Elektronische Analog-Digital-Umsetzer: Verfahren, Bauelemente, Beispiele

150 Pages·1977·4.54 MB·German

by  Dr.-Ing Dieter Seitzer (auth.)

Dieter Seitzer
Elektronische
Analog-Digital-Umsetz~r
Verfahren, Bauelemente, Beispiele
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
Dr.-Ing DIETER SElTZER
o. Professor an der Universitiit Erlangen-Nurnberg
Inhaber des Lehrstuhles fOr Technische Elektronik
Mit 103 Abbildungen
ISBN-13: 978-3-540-07954-5 e-ISBN-13: 978-3-642-81076-3
001: 10.1007/978-3-642-81076-3
Library 01 Congress Cataloging in Publication Data
Seitzer. Dieter. 1933-
Elektronische Analog-Digital-Umsetzer. (Hochschultext)
Includes bibliographies.
1. Analog-to-digital converters. I. Title.
TK7887.6.S44 621.3819'596 76-55405
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im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als Irel zu betrachten waren und daher
von jedermann benutzt werden dOrften.
Vorwort
Das Buch enthalt im wesentlichen den Stoff einer einsemestrigen Vorle
sung von zwei Semesterwochenstunden fur Studenten der Elektrotechnik
ab dem 6. Semester. Damit sind der Umfang und die Voraussetzungen, mit
denen gerechnet wird, gegeben, d. h. es werden Kenntnisse uber die Wir
kungsweise und Analyse von einfachen Schaltungen mit aktiven Halblei
terbauelementen erwartet.
Es ist die hauptsachliche Absicht der Vorlesung, am Beispiel eines ak
tuellen Stoffes in die Denkweise des Entwurfs elektronischer Gerate und
Systeme einzufuhren, nachdem eine formale Synthese wie etwa beim Fil
terentwurf hier nicht moglich ist. Es ist eine Aufgabe ahnlich der des
Architekten, der aus vorgegebenen Bauelementen ein Gebaude mit bestirnm
ter, vom Benutzer vorgegebener Funktion zu "synthetisieren" hat. Die
Analog-Digital-Umsetzung eignet sich besonders als Ubungsstoff, weil
die Funktion als Gerat durch eine uberschaubare Anzahl von quantifi
zierbaren Parametern gekennzeichnet werden kann, weil die Grundprinzi
pien, gewissermaBen der Bauplan, leicht, d. h. ohne Kenntnis des Schal
tungsentwurfs selbst, zu verstehen sind, und weil bei der Verwirkli
chung verhaltnismaBig wenige einfache Grundschaltungen und deren Zu
sarnmenspiel eine Rolle spielen. Entsprechend ist der Aufbau der Vor
lesung: Zuerst die Verfahren, dann die Grundschaltungen, zuletzt die
Ausfuhrungsbeispiele.
Dem Lehrbuch stellt sich uber die schriftliche Niederlegung des Vorle
sungsstoffes hinaus die Aufgabe, eine Momentaufnahme vom Stand der
Technik zu geben. Es kann also keine geschichtliche Wurdigung indivi
dueller Beitrage unternehmen, es muB raffen, Details vergrobern, urn
ein Gesamtbild entstehen zu lassen. Dies scheint mir umso notwendiger,
als eine umfangreiche, weit verstreute Spezialliteratur existiert und
die Gefahr unabweisbar wird, daB der Fortschritt sich selbst dadurch
IV
begrenzt, daB der aktiv Tatige aus Unkenntnis alte Losungen neu erfin
det bzw. der mit Literaturstudium Beschaftigte nicht zu eigenen Beitra
gen kommt.
1m Augenblick scheint mir die Aufgabe der Analog-Digital-Umsetzung be
sonders aktuell. Einmal deswegen, weil die digitale Signalverarbeitung
im Vormarsch ist, aber vor dem Einsatz eines Mikroprozessors, urn dieses
Stichwort zu nennen, die Aufbereitung der Information steht. Zum ande
ren, weil die unaufhaltsame verbilligung integrierter Digitalschaltun
gen die Schnittstelle zwischen analoger und digitaler Schaltungstechnik
mitten in den Umsetzer selbst verlegt. Damit wird das Thema fUr Anwen
der und Entwickler gleichermaBen interessant.
