Analog-Digital-Wandler: Funktioniert, Typen, 7 Anwendungen

Inhalt

· Analog-Digital-Wandler (ADC)

· Funktionsprinzip eines Analog-Digital-Wandlers

· Elektrisches Symbol des Analog-Digital-Wandlers

· Arten von Analog-Digital-Wandlern und Erläuterungen

· Anwendungen von Analog-Digital-Wandlern

· Testen eines Analog-Digital-Wandlers

· Ein ADC-IC

Definition und Überblick über Analog-Digital-Wandler

Ein Analog-Digital-Wandler ist ein elektronisches Gerät. Wie der Name schon sagt, wird das zugeführte analoge Signal in ein digitales Signal umgewandelt, das am Ausgang erzeugt wird. Analoge Signale wie von einem Mikrofon aufgenommene Sprache können mit einem Analog-Digital-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt werden. 

Ein Analog-Digital-Wandler ist auch als ADC- und A / D-Wandler usw. bekannt.

Arbeiten eines Analog-Digital-Wandlers

Ein analoges Signal ist als zeitkontinuierliches und amplitudenkontinuierliches Signal definiert. Gleichzeitig wird ein digitales Signal als zeitdiskretes und amplitudendiskretes Signal definiert. Ein analoges Signal wird mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers in ein digitales Signal umgewandelt. Das Transformation hat mehrere Schritte, wie Sampling, Quantisierung und andere. Der Prozess ist nicht kontinuierlich; stattdessen ist es periodisch und begrenzt die zulässige Bandbreite des Eingangssignals.

Ein Analog-Digital-Wandler arbeitet auf Basis des Nyquist-Shannon Abtasttheorem. Es besagt, dass – ein Eingangssignal aus seinem abgetasteten Ausgang wiederhergestellt werden kann, wenn die Abtastrate zweimal größer oder gleich der höchsten im Eingangssignal vorhandenen Frequenzkomponente ist.

Es gibt verschiedene Parameter, um die Leistung eines Analog-Digital-Wandlers zu messen. Die Bandbreite des Ausgangssignals, das Signal-Rausch-Verhältnis sind einige der Parameter.

Elektrisches Symbol eines ADC

Das folgende Symbol steht für einen Analog-Digital-Wandler (ADC).

Arten von Analog-Digital-Wandlern

Die Umwandlung von analogen Eingangssignalen in digitale Signale kann durch verschiedene Prozesse erreicht werden. Lassen Sie uns einige davon besprechen Typen im Detail -

A. Flash-ADC

Der Flash-ADC ist als Analog-Digital-Wandler vom Typ Direktumwandlung bekannt. Es ist einer der schnellsten Arten von Analog-Digital-Wandlern. Es besteht aus einer Reihe von Komparatoren, wobei die invertierenden Anschlüsse an eine Spannungsteilerleiter angeschlossen sind und die nicht invertierenden Anschlüsse an das analoge Eingangssignal angeschlossen sind.

Wie die Schaltung zeigt, ist eine Leiter gut angepasster Widerstände mit einer Referenz- oder Schwellenspannung verbunden. Bei jedem Abgriff der Widerstandsleiter wird ein Komparator verwendet. Dann gibt es eine Verstärkungsstufe, und danach wird der Code als Binärwerte (0 und 1) erzeugt. Ein Verstärker wird ebenfalls verwendet. Der Verstärker verstärkt die Spannungsdifferenz von den Komparatoren und unterdrückt auch den Komparatorversatz.

Wenn die gemessene Spannung über der Schwellenspannung liegt, ist der Binärausgang eins, und wenn die gemessene Spannung kleiner als die Binärspannung ist, ist sie 0.

Kürzlich verbesserte ADCs werden mit digitalen Fehlerkorrektursystemen, Offsetkalibrierungen und einer kleineren Größe modifiziert. ADCs sind jetzt in integrierten Schaltkreisen (ICs) verfügbar.

Diese Art von Analog-Digital-Wandlern weist eine hohe Abtastrate auf. Somit hat es Anwendungen in Hochfrequenzgeräten. Einige davon sind die Erkennung mit Radargeräten, Breitbandfunkgeräten und verschiedenen Testgeräten. Der NAND-Flash-Speicher verwendet auch Analog-Digital-Wandler vom Flash-Typ, um bis zu 3 Bits in einer Zelle zu speichern.

Flash-ADCs haben die schnellste Betriebsgeschwindigkeit, sind einfach in den Schaltkreisen und die Konvertierung fällt statt nacheinander zusammen. Dies erfordert jedoch eine beträchtliche Anzahl von Vergleichen als verschiedene Arten von ADCs.

