Bronvermelding: https://jeweka.nl/category/theorie-en-werkboeken Module 5, Hoofdstuk 3, Paragraaf 3.3, Blz 87-92

De conversie van Analoog naar Digitaal wordt vaak als lastig ervaren. Maar dit valt allemaal wel mee met de juiste informatie met afbeelding. Ook zijn Analoog naar Digitaal converters te koop en deze helpen je bij problemen in het dagelijks leven.

Analoog naar Digitaal Omzetten / Converter en omvormer

Digitaliseren van signalen

Veel elektronische signalen zijn in hun oorspronkelijke vorm analoog, zoals een geluidssignaal of het signaal van een bepaalde sensor. Om deze signalen in digitale schakelingen of computers te kunnen verwerken of bewerken, zullen we het analoog signaal eerst moeten digitaliseren.

Het proces van digitaliseren houdt in dat het analoge signaal eerst met kleine tijdsintervallen wordt bemonsterd en dat deze momentele waarden vervolgens worden omgezet in een overeenkomstige binaire code.

Voorbeeld

Met een digitale thermometer kunnen we een gemeten temperatuur in cijfereenheden (digits) elektronisch weergeven. De temperatuursensor geeft echter een analoog signaal af. Dit analoge signaal kunnen we bemonsteren (sampling) en omzetten naar een digitaal signaal. Na bewerking zal het digitale tempratuursignaal in ‘digits’ worden weergegeven op een display.

Analoog naar Digitaal omzetten door middel van bemonsteren en tellen

Het bemonsteren vindt zoals eerder besproken stapsgewijs plaats. Hierbij wordt bij elke stap de momentele analoge waarde even vastgehouden (hold). Dit word uitgevoerd met een bemonsterschakeling (sampling circuit). Het bemonsteren vindt plaats op een vast tijdritme.

Ofwel de bemonsterfrequentie. hiervoor wordt een kloksignaal in de vorm van een pulstrein aan de bemonsterschakeling aangeboden.

Hoe hoger de frequentie van het kloksignaal, in des te meer stappen zal het analoge signaal bemonsterd worden. Hierdoor zal het digitale signaal het oorspronkelijke analoge signaal met een hogere nauwkeurigheid benaderen. Een hogere bemonsterfrequentie geeft dus meer nauwkeurige A/D-conversie.

Sampling Theorie van Analoog naar Digitaal Omzetten

Sampling is het bemonsteren van het analoge signaal met klein tijdsintervallen. Hierbij geldt dat: hoe meer monsters (samples) we nemen in een bepaalde tijd, des te nauwkeuriger kan het analoge signaal worden gedigitaliseerd. Een hoge sampling rate geeft een hoge kwaliteit met weinig verlies van informatie.

Het aantal genomen samples per seconde, wordt de sampling-frequentie of de sampling rate genoemd. Deze sampling-frequentie (fsample) wordt uitgedrukt in Hertz (Hz). Om het anaolge signaal kwalitatief voldoende te digitaliseren, geldt dat de sampling-frequentie f sample tenminste twee keer zo groot moet zijn als het hoogste frequentiecomponent in het analoge signaal.

Voorbeeld

De hoogste frequentie in het menselijk stemgeluid bedraagt ongeveer 10 kHz. Om een analoog signaal van het menselijk stemgeluid te digitaliseren en dat natuurgetrouw weer te kunnen geven, is dus een minimale sampling-frequentie van 2x Fa nodig, oftewel 20 kHz.

Filteren Analoog naar Digitaal converter

Behalve pure sinusvormige signalen bestaan analoge signalen uit een spectrum van zogenaamde ‘harmonische frequenties’. Harmonische frequenties ontstaan bij het opwekken (generation) van een analoog signaal. De harmonische frequenties vormen een reeks van sinusvormige signalen.

Met onderling verschillende frequenties en amplituden. Door alle harmonische frequenties bij elkaar op te tellen, kan het originele en zuivere analoge signaal gevonden worden.

Analoog naar Digitaal converter

Bij sampling ontstaan in het sample-signaal ook harmonische frequenties. Als deze harmonische frequenties het sampling frequentie-spectrum overlappen, ontstaan er ongewenste verstoringen. Dit wordt de aliasing-fout genoemd.

Om aliasing-fouten tijdens het digitaliseren te voorkomen, moeten harmonische frequenties hoger dan het sampling-frequentie-spectrum worden uitgefilterd. Dit doen we met een anti-aliasing filter. Het btreft hier een doorlaatfilter.

Toepassen van een Doorlaatfilter

Sample-and-Hold

Na aliasing-filteren volgt sampling van het analoge signaal. Tijdens sampling wordt het gedetecteerde signaalniveau vastgehouden tot aan de volgende sampling-stap. Deze zogenaamde hold-functie is nodig om de A/D converter de tijde te geven de gedetecteerde signaalamplitude te digitaliseren.

Als gevolg van de hold-functie zal het bemonsterde signaal een stapsgewijze weergave zijn van het analoge signaal. Hierbij gaat dus altijd informatie verloren ten opzichte van het oorspronkelijke analoge signaal.

Resolutie van de Bemonstering

Bij het converteren van een signaal van analoog naar digitaal worden de veranderingen in de tijd van het analoge signaal vastgelegd in bepaalde tijdsstappen van het digitale signaal. Het analoge signaal heeft daarbij altijd een bepaalde minimale en een maximale waarde.

Hiertussen bevindt zich het signaalbereik. Het aantal stapjes in het bereik waarin een signaal kan worden verdeeld en bemonsterd, bepaalt de nauwkeurigheid van het digitale signaal. Dit noemt men de resolutie van de bemonstering (sample-resolution).

Resolutie van de Analoog naar Digitaal Conversie

Bij de A/D-conversie is de output van de A/D-converter een binaire code. Deze binaire code bestaat weer uit een bepaald aantal bits. Hoe meer bits er worden gebruikt om de bemonsterde amplitude weer te geven, des te nauwkeuriger de digitalisering van het oorspronkelijke analoge signaal.

Dit wordt ook wel de ‘resolutie’ van de conversie genoemd. Met een toegepaste resolutie van ‘n’ bits kan een analoog signaal in maximaal 2-niveaus digitaal worden weergegeven.

Voorbeeld

Wanneer we een resolutie van 2 bits gebruiken kan de analoog naar digitaal conversie in 4 niveaus uitgevoerd worden. Immers, met 2 bits zijn maximaal 4 stappen aan te duiden. Van elk niveau kan vervolgens de binaire waarde vastgesteld worden (00, 01, 10 en 11).

Analoog naar Digitaal in 4 stappen

Na bemonstering wordend e waarden afgerond op de 4 uitgangsniveaus. Door de afronding wijkt het digitale uitgangssignaal af van de gemeten waarde. Hoe lager de resolutie (=minder bitposities) van de A/D-conversie, hoe groter de onnauwkeurigheid. Er gaat informatie verloren.

Analoog naar Digitaal Converter Kopen

Benieuwd naar wat je kan kopen als je op zoek bent naar een A/D-converter? Kijk dan eens naar onderstaande artikelen!

Bronvermelding: https://jeweka.nl/category/theorie-en-werkboeken Module 5, Hoofdstuk 3, Paragraaf 3.3, Blz 87-92

Geef een reactie

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.