen Sie? Binär gewichtete Ströme können bei D/A-Umsetzern mit Schaltungsteilen in Bipolartechnologie mit gewichteten Transistorstromquellen und einem R/2R-Leiternetzwerk oder mit gleich gewichteten Transistorstromquellen, welche ein R/2R-Leiternetzwerk speisen, erzeugt werden.

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