Analog-Digital-Umsetzer
Ein Analog-Digital-Umsetzer (ADU, auch: Analog-Digital-Wandler, A/D-Wandler oder englisch ADC f. Analog-to-Digital-Converter) wandelt nach unterschiedlichen Methoden analoge Eingangssignale in digitale Daten bzw. einen Datenstrom um, die dann weiterverarbeitet oder gespeichert werden können.
Das Gegenstück ist der Digital-Analog-Umsetzer oder DAC. Der ADU quantisiert ein kontinuierliches Spannungssignal sowohl in der Zeit als auch in der Amplitude. Jedes Signal ist dadurch nach der Wandlung treppenförmig. Die Hauptparameter eines ADUs sind seine Auflösung in Bit und seine Wandlungsgeschwindigkeit, wovon die maximale Wandlungsrate abhängt. Die Auflösung stellt gleichzeitig die Genauigkeitsgrenze für die Umwandlung dar. Die nutzbare Genauigkeit wird durch Nichtlinearitäten im analogen Schaltungsteil des ADUs verringert. Die Wandlungsgeschwindigkeit ist meist konstant, kann aber bei speziellen Wandlertypen vom Wert der anliegenden Spannung abhängen.
Funktionsprinzipien
Es gibt eine große Anzahl von Verfahren, die zur Umsetzung von analogen in digitale Signale benutzt werden können. Im Folgenden sind die wichtigsten Prinzipien aufgeführt.
Single-Slope-Wandler (Sägezahn-/Einrampenverfahren/Zählverfahren)
Beim Sägezahnverfahren wird die Ausgangsspannung eines Sägezahngenerators über zwei Komparatoren und mit dem Massepotential (0 V) und mit der ADU-Eingangsspannung verglichen. Während des Zeitraums, in dem die Sägezahnspannung den Bereich zwischen 0 V und der Spannung durchläuft, werden die Pulse eines Quarzoszillators durch einen Zähler summiert. Aufgrund der konstanten Steigung der Sägezahnspannung ist die verstrichene Zeit und somit der Zählerstand bei Erreichen von proportional zur Höhe der ADU-Eingangsspannung. Nach dem Ende des Zählvorgangs wird das Zählergebnis in ein Register übertragen und steht als digitales Signal zur Verfügung. Anschließend wird der Zähler zurückgesetzt und ein neuer Wandlungsvorgang beginnt.
Die Wandlungszeit bei diesem ADU ist abhängig von der Eingangsspannung. Zeitlich schnell veränderliche Signale können mit diesem Wandlertyp nicht korrekt gewandelt werden. Wandler nach dem Sägezahnverfahren sind sehr ungenau, da der Sägezahngenerator mit Hilfe eines temperatur- und alterungsabhängigen Integrationskondensators arbeitet. Sie werden wegen ihres relativ geringen Schaltungsaufwandes für einfache Aufgaben eingesetzt, z. B. in Spielkonsolen, um die Stellung eines Potentiometers, das durch einen Joystick oder ein Lenkrad bewegt wird, zu digitalisieren.
Dual-Slope-/Multislope-Wandler (Mehrrampenverfahren)
Sie stellen eine Weiterentwicklung der Einrampen-Wandler dar und bestehen im Wesentlichen aus einem Integrator und mehreren elektronischen Schaltern. Der Integrator arbeitet mit einem externen, hochwertigen Kondensator, der in zwei oder mehr Zyklen geladen und entladen wird. Zunächst wird der Integratoreingang mit der unbekannten ADU-Eingangsspannung verbunden und es erfolgt die Ladung über ein fest vorgegebenes Zeitintervall. Für die anschließende Entladung wird der Integrator mit einer bekannten Referenzspannung entgegengesetzter Polarität verbunden. Die benötigte Entladezeit bis zum Erreichen von Null am Integratorausgang wird durch einen Zähler ermittelt und daraus die unbekannte Eingangsspannung bestimmt. Zur Kompensation von internen Offsetfehlern des ADU wird beim Vierrampenverfahren noch ein weiterer Lade-/Entladezyklus bei kurzgeschlossenem Integratoreingang durchgeführt.
Derartige Wandler nach dem Mehrrampenverfahren sind relativ langsam, bieten aber eine sehr hohe Auflösung sowie gute differentielle Linearität und gute Unterdrückung von Störsignalen wie Rauschen. Sie werden daher oft in digitalen Voltmetern eingesetzt. Klassische Slope-Wandler sind Dual-, Quad- und Multislope-Wandler.