NaturgemaB sieht der Verfasser das Thema, den Stoff und das entstan
dene Werk durch seine eigene Brille, welche sicher verzerrt und auch
gefarbt ist. Der geneigte Leser moge diese Subjektivitat des Bericht
erstatters verzeihen und sich bei abweichender Meinung veranlaBt se
hen, mit konstruktiver Kritik zum fortlaufenden LernprozeB beizutra
gen. Auch fur Hinweise auf Fehler, die man nach n-maliger Durchsicht
aus Gewohnungsblindheit ubersieht, bin ich dankbar.
Dankbar vermerken mochte ich auch die geduldige, sorgfaltige und ziel
strebige Mitarbeit von Frau Haubner, welche die Reinschrift tibernom
men hat, ferner die gute Zusammenarbeit mit den Mitarbeitern des Ver
lags.
Erlangen, im Herbst 1976
D. Seitzer
Inhalt
1. Einlei tung .................................................•.
1.1 Was sind Analog-Digital-Umsetzer? ................... ..... 2
1.2 Anwendung von Analog-Digital-Umsetzern ................... 3
1 .3 KenngroBen und Parameter ................................. 5
1.4 Die Aufgabenstellung ..................................... 6
1.5 Schrifttum zu Abschnitt 1 7
2. Zusammenstellung theoretischer Grundlagen ................... . 9
2.1 Schrifttum zu Abschni tt 2 ............................... . 14
3. Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung ...................... . 15
3.1 Einteilung der Verfahren .........................•....... 15
3.2 Das Parallel- oder Direktverfahren ...................... . 15
3.2.1 Die Codierrohre ................................... . 16
3.2.:t Parallelumsetzer mit Spannungsvergleich ........... . 19
3.2.3 Parallelumsetzer mit stromvergleich ............... . 23
3.3 Kaskadenverfahren ..................................•..... 24
3.3.1 Einlei tung ........................................ . 24
3.3.2 Kaskadenverfahren als Erweiterung des Direktverfah-
rens .............................................. . 25
3.3.3 1 Bit pro Block-Kaskade ........................... . 28
3.3.4 Kaskadenwandler nach dem Gray-Code ................ . 31
3.3.5 Der gestreckte A-D-Umsetzer ....................... . 39
3.4 Zyklische Verfahren ..................................... . 40
3.4.1 Einlei tung ........................................ . 40
3.4.2 Das einfache und erweiterte Zahlverfahren ......... . 44
3.4.3 Ein zyklischer Wagecodierer mit einem Normal ...... . 45
3.4.4 Interpolative Analog-Digital-Umsetzung ., .......... . 48
3.5 Indirekte umsetzer 51
3.5.1 Das einfache Sagezahnverfahren .................... . 51
VI
3.5.2 Das Doppelsehritt- bzw. Doppelintegrationsverfahren
(Dual-Ramp-Method) ..............•.........•.•...... 53
3.5.3 Umsetzer mit Ladungsverteilung ..................... 55
3. G Sonderformen .......•........................•............ 57
3.6.1 Das Wageverfahren ...•.......................•...... 57
3.6.2 Niehtlineare Analog-Digital-Umsetzung (Spraeheodie-
rung) ..................•.....................•..... 58
3.6.3 Analog-Digital-Umsetzer im Multiplexbetrieb ........ 62
3.6.4 Delta-Modulation ................................... 64
3.6.5 Stoehastisehe Analog-Digital-Umsetzung ..........•.. 65
3.7 Zusammenfassung ........................•.........•......• 69
3.8 Sehrifttum zu Absehni tt 3 ...........•.................•.. 72
4. Digi tal-Analog-Umsetzer ..•...••.............................. 74
4. 1 Einlei tung .........•..•........•...•..................... 74
4.2 Verfahren der gewiehteten Strome ........•..••............ 75
4.3 Digital-Analog-Umsetzer mit Leiternetzwerk ............... 78
4.4 Shannon-Raek-Deeoder als Digital-Analog-Umsetzer ......... 81
4.5 Digital-Analog-umsetzer mit Ladungsumverteilung .........• 82
4.6 Sehrifttum zu Absehni tt 4 ......•.......•...., ............. 83
5. Bauelemente und Grundsehaltungen fUr Analog-Digital-Umsetzer
5.1 Sehalter ..................•.............................. 84
5.1 .1 Meehanisehe Sehal ter ...•.....•..................... 85
5.1.2 Halblei terdioden ..•..........................•..•.. 86
5.1.3 Der invers betriebene Transistor als Sehalter ...... 87
5.1.4 Ubersteuerter Emitterfolger ........................ 91
5.1.5 Der Feldeffekt-Transistor als Sehalter ....•........ 92
