Torsten Krämer
Berufsbildende Schule G+T
Inf 91
Trier
1994
Inhaltsverzeichnis |
In der elektrischen Messtechnik werden sehr oft analoge Grössen wie z.B. Spannung, Widerstand, Temperatur, Gewicht usw. gemessen.
Die anfallenden Messdaten werden dann aber oft in digitaler Form zur Weiterverarbeitung benötigt. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn Sie mit Computern veranschaulicht, gespeichert oder übertragen werden sollen. Um diese analogen Grössen in einem Zahlenwert zu wandeln benötigt man Analog-Digital-Wandler.
Werden allerdings mit digitalen Steuerungen z.B. Computer, SPS usw. Maschinen gesteuert (Drehzahlregelung) so benötigt man Digital-Analog-Wandler, die die errechnetetn Zahlenwerte in eine analoge Spannung umsetzen.
Zum Steuern analoger Regelkreise mit digitalen Steuerungen, oder Meßsytstemen müssen die gigitalen Daten in analoge Größen, meist Spannung umgesetzt werden. Dies ist die Aufgabe der Digital-Analog-Wandler.
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| Schaltzeichen DIN 40900 |
Eine wichtige Größe eines D/A-Wandlers ist die Auflösung. Sie gibt
an wieviel Stufen die maximale Ausgangsspannung eingeteilt ist. Je
größer die Auflösung, desto genauer kann der Eingangswert in die
Ausgangsspannung gewandelt werden.
Beispiel:
Ein acht Bit D/A-Wandler kann am Ausgang maximal 5V liefern. Wie groß
ist die Auflösung des Wandlers?
Lösung: acht Bit entspricht 256 Zahlenwerte von 0-255
Auflösung=5V / 255=20mV
Um die digitalen Eingangssignale in eine Spannung umzusetzen gibt es verschiedene Möglichkeiten. Das Prinzip der Wandlungsverfahren bei D/A-Wandlern bleibt erhalten.
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Schaltungserklärung
Diese Schaltung besteht aus einem OP, der als Summierverstärker geschaltet ist. Er besitzt vier Eingänge an denen je ein Digitalsignal ansteht. Da die Eingänge verschiedene wertigkeiten haben, müssen die Eingangswiderstände in bestimmten Verhältnissen zueinander stehen. Um den Eingang 8, also der Eingang mit der Wertigkeit, als höchstwertigsten zu beschalten, muß sein Widerstand am kleinsten sein (R), da die gleiche Spannung am Eingang 8 einen doppelt so großen Stromfluß zur Folge haben muß als am Eingang 4.
Somit müssen die Widerstände umgekehrt verhältnisgleich der
Wertigkeit der Eingänge groß sein. Durch den OP wird die Summe der
Ströme gebildet (max. 23), verstärkt und am Ausgang steht die
analoge Spannung an.
Vorteil:
- einfacher Aufbau
Nachteil:
- die Widerstände müssen sehr genau sein keine optimale Linearität, da die Last gegenüber dem
Eingangssignal nicht konstant ist
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Schaltungserklärung
Bei dieser Schaltung handelt es sich auch um einen OP, der als
Addierer geschaltet ist. Der Unterschied zu dieser Schaltung besteht
darin, das über ein R-2R Netzwerk eine Referenzspannungsquelle in
mehrere Spannungen geteilt wird und zwar immer jeweils um die
Hälfte. Durch die Gleichheit der 2R Widerstände fließt somit ein
Strom, der auch jeweils nach jeder R-2R Stufe auf die Hälfte
sinkt.
Vorteil:
- Die Referenzspannungsquelle wird immer gleich belastet
- für diese Schaltung sind immer nur zwei Sorten Widerstände,
die das R-2R Netzwerk darstellen, notwendig. Dieses netzwerk gibt es
auch als kompaktes Bauelement
Überall dort wo analoge Größen mit digitalen Geräten zu verarbeiten sind, kommt der D/A Wandler zum Einsatz.
Dabei unterscheidet man zwei Gruppen:
- Momentanwert Umsetzer
- Integrierende Umsetzer
Bei den Momentanwert-Umsetzern wird während eines bestimmten Zeitpunktes der Spannungswert am Eingang in einen digitalen Wert umgewandelt, während bei den Integrierenden Umsetzern der mittlere Wert einer analogen Spannung in einem bestimmten Zeitabschnitt gebildet wird, und dieser Wert in eine digitale Form gebracht wird.
