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 auf digitalem Wege weiterverarbeitet oder gespeichert werden können. Sein Gegenstück ist der Digital-Analog-Umsetzer oder DAC. Einen Ausgabewert eines ADC nennt man auch Sample.

Der ADC quantisiert ein kontinuierliches Spannungssignal in zwei Dimensionen:

1. In der Amplitude.
2. In der Zeit.

Jedes Signal wird dadurch treppenförmig "gesehen". Die Hauptparameter eines ADC sind dabei:

• seine Auflösung in Bits. Manche ADCs geben jedoch aus bestimmten Gründen mehr Bits aus, als sie an tatsächlicher Genauigkeit besitzen; daher sind die Linearitätsparameter eines ADC oft aussagekräftiger als die Anzahl eben dieser Bits;
• seine Wandlungsgeschwindigkeit. Die meisten ADCs haben feste Wandlungszeiten, es gibt jedoch - abhängig vom Wandlungsverfahren - auch besondere ADCs mit variabler Wandlungsgeschwindigkeit.

AD-Umsetzer mit USB Ausgang

Die Hauptwandlungsverfahren von ADCs

Sägezahn-Verfahren

Datei:Saegezahnverfahren.png

Sägezahnverfahren

SAR-Verfahren

(SAR = successive approximation register). Hier besitzt der ADC einen internen DAC, einen Komparator sowie ein Steuerwerk, mit dem er das eingehende Signal mittels Intervallschachtelung einzugrenzen versucht. Für jedes Bit derartiger ADCs ist jeweils ein Clock-Zyklus nötig. Derartige Wandler erreichen Auflösungen von 16 Bit bei einer Datenausgangsrate von 1 MHz. Als Beispiel wäre hier zu erwähnen das Wägeverfahren, bei dem jeweils das MSB der Referenzspannung (diese wird zu Beginn auf einen Mittleren Bit-Wert gesetzt) mit der Eingangsspannung *Ue* verglichen wird. Ist dann das MSB größer als Ue, so wird das folgende Bit gelöscht - somit wird die Referenzspannung kleiner. Ansonsten wird das folgende Bit auf "1" gesetzt, damit die Referenzspannung größer wird und sich Ue von unten her nähert. So erfolgt eine schrittweise (suczessive) Annährung an Ue. Während der Umsetzung darf sich das Eingangssignal ue nicht ändern, da sonst das MSB-1 te Bit auf Grundlage einer anderen Eingangsspannung gewogen werden würde. Deshalb ist dem Eingang eine Sample & Hold Stufe vorzusehen. Dies führt zu geringeren Umsetz-Zeiten! Der Komparator (z.B. ein D-FlipFlop) beim Wägeverfahren gibt einen High-Pegel aus, solange die Referenzspannung kleiner/gleich der Eingangsspannung Ue ist.

Hybride Wandler

Dies sind meist mehrstufige, gepipelinete ADCs mit mehreren internen SAR- und FLASH-Stufen sowie einem Korrektur-ROM, das die Kalibrierungsdaten enthält. Hier erreicht man Auflösungen von 14 Bit bei einer Datenausgangsrate von 5 MHz.

DUAL SLOPE- oder Rampenwandler

Diese bestehen im Wesentlichen aus einem Integrator und elektronischen Schaltern und laden/entladen einen externen, hochwertigen Kondensator mittels mehrerer Zyklen. Der Kondensator wird also durch die unbekannte Spannung geladen und anschließend durch die Referenzspannung wieder entladen. Die benötigte Entladezeit wird gemessen und daraus der unbekannte Wert ermittelt. Derartige Slope-Wandler sind relativ langsam und werden oft in digitalen Voltmetern eingesetzt, da sie relativ immun gegen Rauschen sind. Klassische Slope-Wandler sind Dual-, Quad- und Multislope-Wandler.

Trackingwandler

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.

Modulationswandler

Diese sind die neuesten Typen von Wandlern und bieten ein Optimum an Genauigkeit und Geschwindigkeit. Hier wird das Eingangssignal, das grundsätzlich verstärkt vorliegen muss, zunächst an einen kleinen Kondensator geführt, dessen Genauigkeit eine untergeordnete Rolle spielt, und auf dessen Anschlüsse aus den Eingängen des ADCs austretende Hochfrequenz mittels elektronischer Schalter moduliert wird. Der Kondensator ist lediglich vonnöten, um die vorgeschalteten Verstärker nicht zu belasten bzw. relativ langsame und rauscharme Verstärker einsetzen zu können. Das Verhalten des so modulierten Eingangssignals wird schließlich über sich im ADC befindliche digitale Filter umgerechnet und ausgegeben. Derartige Wandler haben feste Wandlungszeiten und erreichen praktische Auflösungen von 20 Bit bei Datenausgangsraten von über 40 kHz, was nicht selten die Qualität der zu messenden Signale weit übertrifft.

Direkte Methode (Parallel - Verfahren)

Bei der direkten Methode werden die anliegenden Eingangssignale direkt an die Eingänge einer Reihe von Komparatoren gelegt. Die zweiten Eingänge der Komparatoren werden an eine Reihe unterschiedlicher Referenzgrößen gelegt. Dadurch werden unmittelbar alle Komparatoren ausgelöst, bei denen die Eingangsgröße höher als ihre Referenzgröße ist. Da die Komparatoren unabhängig voneinander und gleichzeitig arbeiten, erzielt diese Methode hohe Geschwindigkeiten, ist aber bei hohen Genauigkeiten aufgrund der nötigen Anzahl an Komparatoren (2^n -1) und präzisen Referenzgrößen sehr aufwändig. Dieses Verfahren wird auch als Flash-Wandlung bezeichnet, die Wandler heißen auch FLASH-ADC oder Word at a Time-ADC.

Den Komparatoren vorgeschaltet ist ein mehrstufiger (2^n -1) Spannungsteiler. Sie bilden die schnellsten ADCs, allerdings auf Kosten des Stromverbrauchs und der Genauigkeit, die oft nur niedrig ist. FLASH-ADCs werden oft in Video-, Ultraschallanwendungen oder Radar eingesetzt und erreichen eine Auflösung von 10 Bit bei einer Datenausgangsrate von 50 MHz bzw. 8 Bit bei einer Abtastrate von 1,5 GHz (MAX108).

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.

Iterationsmethode (Wäge-Verfahren)

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

Delta-Sigma-Verfahren (1-Bit Wandler)

Hierbei handelt es sich um das neueste Verfahren. Es ist zur Zeit 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. 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 / seriell ausgegeben 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 Eingangsgröße monoton ist. Ist dies nicht der Fall, können "missing codes" auftreten.
• Integrale Nichtlinearitaet – Der Fehler zwischen dem umgesetzen Wert und dem eigentlichen Wert. (Höhe)
• Differentielle Nichtlinearität – Nicht alle Quantisierungsschritte sind gleich breit.
• Signalstörabstand (SNNR- Signal to Noise Ratio) in dB
• Dynamikumfang (Dynamic Range) in dB
• Intermodulationsstörungen (Inter Modulation Distortion) in dB

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, 8 oder 16 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 manche Hersteller in ihren Datenblättern verschweigen: die faktische Eingangsimpedanz des Multiplexers kann deshalb um viele Größenordnungen geringer sein als die nominelle Eingangsimpedanz des A/D-Wandlers.

Siehe auch

Digital-analog-Umsetzer, Nyquist-Theorem, Alias-Effekt, Antialiasing, Spiegelfrequenz, Rundungsrauschen.

Weblinks

• http://www.beis.de/Elektronik/DeltaSigma/DeltaSigma.html