5.1.2. Sample and Hold Schaltung
Aufgaben:
1. periodisches Abtasten (pulsamplitudenmodulierte Abtastwerte (Samples)
2. Speichern für die (vergleichsweise länger dauernde) Digitalisierung
|
Funktionsbeispiel Der von der Abtastfrequenz gesteuerte Schalter schließt für kurze Zeit, sobald er wieder öffnet ist der Kondersator C auf die zum Abtastzeitpunkt gerade vorhandene Spannung geladen. Bei der nächsten Abtastung schließt der Schalter wieder und der Kondensator wird auf einen neuen Spannungswert aufgeladen u.s.w. . |
5.1.3. Die Quantisierung
Das pulsamplitudenmodulierte Signal ist immer noch analog. Bei der Quantisierung wird die unendliche Zahl möglicher Zwischenwerte auf ein endliche Wertezahl reduziert.
|
Beispiel: 4-Bit Quantisierung Das analoge Signal wird in 16 diskrete Stufen aufgeteilt. Die Signalwerte im jeweiligen Abtastzeitpunkt werden den einzelnen Mustern zugeordnet und diese diskreten Werte (die von –8 bis +7) reichen wandelt man dann in einen binären Code um. Hier ein 4 Bit breites Wort). Im Allgemeinen können mit n Bit breiten Codeworten 2n Spannungswerte dargestellt werden. Dieses System ist bipolar, weil die Eingangsspannung positive und auch negative Werte annehmen kann. Nichtlineare Quantisierung: Wertebereich ist nicht in gleich große Abschnitte aufgeteilt, wo bereits kleine Änderungen relevant sind liegen die einzelnen Abtastwerte dichter zusammen
|
Der
maximale Quantisierungsfehler tritt auf, wenn der Augenblickswert des
Analogsignals gerade an der Begrenzung des Quantisierungsintervalls
liegt. Dann ist der Fehler halb so groß wie eine
Quantisierungsstufe.
5.1.4. Die Codierung
Nach der Quantisierung erfolgt die Umwandlung in ein binäres Wort (Codierung). Mit der Codewortbreite von n Bits lassen sich 2n Spannungswerte darstellen. Bei positiven Zahlenwerten werden sie als Potenzen zur Basis 2 dargestellt. Negative Zahlenwerte werden durch das Zweierkomplement dargestellt. Bei dieser Darstellung wird der Status jedes Bits gegenüber dem positiven Wert vertauscht und 1 LSB (Least Significant Bit) hinzugefügt. Das MSB (Most Significant- Bit) dient dann gleichzeitig zur Angabe des Vorzeichens; für positive Werte ist es Null. Praktische Systeme arbeiten oft mit 14 Bit oder 16 Bit breiten Codewörtern.
5.2. Beispiele
5.2.1. Single Slope-Verfahren
|
Single Slope-Verfahren Die beiden Komparatoren vergleichen die Sägezahnspannung mit Null und mit der Eingangsspannung. Während die Sägezahnspannung zwischen Null und der Eingangsspannung ist, wird der Quarzoszillator auf den Zähler geschaltet. |
Die Sägezahnspannung hat den folgenden Funktionsverlauf.
Die
Zeit, während der der Zähler angesteuert wird, ist:
Während
dieser Zeit werden die Schwingungsperioden
des
Quarzoszillators gezählt. der Zählerstand ist am Ende der Wandlung:
Probleme:
Die Frequenzunsicherheit (Jitter) des Sägezahnoszillators begrenzt die Genauigkeit.
Drift und der Einfluss der Temperatur verändern die Schaltschwellen und beeinflussen damit die Genauigkeit.
Kondensatoren sind schwer mit genügender Genauigkeit zu bekommen.
Durch den Quarzoszillator und die weiteren Komponenten ist die Schaltung relativ teuer.