Weiterer Unterschied der beiden gruppen besteht in der Wandlungszeit. Die Momentanwert-Umsetzer sind schneller, da sie nicht einen Zeitabschnitt warten müßen um dann den Mittelwert digital umzuformen. Allerdings haben die integrierenden Wandler den Vorteil, daß sie nicht so empfindlich gegen Spannungsspitzen am Eingang sind. So kann eine ungewollte Spannungsspitze gerade auftreten, wenn eine Messung abläuft und das Meßergebnis ist um ein vielfaches verfälscht.
Einige A/D Wandlungsverfahren werden mit Hilfe eines D/A Wandlers realisiert. Die folgenden drei Verfahren ähneln sich im Aufbau sehr. Sie bestehn hauptsächlich aus einem D/A Wandler, Komparator und einer Steuerlogik. Die Unterschiede der verfahren bestehen viel mehr an der Arbeitsweise der Steuerlogik, was sich bei der Wandlungszeit bemerkbar macht.
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Schaltungserklärung
Ist größer wird FF1 gesetzt und Q führt ein High-Signal. Durch eine Torschaltung kann jetzt der vom Taktgenerator erzeugte Takt an den Clockeingang des Zählers gegeben werden. Die Frequenz des Taktes muß dabei größer als die des Eingangssignals sein. Der Zähler zählt jetzt vorwärts. Da die Ausgänge des Zählers an den D/A Wandler gehen erscheint am Ausgang des Wandlers eine ansteigende Spannung.
Überwiegt nun die Spannung am D/A Ausgang der Eingangsspannung, so liegt am Ausgang des Komparators volle Betriebsspannung (High). Durch dieses Signal wird FF1 zurückgesetzt und der Takt zum Zähler wird durch die Torschaltung gesperrt. Der Zähler hört auf zu zählen und die nun im Augenblick anstehenden Daten D0 bis D7 werden gespeichert. ändert sich nun die Spannung Uein, so beginnt dieser Ablauf von neuem, da der Ausgang des Komparators wieder "Low"-Signal führt.
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Schaltungserklärung
Diese Schaltung funktioniert ähnlich wie die der Zählverfahren. Auch hier wird über einen Komparator die Eingangspannung mit der Spannung Uda verglichen. Die Spannung Uda sieht hierbei nicht stufenweise steigend, sondern scheinbar unregelmässig aus. Dies liegt dara, das die Ansteuerung der Eingänge des D/A Wandlers über eine andere Logik passiert, einer sogenannten SUKZESSIVEN APPROXIMATION.
Dies bedeutet übersetzt soviel wie stufenweises Annähern. Diese Logik setzt als erstes das höchstwertige Bit auf log. 1 (Bit7. Nun wird über den Komparator die Spannung Uein und die des D/A Wandlers verglichen.
Ist die Spannung Uda nun zu klein, so setzt er das zweithöchstwertige Bit (Bit6) auf "1". Ist dies zu viel, so wird Bit6 auf "0" und Bit5 auf "1" gelegt usw. Das heisst, das bei der Sukzessiven Aproximation immer mit dem höherwertigsten Bit angefangen wird. Ist der Wert zu gross wird nur das darunterliegende Bit auf "1" gelegt, ist der Wert zu klein wird das darunterliegende Bit zusätzlich auf "1" gelegt.
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Schaltungserklärung
Das Nachlaufverfahren ist eine Variante des Zählverfahrens. Hierbei zählt der Zähler nicht nur vorwärts sondern auch rückwärts.
über einen Fensterkomparator wird der Eingang mit der D/A Spannung verglichen. Liegt diese mindestens 0.5 LSB /footnoteLSB=Lowest Signifted Bit (niederwertigstes Bit über der Eingangsspannung, so liefrt der Fensterkomparator am Ausgang "grösser" ein "1" Signal, das für den Zähler ein rückwärtszählen bedeutet. Umgekehrt, wenn Uda min. 0.5 LSB unter Uein liegt liefert der Komparator am Ausgang "kleiner" ein "1" Signal und der Zähler zählt vor. Sind Uein und Uda gleich so bleibt der Zähler stehen und die Bitkombination wird gespeichert.
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Zur A/D Wandlung gibt es noch andere Verfahren. Die folgenden zwei Verfahren gehören zu der Gruppe der integrierenden Umsetzer.
