Was ist eine Analog-Digital-Messkarte?
Eine Analog-Digital-Messkarte ist eine Karte (Board), die die Funktion hat, verschiedene analoge Signale in digitale Signale umzuwandeln.
Analog-Digital-Messkarte sind je nach eingebetteter Anwendung mit einer Vielzahl von Schnittstellen erhältlich.
Es sind Produkte mit Schnittstellen wie PCI-Express für eingebaute PCs, FMC für den Anschluss als Tochterkarte an andere Karten und USB erhältlich.
Anwendungen von Analog-Digital-Messkarten
Analog-Digital-Messkarten werden hauptsächlich zur Umwandlung der von verschiedenen Sensoren erfassten analogen Signale in digitale Signale zur Verarbeitung durch Mikrocontroller und andere Geräte verwendet.
1. Messung und Überwachung
Analog-Digital-Messkarten werden verwendet, um physikalische Größen wie Temperatur, Druck, Licht und Schall in digitale Signale umzuwandeln. So können Signale von Sensoren erfasst, gemessen und überwacht werden. Beispiele sind die Qualitätskontrolle von Produkten in Fabriken und die Umweltüberwachung.
2. Datenerfassung und -verarbeitung
Analog-Digital-Messkarten werden zur Datenerfassung und -verarbeitung eingesetzt, indem sie analoge Signale in digitale Signale umwandeln. Beispiele hierfür sind die Erfassung von EKG-Signalen in medizinischen Geräten und die Tonverarbeitung.
3. Signalverarbeitung
Analog-Digital-Messkarten werden für die digitale Signalverarbeitung eingesetzt. Beispiele hierfür sind Sprachfilterung und Wellenformanalyse.
Funktionsweise der Analog-Digital-Messkarten
Die A/D-Wandlung wandelt ein analoges Signal in den folgenden Schritten in ein digitales Signal um: Abtastung, Quantisierung und Kodierung:
1. Abtastung
Der Amplitudenwert eines Analogsignals, das ein kontinuierliches Signal ist, wird in diskreten Perioden abgetastet. Die Periode zu diesem Zeitpunkt wird als Abtastperiode bezeichnet und wird hauptsächlich durch das Symbol Ts ausgedrückt. Die Berechnungsformel lautet wie folgt:
Abtastperiode: Ts = 1/Fs (Fs: Abtastfrequenz)
2. Quantifizierung
Die in diskreten Perioden (Abtastperiode) durch Abtastung gewonnenen Amplitudenwerte werden zu diskreten Amplitudenwerten angenähert, damit sie in digitale Signale umgewandelt werden können. Der durch die Quantisierung entstehende Fehler wird als Quantisierungsfehler bezeichnet und durch folgende Gleichung ausgedrückt:
Quantisierungsfehler = (abgetasteter Wert) – (quantisierter Wert)
Die Quantisierung wird durch den Vergleich der Eingangsspannung mit einer Referenzspannung erreicht. Je nach Vergleichsmethode ermöglichen einige Verfahren eine hochpräzise Umwandlung und eine schnelle Abtastung.
3. Kodierung
Die durch Quantisierung angenäherten diskreten Amplitudenwerte werden in einen Binärcode von 0 und 1 umgewandelt.
Arten von Analog-Digital-Messkarten
Die Typen von Analog-Digital-Messkarten werden nach der AD-Umwandlungsmethode eingeteilt. Die drei wichtigsten Methoden sind:
1. AD-Wandlermethode mit sukzessivem Vergleich
Die AD-Wandlermethode mit sukzessivem Vergleich wandelt ein analoges Signal in ein digitales Signal um, indem sie Spannungen vergleicht. Das Analogsignal wird mit der zu vergleichenden Spannung verglichen und die Bits werden nacheinander ermittelt.
Die maximale Auflösung beträgt 18 Bit und die maximale Abtastrate liegt bei 10 MHz. Ein externer Anti-Aliasing-Filter ist erforderlich.
2. Delta-Sigma-AD-Wandlungsverfahren
Delta-Sigma-AD-Wandlungsverfahren verwenden die Delta-Sigma-Modulationstechnik, um analoge Signale in digitale Signale umzuwandeln. Die maximale Auflösung beträgt etwa 32 Bit und ist damit die Methode mit der höchsten Auflösung, aber die maximale Abtastrate ist mit etwa 1 MHz niedrig.
3. Pipeline-AD-Wandlungsverfahren
Bei Pipeline-AD-Wandlungsverfahren wird das analoge Signal in mehrere Stufen in einer Pipeline-Struktur aufgeteilt und parallel verarbeitet, um eine Hochgeschwindigkeitsumwandlung zu erreichen. Jede Stufe wandelt das analoge Signal in ein digitales Signal um und leitet es an die nächste Stufe weiter.
Die maximale Abtastrate beträgt 1 GHz und die maximale Auflösung etwa 16 Bit. Die Kosten sind aufgrund der Komplexität des Schaltkreises höher.
Auswahl einer Analog-Digital-Messkarte
1. Auflösung
Wählen Sie eine Analog-Digital-Messkarte mit der erforderlichen Auflösung. Wenn die Karte z. B. für eine Rückkopplungssteuerung verwendet werden soll, sollte dies anhand der Genauigkeitsanforderungen bestimmt werden.
2. Abtastperiode
Bestimmen Sie die Abtastperiode entsprechend dem Frequenzbereich des Zielsignals. Theoretisch ist eine Abtastperiode des doppelten Frequenzbereichs erforderlich, in der Praxis wird jedoch das Zehnfache empfohlen.
3. Anzahl der Eingangskanäle
Es gibt eine breite Palette von Analog-Digital-Messkarten, von solchen mit einem Kanal bis zu solchen mit mehreren hundert Kanälen. Je nach Anzahl der zu messenden Signale muss die erforderliche Anzahl von Eingangskanälen gewählt werden.
4. Eingangs-/Ausgangsschnittstellen
Analog-Digital-Messkarten verfügen häufig über Schnittstellen wie USB, FMC oder PCI Express. Je nach verwendeter Schnittstelle muss die entsprechende Schnittstelle ausgewählt werden.
5. Software
Analog-Digital-Messkarten werden manchmal mit einer Messsoftware geliefert. Diese Software bietet Funktionen wie Datenerfassung, -verarbeitung, -anzeige und -speicherung. Je nach Verwendungszweck ist zu prüfen, ob die Software über die erforderlichen Funktionen verfügt.
6. Kosten
Je nach erforderlicher Genauigkeit, Abtastrate und Anzahl der Eingangskanäle sollte eine angemessene Preisspanne gewählt werden.