Analog-Digital-Umsetzer

Ein Analog-Digital-Umsetzer (ADU, auch: Analog-Digital-Wandler, A/D-Wandler) wandelt nach unterschiedlichen Methoden analoge Eingangssignale in digitale Werte um.

Direkte Methode (Parallel-Verfahren)

Bei der direkten Methode werden die anliegenden Eingangssignale in einem Schritt an Komparatoren-Eingänge gelegt. Es werden unmittelbar alle Komparatoren ausgelöst, deren Referenzgröße niedriger als die Eingangsgröße ist. Diese Methode erzielt hohe Geschwindigkeiten, ist aber bei hohen Genauigkeiten sehr aufwändig.

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 und kann im ungünstigen Fall über alle Zählerstufen gehen.

Iterationsmethode (Wäge-Verfahren)

Die Iterationsmethode ist der Zählmethode ähnlich. Auch hier erfolgt eine schrittweise Annäherung an den Referenzwert. Allerdings nicht linear in konstanten Zählschritten, sondern nach schnelleren Iterationsverfahren. Dieses Verfahren bietet den besten Kompromiss aus Schaltungsaufwand und Geschwindigkeit.

Kondensatorentladungsmethode

Dies ist die primitivste Methode. Man lädt einen Kondensator auf eine vordefinierte Spannung auf, entlädt ihn über einen Widerstand und misst die Zeit, bis ein bestimmter Entladungszustand erreicht ist. Diese Methode wird beim PC-Joystick verwendet, wobei der Widerstand der Potentiometer des Joysticks ist. Es kann aber auch Spannung gemessen werden, indem der Kondensator auf die Eingangsspannung aufgeladen wird. Sie ist sehr ungenau und der Zeitaufwand hängt, wie bei der (im Prinzip ännlichen) Zählmethode, von der Eingangsgröße ab.

Delta-Sigma-Verfahren (1-Bit Wandler)

Hierbei handelt es sich um das neueste Verfahren und ist zur Zeit von großer Bedeutung, da viele Geräte in der Consumer-Elektronik auf dieses Verfahren häufig zurückgreifen (CD-Player etc.). Auch bei Datenwandlern in der Kommunikationstechnik mit digitalen Filtern wird es eingesetzt. Das Verfahren wird erst bei großen Stückzahlen wirtschaftlich und ist nicht universell einsetzbar - dies liegt am Prinzip:

Das Prinzip: Das zeitliche Eingangssignal kommt über einen analogen Subtrahierer zum Integrator und verursacht an dessen Ausgang ein Signal, das ein Komparator mit eins oder null bewertet. Der 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 niedriger Erneuerungsrate aber hoher Auflösung wiedergeben.

Das Ergebnis kann parallel oder seriell ausgegeben werden.

Bsp.: Ein AD-Wandler in einem modernen digitalen Mobilfunknetz. Hierbei läßt sich die Sprache mit 1 MHz abtasten. Das Digitalfilter wandelt diesen Datenstrom in ein Ausgangssignal mit bsp. 8 kHz Erneuerungsrate und 14 Bit bis 16 Bit Auflösung um.

Das Prinzip ist streng linear, wenig anfällig gegen überlagerte Störungen, und es gibt keine Lücken im Ausgangskode. Eine Sample-and-Hold-Schaltung ist zum Glück nicht erforderlich. Das Digitalfilter transformiert das Quantisierungsrauschen zum größten Teil in seinen Sperrbereich, in dem auch überlagerte höherfrequente Störungen in fast idealer Weise unterdrückt werden.

Der Delta-Sigma-Modulator ist einfach herzustellen. Vielmehr liegt der Aufwand im nachfolgenden Digitalfilter, das den größten Teil der Chipfläche (die) beansprucht. Das Filter muß für jede Aufgabe eigens entwickelt werden.

Wichtige Kenngrößen

• Auflösung (Resolution)

   Gibt an wieviele Bits zur Darstellung verwendet werden.

• Umsetzgeschwindigkeit (Conversion Speed)
• Quantisierungsfehler (Quantizing Error)
• Linearitätsfehler (Relative Accuracy)
• Nullpunktsfehler (Offset Error)

    Die reale Umsetzerkennlinie ist seitlich zur idealen verschoben

• Verstärkungsfehler (Gain Error)
• Monotonie

    Beim Umsetzen wird davon ausgegangen dass die Eingangsgroesze monoton ist. Ist dies nicht der Fall koennen missing codes auftreten.

• Integrale Nichtlinearitaet

    Der Fehler zwischen dem Umgesetzen Wert und dem eigentlichen Wert. (Hoehe)

• Differentielle Nichtlinearitaet

    Nicht alle Quantisierungsschritte sind gleich breit.

Beispiel: Dual-Slope ADC

Der Dual-Slope ADC war das erste leistungsfähige Konzept eines Analog-Digital-Umsetzers. Um das Patent zu umgehen, und später auch durch die bessere Flexibilität, wird heute meist der Bit-Stream-ADC verwendet. Der Dual-Slope ADC bleibt aber trotzdem ein einfaches Verfahren zum Einstieg in die ADUs.

        .------.
        |      |
    Ux  | |\   |   Rint
    ----o-|-\  |  ___       || Cint
     Uref |  >-o-|___|-o----||----.
      ----|+/          |    ||    |
          |/           |          |
                       |   |\     |
                       '---|-\    |      |\ CMP
                           |  >---o------|-\
                       o---|+/      Uint |  >----
                       |   |/ INT    o---|+/
                      ===            |   |/ 
                      GND           ===
                                    GND

• Ux muss ein anderes Vorzeichen als Uref haben.
• Tint bzw. Tx wird durch den Integrator ermittelt. Die Spannung Uint stellt sich in einem Zeitdiagramm als Dreieck dar.
• Die Digitalisierung erfolgt durch Zählung der Zeiten mit festem Takt.

Nint = Tint / fT

Nx = Tx / fT

Nx = (Nint / -Uref) * Ux

A/D-Wandler als Computereinschubkarte

Wer das digitale Ausgangssignal eines A/D-Wandlers mit dem Computer weiterverarbeiten möchte, kauft am zweckmäßigsten eine an einen Bus anschließbare A/D-Wandlerkarte. Gängige Modelle bieten mehr als einen analogen Eingang (typisch 2,4 oder 8 Eingänge). Warnung: in der Regel haben diese Karten nur einen A/D-Wandler, dem ein Multiplexer vorgeschaltet ist. Das hat mehrere Nachteile: (1) die Erfassung der verschiedenen Eingangsdaten ist nicht genau simultan; (2) die maximale Leserate sinkt mit steigender Zahl von Eingängen; (3) der Multiplexer transportiert Ladung von einem Eingang zum nächsten, was die Hersteller in ihren Datenblättern verheimlichen: die faktische Eingangsimpedanz des Multiplexers ist deshalb um viele Größenordnungen geringer als die nominelle Eingangsimpedanz des A/D-Wandlers.

Siehe auch: Digital-analog-Umsetzer