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Schaltungserklärung
Bei diesem Verfahren wird die Eingangsspannung mittels VCO in eine dazu verhältnisgleiche Frequenz umgewandelt. über einen Taktgenerator der über einen Frequenzteiler geteilt wird, wird die Messzeit bestimmt. Über eine Torschaltung wird nun während der Messzeit die zur Eingangsspannung proportionalen Impulse freigegeben. Die Anzahl der Impulse sind ein direktes Mass für die Spannung, wenn die Frequenz der Zeitbasis auf die Frequenz des VCO, oder umgekehrt abgestimmt ist. Diese Impulse werden dann gezählt und weiterverarbeitet (7-Segment-Anzeige).
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Schaltungserklärung
Der Kondensator des Integrierers wird während der konstanten Zeit t1 des Verzögerungsgliedes mit der Messspannung aufgeladen. Die nun am Kondensator anstehende Spannung entspricht dem Mittelwert der Messspannung dieses Zeitraumes. Nun wird der Kondensator mit der Vergleichsspannung entladen. Da die Entladezeit proportional der Aufladespannung ist, ist sie ein direktes Mass für die Messspannung.
Während des Entladens des Kondensators werden über eine Torschaltung die Zählimpulse zum Zähler weitergegeben. Ist der Kondensator entladen führt der Ausgang des Integrierers ,,0`` und der Takt wird gesperrt. Der Zählerstand entspricht nun dem Digitalwert der Messspannung. Wird der Messvorgang wiederholt, wird der Zähler zurück gesetzt und der Kondensator lädt sich wieder auf.
Der Kondensator wird bei diesem Verfahren auf und entladen um die Genauigkeit des Wandlers zu erhöhen, da der Integrierer die Unlinearität des Lade- und Entladevorgangs aufhebt.
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Schaltungsbeschreibung
Bei dieser Schaltung wird ständig eine Sägezahnspannung mit 0V und Uein verglichen. Ist die Sägezahnspannung 0V, so wird das Flip-Flop gesetzt, und durch die Torschaltung wird ein Takt freigegeben und der Zähler läuft.
Nun steigt die Sägezahnspannung kontinuirlich an und sobald sie den Wert der Eingangsspannung erreicht hat wird das Flip-Flop zurückgesetzt (Q=0). Der Takt wird gesperrt und der Zähler hält an. Der Zählerstand entspricht dem Wert der Eingangsspannung, der jetzt gespeichert werden kann.
Vorteil dieser Schaltung ist, das auch ohne grossen Azfwand negative Spannungen gewandelt werden können. Ein Zusatzbit am Ausgang kann die Negativität ausdrücken.
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Schaltungsbeschreibung
Dieses Wandlungsverfahren gehört zu der Gruppe der parallelen Wandler. Bei der dargestellten Schaltung wird ein 3 Bit A/D Wandler mit Hilfe von Komparatoren aufgebaut. Hierbei wird die Eingangsspannung ständig mit 7 verschiedenen und gleichmässig abgestuften Spannungen verglichen. An den Ausgängen der Komparatoren tritt eine positive Spannung auf, sobald die Eingangsspannung grösser als die anliegenden Refernzspannung ist. Über eine Logik werden die Ausgänge dann passend zu den Digitalausgängen zugewiesen.
Ein grosser Vorteil dieser Schaltung ist, dass die Eingangsspannung direkt gewandelt wird (direkter Wandler). So erhält man am Ausgang immer die gewandelte Eingangsspannung, während bei anderen Wandlern erst eine Messzeit abläuft.
Nachteil ist, dass Wandler mit höherer Auflösung z.B. 8-Bit Wandler für jeden Zahlenwert ein Komparator brauchen also 255. Dies ist sehr teuer.
[1] Fachkunde Informations- und Industrieelektronik Europa Verlags
Europa-Nr.:32319
[2] Hübscher, Szapanski Fachbildung Kommunikationselektronik 1,
Westermann-Verlag ISBN 3-14-221230-2
[3] Digitaltechnik Vogel-Verlag
[4] Einführung in die Digitaltechnik VGS
[5] Programmierung
eines LINUX-Gerätetreibers für eine A/D-Wandlerkarte von
Fred-Dieter Nicklisch http://www.comnets.rwth-aachen.de/~bert/studiena/