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) aufeinanderaddiert 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 werwendet, 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.

Wichtige Kenngrößen

• Auflösung (Resolution)
• Umsetzgeschwindigkeit (Conversion Speed)
• Quantisierungsfehler (Quantizing Error)
• Linearitätsfehler (Relative Accuracy)
• Nullpunktsfehler (Offset Error)
• Verstärkungsfehler (Gain Error)

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