5.1.6 Analogsehalter mit Dioden .....•.................... 96
5.2 Abtasthal teglieder ...........•..................•........ 98
5.2.1 Grundlagen ..........•.............................. 98
5.2.2 Zweiphasensehal tung ..•..............•.............. 100
5.2.3 Abtasthalteglied mit DiodenbrUeke .................. 102
5.2.4 Digitales Abtasthalteglied ......................... 105
5.3 Komparatoren .....•....................................... 107
5.3 . 1 Einlei tung ......................................... 107
5.3.2 Bandbreite und Ubergangsverhalten .................. 108
5.3.3 Operationsverstarker als Komparatoren .............. 111
5.3.4 Tunneldiode als Komparator ........•...•............ 115
5.4 Sagezahnerzeugung .......•................................ 116
5.4. 1 Einlei tung ...................•.......•......•...... 116
VII
5.4.2 Der Miller-Integrator ....•.....•...•......•........ 117
5.4.3 Verfahren der mitlaufenden Ladespannung ............ 118
5.4.4 Kondensatoraufladung mit Konstantstromquelle ....... 120
5.4.5 Treppenstufen-Generator •.•.....•................... 122
5.5 Zahler •.........................•..........•.•........... 123
5.5.1 Asynchrone Zahler •.•.......•....................... 123
5.5.2 Synchrone Dualzahler .•...••..........•............. 125
5.5.3 Vor- und Rlickwa.rts zahler ..............•............ 126
5.6 Schrifttum zu Abschni tt 5 ................................ 126
6. Messungen an Umsetzern .......................•.••............ 128
6.1 Einlei tung ............................................... 128
6.2 Messungen an Digital-Analog-Umsetzern ..•................. 128
6.2.1 Statische Messungen ...................•... , ........ 129
6.2.2 Dynamische Messungen ..•.............•.•............ 131
6.3 Messungen an Analog-Digital-Umsetzern .•.•.•.............. 135
6.3.1 Statische Messungen ....... , ...•.................... 135
6.3.2 Dynamische Messungen .....•........•..•.....•....... 139
6.4 zusarnrnenfassung ......•................................... 141
6.5 Schrifttum zu Abschnitt 6 .............•....•......•...... 141
Sachverzeichnis .............................................. " 142
1. Einleitung
Analog-Digital-Umsetzer sind Bindeglieder zwischen digitalen Geraten
bzw. Systemen und analogen Signalquellen. Sie gewinnen in dem MaB an
Bedeutung, in dem die digitale Verarbeitung, Ubertragung, Speicherung,
Steuerung und Anzeige von ihrer Natur nach kontinuierlich verlaufenden
Signalen zunimmt. Der Trend zu digitalen Verfahren wird auf der Sy
stemebene hervorgerufen durch den verbreiteten Einsatz von Datenver
arbeitungsanlagen, die eine sehr flexible, weitgehend vereinheitlich
te und daher wirtschaftliche Handhabung von Information errnoglichen.
Auf der Ebene der elektronischen Signalverarbeitung verlauft die Ent
wick lung aus ahnlichen Grunden in Richtung digitaler Methoden, wobei
noch hinzukommt, daB die Technologie integrierter Digitalschaltungen
bislang kaum fur moglich gehaltene Verbilligungen von Schaltkreisen
mit sich bringt, wie am Preisverfall elektronischer Taschenrechner
augenfallig wird. 1m professionellen Bereich sind das lebhafte Inter
esse an Mikroprozessoren [1.1] und das Bestreben, auf internationaler
Ebene Einigung uber die Standardisierung von Schnittstellen in Form von
IEC-Bus [1.2] und CAMAC [1.3] zu erreichen, Anzeichen dieser Entwick
lung.
Die Informationsquellen wie MeBgroBen (Druck, Temperatur, Weg) , Spra
che und Bilder werden jedoch ihrer Natur nach stets kontinuierliche,
d. h. ana loge Signale liefern. Es ist also die Aufgabe der Analog-Di
gital-Umsetzung, die erforderliche Anpassung vorzunehmen. Das techni
sche Problem ist dabei, einen optimalen KompromiB zwischen den Anfor
derungen an die Genauigkeit und die Geschwindigkeit zu .finden, das
wirtschaftliche Problem ist, den Aufwand soweit herabzusetzen, daB die
zusatzlichen Kosten des Umsetzers durch die Einsparungen an digitalen
Verarbeitungsschaltungen wettgemacht werden und damit die digitale Lo
sung auch wirtschaftlich konkurrenzfahig wird, wenn der Einsatz aus
anderen Grunden nicht ohnehin geboten erscheint •.