B. ADC vom sukzessiven Approximationstyp

Der ADC vom sukzessiven Approximationstyp ist ein anderer Typ eines Analog-Digital-Wandlers, der vor der Umwandlung in den digitalen Bereich eine binäre Suche durch Quantisierungspegel verwendet.

Der Gesamtprozess ist in verschiedene Teilprozesse unterteilt. Es gibt eine Ample-and-Hold-Schaltung, die den analogen Eingang Vin übernimmt. Dann gibt es eine Komparator, der die analoge Eingangsspannung vergleicht mit dem internen Digital-Analog-Wandler. Es gibt auch ein sukzessives Approximationsregister (SAR), das als Taktimpuls und Komparatordaten eingegeben wird.

Das SAR wird primär initialisiert, um das MSB (höchstwertiges Bit) auf logisch hoch oder 1 zu bringen. Dieser Code wird an den Digital-Analog-Umsetzer geliefert, der ferner das analoge Äquivalent zu liefert Komparatorschaltung mit dem abgetasteten analogen Eingangssignal verglichen. Wenn die Spannung größer als die Eingangsspannung ist, dann setzt der Komparator das Bit zurück. Ansonsten bleibt das Bit so wie es ist. Danach wird das nächste Bit auf eine digitale Eins gesetzt, und der gesamte Vorgang wird erneut durchgeführt, bis jedes Bit des Registers für schrittweise Annäherung getestet ist. Die endgültige Ausgabe ist die digitale Version des analogen Eingangssignals.

Es gibt zwei Arten von Analog-Digital-Wandlern mit sukzessiver Approximation. Sie sind - Zählertyp und Servo-Tracking-Typ.

Diese ADC-Typen liefern die genauesten Ergebnisse als andere ADC-Typen.

C. Typ ADC integrieren

Wie der Name schon sagt, wandelt diese Art von ADCs ein zeitkontinuierliches und kontinuierliches Amplituden-Eingangsanalogsignal in ein digitales Signal um, wobei ein Integrator (ein Integrator) verwendet wird, um ein an Operationsverstärker das ein übliches Eingangssignal nimmt und ein zeitintegriertes Ausgangssignal liefert).

Eine nicht identifizierte analoge Eingangsspannung wird am Eingangsanschluss angelegt und für eine bestimmte Zeitspanne, die als Hochlaufzeit bezeichnet wird, hochgefahren. Eine vorbestimmte Referenzspannung entgegengesetzter Polarität wird dann an die Integratorschaltung angelegt. Dies darf auch so lange ansteigen, bis der Integrator den Ausgang als Null angibt. Diese Zeit wird als Ablaufzeit bezeichnet.

Die Ablaufzeit wird im Allgemeinen in Einheiten der ADC-Uhr gemessen. Eine längere Integrationszeit führt also zu einer höheren Auflösung. Die Geschwindigkeit dieses Konvertertyps kann durch Kompromisse bei der Lösung verbessert werden.

Da Geschwindigkeit und Auflösung umgekehrt proportional sind, findet dieser Wandlertyp keine digitalen Signalverarbeitungs- oder Audioverarbeitungsanwendungen. Vorzugsweise werden sie in digitalen Messgeräten (Amperemeter, Voltmeter usw.) und anderen Instrumenten verwendet, bei denen eine hohe Genauigkeit entscheidend ist.

Bei dieser Art von ADCs gibt es zwei Arten: Analog-Digital-Wandler mit Ladungsausgleich und ADC mit doppelter Steigung.

D. Wilkinson ADC

- DH Wilkinson entwarf diese Art von Analog-Digital-Wandler erstmals im Jahr 1950.

Zunächst wird der Kondensator aufgeladen. Ein Komparator prüft diesen Zustand. Nachdem der angegebene Pegel erreicht ist, beginnt der Kondensator nun linear zu entladen und erzeugt ein Rampensignal. In der Zwischenzeit wird auch ein Gate-Impuls ausgelöst. Der Gate-Impuls bleibt für den Rest der Zeit eingeschaltet, während sich der Kondensator entlädt. Dieser Gate-Impuls betreibt ferner ein lineares Gate, das ferner Eingaben von einem hochfrequenten Oszillatortakt empfängt. Wenn nun der Gate-Impuls eingeschaltet ist, werden mehrere Taktimpulse vom Adressregister gezählt.

E. Zeitdehnung Analog-Digital-Wandler (TS-ADC):

Diese Art von Analog-Digital-Wandler basiert auf einer kombinierten Technologie aus Elektronik und anderen Technologien.

Es kann ein Signal mit sehr hoher Bandbreite digitalisieren, das mit einem normalen ADC nicht möglich ist. Dies wird oft als "Photonic Time Stretch Digitizer" bezeichnet.

