Erfassung analoger Daten: A/D-Wandler
Ein Analog-Digital-Wandler kann eingesetzt werden, um analoge elektrische Spannungen
zu messen und in eine digitale Form zu übersetzen, wie sie für die Signalverarbeitung
und die Analyse in Computern gebraucht wird.
In der Bewegungsanalyse werden A/D-Wandler
verwendet, um sowohl kinematische als auch dynamische
Paramter zu messen.
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Auflösung von A/D-Wandlern
Die meisten Wandler haben einen Messbereich von -10 V bis +10 V. Einige Modelle
bieten eine spezielle Einstellung (genannt 'Gain'), die dieses Interval auf +/-
5 V, +/- 2,5 V oder ähnliche Werte beschränkt.
Typische Analog-Digital-Wandler haben eine Auflösung von 12 oder 16 Bits, d.h. sie
teilen den gegebenen Messbereich in 4096 oder 65536 kleine Einheiten auf. Spannungsänderungen
kleiner als diese Einheiten können nicht gemessen werden.
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+/- 10 Volt |
+/- 5 Volt |
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12 Bit |
4096 |
4,88 mV/Bit |
2,44 mV/Bit |
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16 Bit |
65536 |
0,31 mV/Bit |
0,15 mV/Bit |
16 Bit A/D-Wandler können mit einer Genauigkeit von 0,31 mV (bei +/- 10 V) messen.
Beispiel aus der Praxis:
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Fr die Messung eines Countermovement-Sprungs seien die folgenden Einstellungen
gegeben:
Verstärker-Ausgang: +/- 10 V; maximale messbare Kraft: 5000 N
A/D-Wandler mit 12 Bit Auflösung:
5000 N/2048 Bit = 2,4 N pro Bit
Das bedeutet, dass Kräfte im Bereich von +/- 5000 N mit einer Auflösung von 2,4
N gemessen werden können.
In der Ganganalyse, wo der Verstärker auf maximale Kräfte von 2000 konfiguriert
werden kann, liegt die Auflösung bei 0,98 N.
Im Vergleich dazu kann ein 16 Bit A/D-Wandler eine Auslösung von 0,15 bzw. 0,06
N pro Bit bieten.
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Abtastfrequenz von A/D-Wandlern (scan rate)
Die meisten A/D-Wandler messen nicht alle Kanäle gleichzeitig, sondern mit einer
Abtastrate von beispielsweise 200.000 Messungen pro Sekunde (200 kS/s). Das bedeutet,
dass die einzelnen Kanäle nacheinander ausgelesen werden, wobei jeweils eine kleine
Zeitverzögerung auftritt, die durch die Abtastfrequenz vorgegeben wird.
Beispiel aus der Praxis:
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Eine Kraftmessplatte (8 Kanäle) wird mit 1000 Hz (=1 Messung pro Millisekunde)
erfasst.
Bei einem A/D-Wandler mit 200 kS/s wird die erste Messung des ersten Kanals bei
0,000 ms durchgeführt, die des zweiten Kanals bei 0,005 ms, die des dritten bei
0,010 ms und die des achten bei 0,035 ms.
Die zweite Messung der acht Kanäle erfolgt dann bei 1,000 ms, 1,005 ms bis 1,035
ms.
Die kleine Zeitverzögerung zwischen den einzelnen Kanälen ist für die meisten Anwendungen
akzeptabel.
Wenn man jedoch mehr Kanäle und eine höhere Aufnahmefrequenz verwendet, dann wird
das Problem größer (32 Kanäle, 5000 Hz, mit 200 kS/s):
Erste Messung: 1. Kanal bei 0,000 ms, 32. Kanal bei 0,155 ms
Zweite Messung: 1. Kanal bei 0.200 ms, 32. Kanal bei 0,355 ms
Man kann leicht sehen, dass der letzte Kanal der ersten Messung zeitlich deutlich
näher an der zweiten Messung des ersten Kanals liegt als an der eigentlich zugehörigen
ersten Messung des ersten Kanals.
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Typische A/D-Wandler für die Bewegungsanalyse
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Data-Translation DT-3001 |
PCI |
330 kS/s |
16 Kanäle |
12 Bit |
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Data-Translation DT-3002 |
PCI |
330 kS/s |
32 Kanäle |
12 Bit |
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Data-Translation DT-3003 |
PCI |
330 kS/s |
64 Kanäle |
12 Bit |
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Data-Translation DT-3005 |
PCI |
200 kS/s |
16 Kanäle |
16 Bit |
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Data-Translation DT-3010 |
PCI |
1250 kS/s |
32 Kanäle |
12 Bit |
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Data-Translation DT-9801 |
USB |
100 kS/s |
16 Kanäle |
12 Bit |
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Data-Translation DT-9803 |
USB |
100 kS/s |
16 Kanäle |
16 Bit |
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National-Instruments DAQPad-6015 |
USB |
200 kS/s |
16 Kanäle |
16 Bit |
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National-Instruments DAQPad-6020E |
USB |
100 kS/s |
16 Kanäle |
12 Bit |
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National-Instruments PCI-6024E |
PCI |
200 kS/s |
16 Kanäle |
12 Bit |
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National-Instruments DAQCard-6024E |
PCMCIA |
200 kS/s |
16 Kanäle |
12 Bit |
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National-Instruments PCI-6036E |
PCI |
200 kS/s |
16 Kanäle |
16 Bit |
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National-Instruments PCI-6052E |
PCI |
333 kS/s |
16 Kanäle |
16 Bit |
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National-Instruments DAQPad-6052E |
FireWire |
333 kS/s |
16 Kanäle |
16 Bit |
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National-Instruments PCI-6070E |
FireWire |
1250 kS/s |
16 Kanäle |
12 Bit |
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National-Instruments PCI-6071E |
PCI |
1250 kS/s |
64 Kanäle |
12 Bit |
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National-Instruments PCI-6220 |
PCI |
250 kS/s |
16 Kanäle |
16 Bit |
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National-Instruments PCI-6224 |
PCI |
250 kS/s |
32 Kanäle |
16 Bit |
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National-Instruments PCI-6250 |
PCI |
1000 kS/s |
16 Kanäle |
16 Bit |
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National-Instruments PCI-6254 |
PCI |
1000 kS/s |
32 Kanäle |
16 Bit |
A/D-Wandler wie sie in Bewegungsanalyse-Systemen verwendet werden
Typische analoge Daten in der Bewegungsanalyse
Kraftmessplatten haben 6 bis 8 Kanäle analoger Rohdaten und werden üblicherweise
mit 300 bis 1000 Hz für die Ganganalyse oder zur Analyse von Sprüngen verwendet.
EMG-Systeme benötigen einen Kanal pro Elektrodenpaar und werden mit 1000 bis 3000
Hz gemessen.
Andere Sensoren (Beschleunigungsaufnehmer, Winkelmesser) benötigen einen Kanal pro
Sensor. Die Aufnahmefrequenz variiert von 300 bis 5000 Hz.
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[ADC Auflösung]
[ADC Scan-Rate]
[ADC zur
Bewegungsanalyse]
[Typische Analogdaten in der Bewegungsanalyse]
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