Überabtastung und Delta Sigma Wandler Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 1 Inhalt 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. ADC Verfahren Überabtastung Sigma Delta ADC Filterung und Verbesserung Sigma Delta DAC Anwendung Fazit Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 2 Flash-Wandler • Die Eingangsspannung Ux wird mit der Referenzspannung Uref verglichen • Vorteile/Nachteile + Schnell Teuer 2n-1 Komparatoren • Einsatz z.B. in der Videoverarbeitung oder Digitalen Oszilloskopen Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 3 Sukzessive Aproximation • Stufenweise Annäherung • halbe Schrittweite des letzten Schritts nach oben oder nach unten • Pro Takt wird ein Bit umgesetzt Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 4 Sukzessive Aproximation Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 5 Single- / Dual Slope • Ur des Sägezahngenerators wird über 2 Komparatoren mit dem Massepotenzial und der Eingangspannung verglichen • der Zählerstand des Oszillators ist proportional zur Höhe der Eingangspannung. • Einsatz z.B. in Multimetern Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 6 Pulse Code Modulation • analoge Signale in binären Code umwandelt. • PCM-Signale lassen sich einfach speichern, verarbeiten und übertragen. Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 7 Differential Pulse Code Modulation • Der Differenzbetrag von zwei aufeinander folgenden Abtastwerten wird codiert • Datenreduktion Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 8 Deltamodulation • Bei der Deltamodulation wird das analoge Signal in gleichmäßigen Abständen abgetastet • Der Abtastwert wird mit dem vorherigen verglichen • Zweiter Abtastwert größer: 1 • Zweiter Abtastwert kleiner: 0 • höhere Abtastfrequenz als bei der Pulscodemodulation • Für n Bits um Faktor 2n höher als minimale Abtastfrequenz Slope-Overload-Verzerrung Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 9 Überabtastung • Verbesserung der Auflösung durch Erhöhung der Bits-> Grenze -> 4 x Überabtastung führt zu einer Verbesserung der SNR um 6 dB (1Bit) -> Signal: 10kHz Auflösung: 8 Bit Abtastung: 10kHz ∙ 48 = 655,360 𝑘𝐻𝑧 Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 10 Überabtastung • Signal wird mit höheren Abtastraten abgetastet als benötigt. • Filter mit hoher Flankensteilheit Phasenverschiebungen im oberen Frequenzbereich • Überabtastung Filter mit geringerer Flankensteilheit einsetzbar • Durch Überabtastung wird das Signal geglättet höhere Abtastrate mehr Zwischenwerte Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 11 Überabtastung • Verteilen der Rauschenergie über ein breiteres Frequenzspektrum Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 12 Delta-Sigma-Modulation • • • • • • eine Form der Analog-Digital-Umsetzung oder Digital-Analog-Umsetzung Auflösung von 16-24 Bit Hohes Signalrauschverhältnis (SNR) : 94 bis 115 dB Bitstream: eine Folge von Nullen und Einsen (Binärcode) Mittelwert des Bitstreams entspricht dem Wert des Eingangssignals Tiefpassfilter: Erzeugen des Ausgangssignals mittels des Bitstreams (Mittelwertbildung) Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 13 Bitstream eines analogen Eingangssignals Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 14 Delta-Sigma-Modulator eines Delta-Sigma-ADC • Überabtastung • Sample-Hold-Glied fällt weg • Anforderungen an Anti-Aliasing Filter sind geringer (geringere Flankensteilheit) • Erzeugen des Bitstreams • Noise-Shaping Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 15 Übertragungsfunktion des ∆∑-Modulators (ADC) signal transfer function (delay) z^-1 noise transfer function(differentiator) 1-z^-1 Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 16 Noiseshaping • Integrator und Rückkopplung des Delta-Sigma-Modulators wirken als • Tiefpassfilter für Eingangssignal • Hochpassfilter für Rauschsignal • Verbesserung der SNR um 9 dB pro 2xÜberabtastung (Bei 1.Ordnung) Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 17 Digitaler Tiefpass und Dezimation • Filtern der verschobenen Rauschleistung im höherfrequentem Bereich • Abtastratenkonvertierung(Dezimation) • Wortbreitenerweiterung von 1-Bit auf N-Bit Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 18 Digitales Filter Quantisierungsfehler unterdrücken Je nach Anwendung werden unterschiedliche Typen verwendet FIR Filter weiter verbreitet • einfach zu implementieren • linear phasig • rechen intensiv ( MAC ) Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 19 Digitales Filter Setzt den 1-Bit Code in das von der Nachbearbeitung benötigte Zahlenformat um. Gewichtung der Koeffizienten führt zur Umsetzung des 1 Bit Datenstream. Bitbreite der Koeffizienten entspricht i.d.R. nicht der Bitbreite des Ausgangsdatenwort Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 20 Digitales Filter Mögliche Strukturen umfassen eine mehrstufige Filterung z.B. Vorstufe mit mehreren Comb-Filter Vorteil kein MAC nur Addition 16 Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 21 Dezimator Dezimierung → Frequenzteilung Hier wird nur jede Nte Ausgabe ausgewertet Findet in der Regel bereits in der Filter-Strukutr statt → Comb-Filter Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 22 Verbesserungs Möglichkeiten 1. höhere Ordnung 2. mehr Bitbreite 3. mehr Oversampling Zusammenspiel 1-3 Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 23 Höhere Ordnung • Aufbau wird mit jeder Stufe Instabiler • Übertragungsfunktion ^n = Ordnung E n Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 24 2te vs 1te Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 25 MultiBit Jedes Bit erhöht SNR theoretisch(idealer ADC) um 6.02dB Problem eher bei Rückführung DACs höherer Bitbreite nicht linear. Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 26 Vergleich Multibit und höhere Ordnung Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 27 Digital Analog Wandlung ADC DAC Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 28 Digital Analog Wandlung Signalrekonstruktion mit Analogem Tiefpass Signalspektrum Filterspektrum Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 29 Technologieüberblick ADC Vorteile von Sigma-Delta-Wandlern Hohe Auflösung Hohe Stabilität Geringe Leistungsaufnahme Preiswert Nachteile Latenzzeiten Geringe Datenrate Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 30 Technologieüberblick DAC Vorteile von Sigma-Delta-Wandlern Hohe Auflösung Geringe Leistungsaufnahme Hoher Spannungsbereich Gute Linearität Preiswert Nachteile Lange Latenzen Nur bedingt für Gleichstrom geeignet Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 31 Anwendungen ADC Mikrofone Drucksensoren Temperatursensoren Füllstandssensoren Abstandssensoren Flussmessungen … Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 32 Anwendungen DAC Audio Anwendungen Mobile Geräte Prozess Ansteuerung Automatische Tests Servo Ansteuerung … Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 33 Vergleich zu anderen Technologien http://www.ti.com/europe/downloads/Choose%20the%20right%20data%20converter%20for%20your%20application.pdf Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 34 Vergleich zu anderen Technologien http://www.ti.com/europe/downloads/Choose%20the%20right%20data%20converter%20for%20your%20application.pdf Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 35 Vergleich zu anderen Technologien http://www.ti.com/europe/downloads/Choose%20the%20right%20data%20converter%20for%20your%20application.pdf Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 36 Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit Jens Wieczorek, Watthana Vilaysouk, Michel Schmidt, Marco Schifferle 37
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