Omzetter door opeenvolgende benaderingen

De meting begint met een waarde halverwege het bereik, dus 5V voor een bereik van 0 tot 10V (de te meten waarde is 6.459V). De bit met het hoogste gewicht wordt op 1 gezet (de andere bits zijn nog nul) en de digitale waarde wordt naar de DAC gestuurd, die een spanning van 5V levert. De te meten waarde ligt hoger dan de berekende waarde, we laten de bit op 1.

We zetten de bit met de lagere waarde op 1 (we hebben dus een waarde 1100 000), de omzetter geeft een waarde van 7.5V, te hoog. We zetten de bit terug op 0.

We zetten de bit met een lagere waarde op 1 (1010 0000), de omzetting levert 6.25V. Te laag, de bit blijft op 1.

We zetten de bit met een lagere waarde op 1 (1011 0000), de omzetting levert 6.875V. Te hoog, de bit gaat terug op nul.

We zetten de bit met een lagere waarde op 1 (1010 1000), omzetting = 6.562V, te hoog, bit gaat terug naar nul.

Na de volledige conversie wordt de waarde naar de buitenwereld gestuurd. Het systeem is gebaseerd op het feit dat een digitaal naar analoge omzetting gemakkelijker te realiseren is dan de omgekeerde omzetting.

De omzetting is traag, maar de tijd die nodig is voor de omzetting ligt vast. Bij bepaalde toepassingen waar de meetwaarde traag verloopt begint men de meting met de vorige gemeten waarde.

Er bestaan verschillende soorten digitaal naar analoog omzetters. Discrete omzetters worden gerealiseerd met weerstanden (die zijn gemakkelijk te vinden met een hoge nauwkeurigheid) maar in de praktijk wordt de omzetter gerealiseerd met kleine condensatoren met oplopende waarde (1pF, 2pF, 4pF, 8pF, 16pF,...) die gemakkelijker in een IC geïntegreerd kunnen worden.

De eerste fase van de omzetting is het ontladen van de condensatoren. De uitgang en de signaallijnen worden aan de massa gelegd.

Dan wordt de uitgang losgekoppeld van de massa en de condensatoren worden met de plus verbonden als de corresponderende bit "1" is. Er komt nu een spanning op de uitgang die afhangt van de bitwaarde. De spanning wordt naar een buffer en sample & hold gestuurd.

Flash omzetter

Deze omzetter is zeer snel en voert de omzetting uit in één klokcyclus. Omdat iedere meting met een schone lei begint kan de omzetter probleemloos signalen met een hoge flanksteilheid verwerken: de digitale waarde is de waarde van de spanning op het ogenblik van de meting.

De omzetter werd vroeger gebruikt voor videosignalen te verwerken (klokfrekwentie van 10MHz en 8 bits nauwkeurigheid), nu wordt het gebruikt om radarsignalen te digitaliseren, om processen in de nijverheid te volgen die een snelle respons vergen (continu gieterij van staal, warmwalsen en dergelijke).

Een nadeel van de omzetter is dat de complexiteit van de omzetter kwadratisch stijgt met de gewenste nauwkeurigheid. Er bestaan methodes om de omzetter een hogere nauwkeurigheid te geven, maar dit maakt ook de omzetter meer complex en vertraagt de omzetting.

Bij een type omzetter wordt er na een eerste omzetting de nauwkeurigheid verhoogd door de range te vernauwen en een nieuwe meting te doen met de nauwere range, of door de range continu in tweën te splitsen. Geen van beide methodes is echt goed, ze maken de omzetter nog complexer en vertragen de algemene omzetting.

Een methode die te vermelden is omdat die eenvoudig te implementeren is, is de dithermethode. Men maakt gebruik van het feit dat de omzetter zeer snel werkt. Men voegt een ruissignaal toe aan het signaal dat bemonsterd moet worden. De ruis moet zodanig sterk zijn dat die door de omzetter gemeten kan worden, maar niet zo sterk dat die de meetwaarde overschaduwt. Door een tiental metingen digitaal te integreren (gemiddelde maken) bekomt men een waarde die een hogere nauwkeurigheid heeft, zonder dat men een nauwkeurigere omzetter moet gebruiken. Meestal gebruikt men een glijdende gemiddelde, zodat de metingen niet teveel vertraging oplopen.

