Wofür ist ein Ein-Bit-ADC gut?

Um ein einfaches Beispiel dafür zu geben, wie ein 1-Bit-ADC verwendet werden kann, um nützliche Informationen aus einer Wellenform zu erhalten, werfen Sie einen Blick auf diese Schaltung. Es verwendet eine Dreieckswelle, um die Informationen in eine pulsbreitenmodulierte Ausgabe umzuwandeln. Dies ist eine ähnliche, aber vereinfachte Version der Funktionsweise anderer 1-Bit-ADC-Techniken, indem ein (normalerweise rückgekoppeltes) Referenzsignal verwendet wird, um den Eingang mit ihm zu vergleichen.

Schaltkreis

Simulation

Vergrößerte Zeitskalenansicht:

Wir können von der oberen Eingangswellenform sehen, dass die Dreieckswelle verwendet wird, um die Wellenform an verschiedenen Punkten während ihrer Periode zu vergleichen. Solange die Dreieckswelle eine erheblich höhere Frequenz als die Eingangsfrequenz hat (je höher die Frequenz, desto genauer), bewirkt dies, dass der Komparator abhängig vom Spannungspegel der Wellenform einen Durchschnitt von Hoch/Niedrig ausgibt.
Um zu sehen, wie wir die ursprüngliche Wellenform aus den PWM-Daten reproduzieren können, wird der Komparatorausgang in einen Tiefpassfilter eingespeist, und die Sinuswelle wird wieder ausgegeben.

Zum Weiterlesen:

Delta-Sigma-Wandler
Sukzessive Approximation ADC
Single Bit ADCs
Ramp Compare 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 jedoch nicht 1-Bit-A/D, obwohl es legitim ist, so darüber nachzudenken.

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 weiter integriert und mit dem analogen Eingang verglichen. Über mehrere Bitzeiten hinweg wird der Analogwert durch die Anzahl der 1-Bits aus dem Ganzen repräsentiert. Die Auflösung ist ein Kompromiss mit der Zeit. Heutzutage kann die Bitrate im mehreren MHz-Bereich liegen. Beispielsweise würde bei einer Bitrate von 10 MHz das Erhalten eines 20-Bit-Ergebnisses (etwa 1 M Zählungen) 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 analogen Eingang. Wenn das Komparatorergebnis niedrig ist, wird der D/A-Wert inkrementiert, andernfalls wird er dekrementiert.

Ein noch nicht erwähnter Unterschied zwischen den Begriffen "1-Bit-ADC" und "Komparator" besteht darin, dass an vielen Stellen, an denen Komparatoren verwendet werden, es wünschenswert ist, eine Hysterese in einem Betrag zu haben, der größer ist als der Grundrauschpegel des Systems, aber in Anwendungen die einen 1-Bit-ADC verwenden, ist eine solche Hysterese nicht erwünscht.

Beim Bau eines Mehrbit-DAC oder -ADC ist es oft schwierig sicherzustellen, dass jedes Bit genau doppelt so stark wirkt wie das nächstniedrigere. Ist der Effekt eines Bits größer oder kleiner als dieser Wert, so ist die Differenz der Spannungen, dargestellt durch zwischen einem Code, der auf zB „0111“ endet, und dem nächsthöheren Code (der auf 1000 endet) falsch.Wenn zB ein 1mV Eine Änderung an einem Eingang bewirkt manchmal, dass sich ein gemeldeter ADC-Wert um 2 und manchmal um 6 ändert, was dazu führen kann, dass auf Differenzrückkopplung basierende Steuersysteme auf einige Änderungen überreagieren und auf andere unterreagieren.

Unter Verwendung eines 1-Bit-ADC zusammen mit etwas analoger Elektronik ist es möglich, eine Schaltung so zu entwerfen, dass der Prozentsatz der Zeit, in der ein Signal hoch ist, vom Verhältnis zwischen einer Eingangsspannung und einer Referenzspannung abhängt. Misst man die prozentuale Zeit, in der das Signal hoch ist, kann man daraus auf die Eingangsspannung schließen. In Abwesenheit von Hysterese oder verwandten Effekten kann diese Messung sehr genau sein. Hysterese kann jedoch Nichtlinearitäten verursachen, die schwierig zu korrigieren sind.

Ein anderer Name für einen Ein-Bit-ADC ist ein Komparator. Ich kann mir vorstellen, dass ein 1-Bit-ADC für eine Anwendung ausreichen kann, die ein Ventil ein- / ausschalten, schalten und einen Alarm auslösen muss, wenn das Signal einen Schwellenwert überschreitet / unterschreitet.