Delta-Sigma-Verfahren (Charge-Balance-Verfahren, 1-Bit-Wandler)
Das zeitliche Eingangssignal kommt über einen analogen Subtrahierer zum Integrator und verursacht an dessen Ausgang ein Signal, das von einem Komparator mit Eins oder Null bewertet wird. Ein 1-Bit-Digital-Analog-Wandler erzeugt daraus eine positive oder negative Spannung, die über den Subtrahierer den Integrator wieder auf Null zurückzieht (Regelkreis). Das nachgeschaltete Digitalfilter setzt den seriellen und hoch-frequenten Bit-Strom in digitale also diskrete Werte um, welche den Analogwert am Eingang mit niedrigerer Erneuerungsrate aber hoher Auflösung wiedergeben. Das Ergebnis kann parallel oder seriell ausgegeben werden.
Das Delta-Sigma-Verfahren ist von großer Bedeutung, da viele Geräte in der Consumer-Elektronik wie zum Beispiel MiniDisc oder DAT-Rekorder auf dieses extrem genaue Verfahren zurückgreifen. Auch bei Datenwandlern in der Kommunikationstechnik mit digitalen Filtern wird es eingesetzt.
Sukzessive Approximation
Ein ADU, der nach dem Verfahren der sukzessiven Approximation (d. h. schrittweise Annäherung) arbeitet, grenzt das eingehende Signal mittels Intervallschachtelung ein. Dazu besitzt er ein Datenregister (successive approximation register, SAR), in dem zum Schluss der ermittelte digitale Wert steht, einen Digital-Analog-Umsetzer, der eine dem momentanen Digitalwert des Datenregisters entsprechende analoge Referenzspannung erzeugt, einen Komparator, der die erzeugte Referenzspannung mit der Eingangsspannung vergleicht, und ein Steuerwerk. Für jedes Bit an Genauigkeit benötigt der ADU jeweils einen Taktzyklus Wandlungszeit. Derartige Wandler erreichen Auflösungen von 16 Bit bei einer Wandlungsrate von 1 MHz.
Ein mögliches Approximationsverfahren stellt das Wägeverfahren dar. Dabei werden zunächst alle Bits auf Null gesetzt. Beginnend beim Most Significant Bit (MSB) werden abwärts bis zum Least Significant Bit (LSB) nacheinander alle Bits des Digitalwerts ermittelt. In jedem Taktzyklus wird vom Steuerwerk jeweils das in Arbeit befindliche Bit probeweise gesetzt; der Digital-Analog-Umsetzer erzeugt die dem aktuellen Digitalwert entsprechende Referenzspannung. Der Komparator vergleicht die Referenzspannung mit der Eingangsspannung und veranlasst das Steuerwerk, das in Arbeit befindliche Bit wieder zurückzusetzen, wenn die Referenzspannung höher ist als die Eingangsspannung. Wenn die Referenzspannung kleiner oder gleich der Eingangsspannung ist, bleibt das Bit gesetzt. So erfolgt eine schrittweise (sukzessive) Annäherung der Referenzspannung an die Eingangsspannung. Während der Umsetzung darf sich das Eingangssignal nicht ändern, da sonst die niederwertigen Bits auf Grundlage einer anderen Eingangsspannung gewogen werden würden. Deshalb ist dem Eingang eine Abtast-Halte-Schaltung vorgeschaltet.
Bei schnellen Konvertern ist das Approximationsverfahren als Pipeline ausgeführt.
Flash-Wandler
Die direkte Methode oder auch Flash-Wandlung basiert (ähnlich wie sukzessiv approximierende Wandler) auf Vergleichern (Komparatoren). Allerdings ist bei Flash-Wandlern für jeden möglichen Ausgangswert (bis auf den kleinsten bzw. größten) ein separat implementierter Komparator erforderlich. Ein 8-Bit-Flash-Wandler benötigt somit z. B. 28−1 = 255 Komparatoren. Bei höheren Auflösungen steigt der erforderliche Aufwand drastisch an, weshalb Flash-Wandler typischerweise nur in kleinen Auflösungen von etwa 8 bis 12 Bit verfügbar sind.
Das analoge Eingangssignal wird im Flash-Wandler gleichzeitig von allen Komparatoren mit den (über einen mehrstufigen Spannungsteiler erzeugten) Referenzgrößen verglichen. Anschließend erfolgt durch eine Kodierlogik die Umsetzung der 2n−1 Komparatorsignale in einen n bit breiten Binärcode (mit n: Auflösung in bit). Das Resultat steht damit nach den Durchlaufverzögerungen (Schaltzeit der Komparatoren sowie Verzögerung der Kodierlogik) sofort zur Verfügung.