Bij een ander systeem wordt na de omzetting de analoge waarde vergeleken met de digitale waarde (die opnieuw naar analoog omgezet wordt) en het verschil wordt meegenomen naar de volgende meting. De fout van de omzetter is hier het dithersignaal, maar de meetfout wordt ook gereduceerd. Men gebruikt het feit dat de omzetter reeds over de nodige weerstanden beschikt en dus evensnel een digitale naar analoge omzetting kan uitvoeren.

Dual slope omzetter

In het voorbeeld meten we een rode en blauwe spanning. De meting duurt 417 tellen voor de blauwe spanning en 768 tellen voor de rode spanning (een tel=klokcyclus kan bijvoorbeeld 1µs duren).

Het is een eenvoudige maar trage omzetter en de tijd die nodig is voor een omzetting ligt niet vast (er is wel een maximumtijd voorzien). Een nieuwe meting kan direct gebeuren na de eerste cyclus, of de omzetter kan wachten op een masterklok. Er zijn weinig extra componenten nodig als er een tweede spanning gemeten moet worden. De waarde die de teller heeft na de meting is een lineaire maat van de spanning aan de ingang.

Deze omzetters worden vaak gebruikt in toepassingen waar een nauwkeurige meting nodig is, maar waar de snelheid niet belangrijk is (multimeters en andere digitale aanwijzers).

Men gebruikt een opgaande en neergaande slope om fouten in het analoge gedeelte te onderdrukken. Met deze omzetters is een hoge nauwkeurigheid mogelijk.

De omzetter bestaat in verschillende uitvoeringen die intern wat kunnen verschillen, maar het principe blijft hetzelfde. Bij een type omzetter wordt de condensator geladen door een stroom die bepaald wordt door de te meten spanning zelf en ligt het schakelniveau vast.

De eerste analoog naar digitaal omzetters waren van dit type (reeds ontworpen voor de tweede wereldoorlog). Maar het waren single slope omvormers die niet voldeden in de praktijk (te traag en onnauwkeurig).

Bitstream omzetter

Bij iedere klokpuls wordt de schakelaar indien nodig omgeschakeld en de omzetter levert een bit 1 of 0 als de weerstand met het laag of hoog niveau verbonden is.

Men ontvangt zo een bitstroom waarvan de gemiddelde waarde (gemeten over een groot aantal bits of klokpulsen) overeenkomt met de te meten waarde.

De omvormer is de meest eenvoudige en men kan met dezelfde omzetter zowel een goede nauwkeurigheid bekomen of een snelle meting (maar niet beide tegelijk). De software bepaalt welke nauwkeurigheid gewenst is.

Deze omzetters wordt bijvoorbeeld gebruikt voor de omzetting van audiosignalen met een klokfrekwentie van meer dan 10MHz. Audiosignalen hebben geen steile flanken die door de omzetter slecht verwerkt worden.

De nauwkeurigheid is in het algemeen gemiddeld, maar men kan een afgeleide berekenen door een recente venster te vergelijken met een oudere venster (stijgt de spanning of daalt de spanning?)

Er zijn heel veel bits nodig om tot een voldoende nauwkeurigheid te komen want de bits zijn niet gewogen. Men heeft honderdduizend metingen nodig om tot de nauwkeurigheid van een goede dual slope omzetter te komen. Afzonderlijk genomen vormen de bits enkel ruis.

Een verbeterde versie sigma-delta genaamd stuurt de gemeten bit terug naar de ingang van de omzetter (deltawaarde), de gemeten waarde is de sigma-waarde (sommatie van een aantal bits). Met deze verbetering kan de omzetter sneller een signaalwijziging volgen.