Ich habe kürzlich von dem Konzept eines Ein-Bit-A / D-Wandlers gehört und gesehen, dass es im Kontext einer Art Digital-Analog-Wandler (seltsamerweise) implementiert wurde, und ich frage mich, worum geht es? Warum nicht einfach einen ADC mit höherer Auflösung verwenden, wenn eine höhere Auflösung gewünscht wird?
Wofür ist ein Ein-Bit-ADC gut?
Antworten:
Schauen Sie sich diese Schaltung an, um ein grundlegendes Beispiel dafür zu geben, wie ein 1-Bit-ADC verwendet werden kann, um nützliche Informationen aus einer Wellenform zu erhalten. Es verwendet eine Dreieckwelle, um die Informationen in einen pulsbreitenmodulierten Ausgang umzuwandeln. Dies ist eine ähnliche, aber vereinfachte Version davon, wie andere 1-Bit-ADC-Techniken funktionieren, indem ein (normalerweise rückgekoppeltes) Referenzsignal zum Vergleichen des Eingangs mit verwendet wird.
Schaltkreis
Simulation
Vergrößerte Zeitskalenansicht:
Wir können an der oberen Eingangswellenform erkennen, dass die Dreieckwelle verwendet wird, um die Wellenform an verschiedenen Punkten während ihrer Periode zu vergleichen. Solange die Dreieckwelle eine erheblich höhere Frequenz als der Eingang hat (je höher die Frequenz, desto genauer), gibt der Komparator abhängig vom Spannungspegel der Wellenform einen Mittelwert von High / Low aus.
Um zu sehen, wie wir die ursprüngliche Wellenform aus den PWM-Daten reproduzieren können, wird der Komparatorausgang in ein Tiefpassfilter eingespeist und die Sinuswelle erneut ausgegeben.
Zur weiteren Lektüre:
Delta-Sigma-Wandler
ADC-
Einzelbit-ADCs mit sukzessiver Approximation Rampenvergleich
ADC (Counter ADC)
Ein Ein-Bit-Analog-Digital-Wandler (A / D) ist nur ein Komparator mit der Schwelle in der Mitte des Bereichs. Normalerweise nennt man es aber kein 1-Bit-A / D, obwohl es legitim ist, es so zu sehen.
Es gibt Möglichkeiten, einen Komparator zu verwenden, um letztendlich einen digitalen Wert mit höherer Auflösung zu erhalten. Ein Delta-Sigma-A / D ist ein Beispiel. Dadurch wird der Komparatorausgang immer wieder integriert und mit dem Analogeingang verglichen. Über eine Anzahl von Bitzeiten wird der Analogwert durch die Anzahl von 1 Bit aus dem Ganzen dargestellt. Auflösung ist ein Kompromiss mit der Zeit. Heutzutage kann die Bitrate im Mehrfach-MHz-Bereich liegen. Beispielsweise würde bei einer Bitrate von 10 MHz das Erhalten eines 20-Bit-Ergebnisses (etwa 1 M-Zählwerte) 1/10 Sekunde dauern.
Ein weiteres Beispiel ist ein "Tracking" -A / D. Dieser enthält einen D / A und der Komparator vergleicht das D / A-Ergebnis mit dem Analogeingang. Wenn das Komparatorergebnis niedrig ist, wird der D / A-Wert inkrementiert, andernfalls wird er dekrementiert.
Delta Sigma kann auch als Analogon zum PWM-Modulator angesehen werden.
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jippie
Wie wäre es mit Linearität Olin? Wie vergleicht Delta-Sigma mit verschiedenen Nichtlinearitäten eines regulären n-Bit-ADC?
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jippie
@jipp: Ja, ein Delta-Sigma-A / D ist PWM rückwärts. Der PWM-Generator befindet sich im Rückkopplungspfad, sodass Sie insgesamt den Duty-Cycle-Wert finden, um den Durchschnittspegel zu ermitteln.
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Olin Lathrop
Mit Sigma-Delta zweiter Ordnung benötigen Sie viel weniger Bits (~ die Quadratwurzel), und zwar über eine Signalverarbeitungs-Rauschformungs-Magie, die ich nicht vollständig verstehe.
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Starblue
Ein anderer Name für einen Ein-Bit-ADC ist ein Komparator. Ich kann mir vorstellen, dass ein 1-Bit-ADC für eine Anwendung ausreicht, die ein Ventil, einen Schalter und einen Alarm ein- / ausschalten muss, wenn das Signal einen Schwellenwert überschreitet / unterschreitet.
Auf jeden Fall richtig, aber ich denke, dass das, was ich als "1-Bit-ADC" bezeichnete, genauer als "Delta-Sigma-ADC" beschrieben wurde.
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Mark
Ein Unterschied, der noch nicht zwischen den Begriffen "1-Bit-ADC" und "Komparator" erwähnt wurde, besteht darin, dass es an vielen Stellen, an denen Komparatoren verwendet werden, wünschenswert ist, eine Hysterese in einem Ausmaß zu haben, das größer ist als das Grundrauschen des Systems, jedoch in Anwendungen Bei Verwendung eines 1-Bit-ADC ist eine solche Hysterese nicht erwünscht.
Bei der Konstruktion eines Mehrbit-DAC oder ADC ist es oft schwierig sicherzustellen, dass jedes Bit einen genau doppelt so großen Effekt hat wie das nächst niedrigere. Wenn der Effekt eines Bits größer oder kleiner ist, ist die Differenz der Spannungen zwischen einem Code, der beispielsweise mit "0111" endet, und dem nächsthöheren Code (der mit "1000" endet) falsch. Wenn beispielsweise 1 mV Eine Änderung an einem Eingang führt manchmal dazu, dass sich ein gemeldeter ADC-Wert um 2 und manchmal um 6 ändert. Dies kann dazu führen, dass auf Differential-Feedback basierende Steuerungssysteme auf einige Änderungen überreagieren und auf andere unterreagieren.
Mit einem 1-Bit-ADC und einer analogen Elektronik kann eine Schaltung so entworfen werden, dass der Prozentsatz der Zeit, in der ein Signal hoch ist, vom Verhältnis zwischen einer Eingangsspannung und einer Referenzspannung abhängt. Wenn man den Prozentsatz der Zeit misst, in der das Signal hoch ist, kann man auf diese Weise auf die Eingangsspannung schließen. In Abwesenheit von Hysterese oder verwandten Effekten kann diese Messung sehr genau sein. Die Hysterese kann jedoch Nichtlinearitäten verursachen, die möglicherweise schwer zu korrigieren sind.