Flash-Wandler kommen normalerweise in allen Digitaloszilloskopen und bei der Digitalisierung von Videosignalen zur Anwendung. Als Beispiel ermöglicht der MAX108 bei einer Auflösung von 8 bit eine Abtastrate von 1,5 GHz. Bei heutigen Digitaloszilloskopen mit möglichen Abtastraten von 20 Gigasample je Sekunde werden zusätzlich noch Demultiplexer vorgeschaltet.
Pipeline-Wandler
Pipeline Wandler sind meist mehrstufige Analog-Digital-Umsetzer, die mehrere interne Flash-Stufen besitzen und in Pipeline-Architektur aufgebaut sind. In jeder Pipelinestufe wird eine grobe Quantisierung vorgenommen, dieser Wert wieder in ein Signal gewandelt und von dem Eingangsignal abgezogen. Die Differenz zwischen Qunatisierung und Eingangssignal wird an die nächste Stufe weitergeleitet.
Die Werte der Quantisierungsstufen werden unter Berücksichtigung ihre Gewichtung addiert. Meist enthält ein Korrektur-ROM noch Kalibrierungsdaten, die dazu dienen, Fehler zu korrigieren, die in den einzelnen Digitalisierungsstufen entstehen. Bei manchen Ausführungen werden diese Korrekturdaten auch auf ein externes Signal hin generiert und in einem Random Access Memory abgelegt. Diese Wandler erreichen Auflösungen von 14 Bit bei einer Datenausgangsrate von 5 MHz.
Hybrid-Wandler
Ein Hybrid-Wandler basiert auf einer SAR-Struktur, wobei der ursprüngliche Komperator durch einen Flash-Wandler ersetzt wird. Dadurch kann in jedem Approximationschritt mehr als ein Bit ermittelt werden.
Tracking-Wandler
Diese ähneln den Slope-Wandlern, nur werden die Rampen mittels eines Auf-/Abwärtszählers und eines nachgeschalteten DACs anstelle eines Integrators erzeugt. Oft sind die Rampen derartiger Wandler simpel und monoton; sie "fahren" dem Signal einfach nach, woraus sich erklärt, dass die Wandlungszeit derartiger ADCs vom Abstand des aktuellen Eingangssignals zum letzten gemessenen Zustand des Eingangssignals abhängt.
Zählmethode
Bei der Zählmethode wird so lange der kleinste gewünschte Schritt (LSB) aufeinander addiert und an einen Komparator geliefert, bis der Wert gleich oder größer der angelegten analogen Referenzgröße ist. Die Schritte werden mit einem Zähler erzeugt, der dem Verfahren seinen Namen gibt. Der Schaltungsaufwand ist sehr gering, allerdings ist die Umsetzungszeit abhängig von der Eingangsgröße, im ungünstigsten Fall muss der Zähler alle Stufen durchlaufen.
Wichtige Kenngrößen
- Umsetzgeschwindigkeit (Conversion Speed) – Die Dauer einer Wandlung.
- Auflösung (Resolution) – Die Anzahl der Bits, die zur Darstellung des Eingangssignals verwendet werden. Dies bestimmt den Quantisierungsfehler. Für die Beurteilung der Genauigkeit des Analog-Digital-Umsetzer ist aber die Auflösung nur ein erster Anhaltspunkt, da weitere Fehlerquellen hinzukommen.
- Linearitätsfehler – Die Kennlinie weicht von der idealen Kennlinie ab.
- Nullpunktsfehler – Die Umsetzerkennlinie ist seitlich verschoben.
- Verstärkungsfehler – Der digitale Wert unterscheidet sich um einen konstanten Prozentsatz von der Eingangsspannung. Die mittlere Steigung der Umsetzerkennlinie weicht von 1 ab.
- Integrale Nichtlinearität – Der Fehler zwischen dem umgesetzen Wert und dem eigentlichen Wert. (Höhe)
- Differentielle Nichtlinearität – Abweichung der Breite der Umsetzungsintervalle vom Idealwert
- Quantisierungskennlinie – Funktion zur Abbildung von Analogwerten auf Digitalwerte, z.B. linear oder logarithmisch
- Signal-Rausch-Verhältnis in dB
- Dynamikumfang in dB
- Intermodulationsstörungen in dB
- Monotonie – Ist ein Analog-Digital-Umsetzer monoton, so ist ausgeschlossen, dass eine Vergrößerung des Eingangssignals einen kleineren Ausgangscode zur Folge hat. Diese Eigenschaft ist für einige Anwendungen wichtig, z. B. wenn der Analog-Digital-Wandler innerhalb eines Regelkreises arbeiten soll.
Siehe auch
Alias-Effekt | Antialiasing | Digital-Analog-Umsetzer | Nyquist-Theorem | Quantisierungsrauschen | Spiegelfrequenz