2
Zur Vorbereitung und Vervollstandigung der Aufgabenstellung werden wir
uns im zweiten Kapitel zunachst einige Grundlagen aus der Signaltheorie
in Erinnerung rufen. Das dritte Kapitel befaBt sich mit den vielfalti
gen Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung, wobei eine Einteilung an
hand struktureller Merkmale vorgenornrnen ist. Beispiele, welche den
Stand der Technik kennzeichnen, sind eingestreut. Die einfachere Um
kehrung der Aufgabe in Form der Digital-Analog-Umsetzung bringt das
vierte Kapitel. Da der Entwurf von Umsetzern stets auf der Basis re
aler Bauelemente zu erfolgen hat, ist das ftinfte Kapitel speziell den
in Umsetzern vorkornrnenden Bauelementen und Grundschaltungen gewidmet.
Ein sechstes Kapitel tiber Messungen an Analog-Digital-Umsetzern rundet
das Thema abo
1.1 Was sind Analog-Digital-Umsetzer?
Wie bereits erwahnt, dienen Analog-Digital-Umsetzer zur Uberbrtickung
der Schnittstelle zwischen analoger und digitaler Technik. Sie sind im
weiteren Sinn der Kategorie der MeBgerate zuzuordnen, die eine MeB
groBe in einer geeigneten ReprasentationsgroBe darstellen. 1m Gegen
satz zur analogen Darstellung (Bild 1.1), bei der die Reprasentations-
Sponnung U
1.1. Analoge Darstellung: Kontinuierlicher Verlauf der Reprasentations
groBe (Zeigerausschlag) als Funktion der MeBgroBe (Spannung)
groBe (Zeigerausschlag) der MeBgroBe (Spannung) kontinuierlich folgt,
wird bei der digitalen Darstellung eine bereichsweise Zuordnung vorge
nornrnen, d. h. die ReprasentationsgroBe ist nur einer begrenzten Anzahl
diskreter Werte (z. B. Ziffern) fahig. Vorzugsweise verwendet man bei
der Anzeige eine dezimale Stufung, bei der elektrischen verarbeitung
die duale, auf dem System der Zweierpotenzen beruhende Darstellung.
Als Beispiel sind in Bild 1.2 zwei Skalen einander gegentibergestellt,
wobei die linke von der MeBgroBe kontinuierlich durchlaufen wird, wah
rend die rechte nur die acht dual gestuften Werte 000 bis 111 enthalt.
3
Wie man sieht, stellt sich bei der diskreten Angabe ein Fehler ein, der
die GroBe einer halben Stufe erreichen kann. Bild 1.2a bzw. b zeigt
verschiedene mogliche Darstellungen des gleichen Sachverhalts.
111 w 111
c
<'!'. 6 110 :0~> 110
'0 Vc>o
~5 101 Z 101
LwV > 4 100 ~0 100
w
.L.cw'2o: 3 011 :"0w"~ . 011
·s 2 010 ~ 010
co .2
131 001 :§> 001
-" "0
000
a normierte Spannung U
1.2a,b. Digitale Darstellung: Disk6ntinuierliche Zuordnung Repr5sen
tationsgroBe zur MeBgroBe
a. Bereichsweise zuordnung b. Darstellung als Kennlinie
1000
1.3. Umsetzung eines Weges in eine digitale GroBe
Zur weiteren Illustration zeigt Bild 1.3 die mogliche Umwandlung eines
Weges in eine duale elektrische GroBe. Ein bewegliches Lineal tr5gt
unter Spannung stehende Segmente, welche von einem Satz von vier Blir
sten abgetastet werden. Ein unter Spannung stehendes Segment entspricht
einer logischen "Eins", ein leeres Segment dem wert "Null". Auch eine
berlihrungslose Realisierung mit elektro-optischen Mitteln ist moglich.
Auf Fehlermoglichkeiten dieser Anordnung soll sp5ter eingegangen wer
den.
1.2 Anwendung von Analog-Digital-Umsetzern
Die wohl ge15ufigste Anwendung des Analog-Digital-Umsetzers ist das di
gitale Voltmeter (DVM), bei dem eine Spannung, ein Strom oder ein Wi
derstand in Form einer Folge von Dezimalziffern angezeigt wird. Sehr
verbreitet sind Analog-Digital-Umsetzer zum Zwecke der Fernmessung (Te-