Techniklexikon

Analog-Digital-Wandler

A-D-Wandler. Engl. A-D-Converter. Elektronische Schaltung zur Umwandlung der Amplitudenwerte eines analogen Signals in eine äquivalente Folge von digitalen Signalen. Der A. führt eine Pulscodemodulation durch. Es werden unterschiedliche Prinzipien zur Wandlung angewendet. Am verbrei-tetsten sind die Prinzipien der sukzessiven Approximation (Approximation, sukzessive) und des Dual-Slope-Wandlers. Gelegentlich wird das aufwendige Prinzip der Parallelwandlung angewendet, das am schnellsten arbeitet. Entsprechend der geforderten Amplitudenstufung enthält der A. eine Anzahl Vergleichsspannungsquellen mit gestuften Spannungswerten. Diese sind jeweils durch digitale Codewörter gekennzeichnet. In einem Komparator werden die Amplituden von Analogspannung und Vergleichsspannung nacheinander verglichen. Bei Übereinstimmung wird das zugehörige digitale Codewort ausgegeben. A. werden überwiegend als IS hergestellt. Analog-Digital-Konverter, Analog-Digital-Umsetzer, A/D-Wandler, ADC, Analog-to-Digital-Converter, eine elektronische Schaltung bzw. ein elektronischer Bausatein, der ein analoges Signal in ein digitales Äquivalent umformt. Ein ADC setzt einen wertkontinuierlichen Spannungswert U in eine Binärzahl D(U) um, die angibt wie oft ein bestimmtes Spannungsintervall DU innerhalb von U enthalten ist. Dies führt zu einer linearen Diskretisierung des analogen Signals U. Bei einem 4-Bit-ADC ergibt das z.B. 16 äquidistante Stufen. Bei einem n-Bit ADC folgt für den kleinsten Analogspannungsschritt:

Bei Analog-Digital-Wandlern sind einige grundlegende Fehlerquellen zu beachten: Der Diskretisierungsfehler ergibt sich aus der maximalen Abweichung von der idealen Wandlerkennlinie. Die sog. Code-Weite entspricht dem Spannungswert eines LSB (Least Significant Bit). Selbst bei einem idealen ADC sind somit die digitalisierten analogen Eingangsspannungen mit einem Diskretisierungsfehler von  ± 1/2 LSB behaftet. Das Diskretisierungsrauschen folgt aus dem mittleren Rauschspannungsquadrat:

Nichtlinearitätsfehler können zum Ausfall von Binärcodes führen. Durch die Krümmung der ADC-Kennlinie beträgt dann die Code-Weite zwischen zwei Inkrementen nicht mehr exakt 1 LSB. Eine weitere Fehlerquelle ist der Offset-Fehler, der sich als eine Parallelverschiebung der ADC-Kennlinie äussert. Ursache hierfür können Offsetspannungen interner Operationsverstärker sein. Verstärkungsfehler stellen eine Abweichung der realen Kennlinie von der Sollsteigung der idealen Kennlinie dar. Ursache können Toleranzen der verstärkungsbestimmenden Widerstände sein.

Die Analog-Digital-Wandler lassen sich ihren Funktionsprinzip nach in drei Gruppen einteilen:

1) parallele Wandler (z.B. Flash-ADC).

2) sequentielle Wandler (z.B. sukzessive Approximation).

3) indirekte Wandler (z.B. Dual-Slope-Prinzip, Wilkenson-ADC).

Wichtig für den Einsatz von Analog-Digital-Wandlern ist die Kenntnis des Zusammenhangs zwischen der ermittelten Binärzahl und dem zu messenden Analogsignal. Um eine Messung interpretieren zu können, müssen erst zwei Grössen bestimmt werden: Das Pedestal P kann durch eine Nullmessung ermittelt werden. Die Eichung k ergibt den Zusammenhang zwischen der Signalspannung U und der Binärzahl. Diese Eichung kann mit Hilfe eines präzisen Referenzsignals erfolgen. [FG1]

Analog-Digital-Wandler 1: Prinzipschaltbild. U: Spannung, R: Widerstand, K: Komparator, T: Taktimpuls, &: AND-Gatter.