Es ist nicht nur analog zu digital, sondern wird auch für Echtzeitgeräte mit hohem Durchsatz wie Bildgebung und Spektroskopie verwendet.

Es gibt verschiedene andere Arten von anderen Analog-Digital-Wandlern.

• Der Delta-codierte ADC
• Der Pipeline-ADC,
• Der Sigma-Delta-ADC,
• Die zeitverschachtelten ADCs usw.

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Anwendungen von ADC

Der Analog-Digital-Wandler ist eines der wichtigsten elektronischen Geräte der heutigen Zeit. Dies ist eine Ära der Digitalisierung, aber unsere Welt ist in Echtzeit analog. Das Konvertieren von analogen Daten im digitalen Bereich ist das Gebot dieser Stunde. Deshalb sind sie so wichtig. Einige der wichtigsten Anwendungen eines ADC sind - 

A. Digitale Signalverarbeitung

– Analog-Digital-Wandler sind unerlässlich, um Daten aus dem analogen Bereich in den digitalen Bereich zu bearbeiten, zu modifizieren, zu verarbeiten, zu speichern und zu transportieren. Mikrocontroller, digitale Oszilloskope und kritische Software finden in diesem Bereich Anwendung. Geräte wie digitale Oszilloskope kann Wellenformen für die spätere Verwendung speichern, während ein analoges Oszilloskop dies nicht kann.

B. Mikrocontroller

- Mikrocontroller machen ein Gerät intelligent. Derzeit verfügen fast alle Mikrocontroller über Analog-Digital-Wandler. Das häufigste Beispiel ist das Arduino. (Es basiert auf einem ATMega328p-Mikrocontroller.) Der Arduino bietet eine nützliche Funktion von 'analogRead ()', die analoge Eingangssignale aufnimmt und vom ADC erzeugte digitale Daten zurückgibt.

C. Wissenschaftliche Instrumente

- ADCs sind nützlich, um verschiedene notwendige elektronische Instrumente und Systeme herzustellen. Ein Beispiel ist die digitale Bildgebung zur Digitalisierung von Pixeln, Radartechnologien und vielen Fernerkundungssystemen. Geräte wie Sensoren erzeugen ein analoges Signal zur Messung von Temperatur, Lichtintensität, Lichtempfindlichkeit, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, pH-Wert einer Lösung usw. Alle diese analogen Eingänge werden vom ADC konvertiert, um einen proportionalen digitalen Ausgang zu erzeugen.

D. Audioverarbeitung:

-ADC hat eine wichtige Anwendung im Bereich der Audioverarbeitung. Die Digitalisierung von Musik verbessert die Musikqualität. Analoge Stimmen werden über Mikrofone aufgenommen. Dann werden sie mithilfe eines ADC in digitalen Plattformen gespeichert. Viele Melodien werden in Aufnahmestudios aufgenommen PCM oder DSD-Formate und dann für digitale Audioproduktionen heruntergesampelt. Sie werden für die Ausstrahlung in Fernsehen und Radio verwendet.

Testen eines Analog-Digital-Wandlers

Um einen Analog-Digital-Wandler zu testen, benötigen wir zunächst eine analoge Eingangsspannungsquelle und elektronische Geräte, um Signale zu senden und zu steuern und die digitalen Ausgangsdaten zu empfangen. Einige der ADCs benötigen auch eine Referenzsignalquelle. Es gibt einige Parameter zum Testen eines ADC.

Einige von ihnen sind -

• Signal-Rausch-Verhältnis (SNR),
• Total Harmonic Distortion (THD),
• Integrale Nichtlinearität (INL),
• DC-Offset-Fehler,
• DC-Verstärkungsfehler,
• Verlustleistung usw.

ADC-IC

ADCs sind als ICs auf dem Markt erhältlich. Einige der häufig verwendeten ADC-ICs sind ADC0808, ADC0804, MPC3008, usw. Sie finden Anwendungen in Geräten wie Rasberry pi und anderen Prozessoren oder Digitale Elektronik Schaltungen, wo ein ADC benötigt wird.

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Sudipta Roy

Hallo, ich bin Sudipta Roy. Ich habe einen B. Tech in Elektronik gemacht. Ich bin ein Elektronik-Enthusiast und widme mich derzeit dem Bereich Elektronik und Kommunikation. Ich habe großes Interesse an der Erforschung moderner Technologien wie KI und maschinellem Lernen. Mein Ziel ist es, allen Lernenden genaue und aktuelle Daten zur Verfügung zu stellen. Es macht mir große Freude, jemandem beim Wissenserwerb zu helfen.
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