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.

Table of contents

1 Direkte Methode (Parallel-Verfahren)
2 Zählmethode
3 Iterationsmethode (Wäge-Verfahren)
4 Kondensatorentladungsmethode
5 Wichtige Kenngrößen
6 Beispiel: Dual-Slope ADC
7 A/D-Wandler als Computereinschubkarte

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.

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.