Analog-digital-Umsetzer

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Analog-digital-Umsetzer

Stichpunkte

Allgemein
	A/D-Wandler oder englisch ADC f
	Ein Analog-Digital-Umsetzer (ADU
	auch: Analog-Digital-Wandler
	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 kÃ¶nnen
	Sein GegenstÃ¼ck ist der Digital-Analog-Umsetzer oder DAC
	Einen Ausgabewert eines ADC nennt man auch Sample
	Der ADC quantisiert ein kontinuierliches Signal in zwei Dimensionen: In der Amplitude
	In der Zeit. Jedes Signal wird dadurch treppenfÃ¶rmig "gesehen"
	Die Hauptparameter eines ADC sind dabei: seine AuflÃ¶sung in Bits
	als sie an tatsÃ¤chlicher Genauigkeit besitzen; daher sind die LinearitÃ¤tsparameter eines ADC oft aussagekrÃ¤ftiger als die Anzahl eben dieser Bits; seine Wandlungsgeschwindigkeit
	Manche ADCs geben jedoch aus bestimmten GrÃ¼nden mehr Bits aus
	Die meisten ADCs haben feste Wandlungszeiten
	es gibt jedoch - abhÃ¤ngig vom Wandlungsverfahren - auch besondere ADCs mit variabler Wandlungsgeschwindigkeit. Bild nicht gefunden AD-Umsetzer mit USB Ausgang Inhaltsverzeichnis showTocToggle("Anzeigen"
	"Verbergen") 1 Die Hauptwandlungsverfahren von ADCs 1.1 SÃ¤gezahn-Verfahren 1.2 SAR-Verfahren 1.3 Hybride Wandler 1.4 DUAL SLOPE- oder Rampenwandler 1.5 Trackingwandler 1.6 Modulationswandler 1.7 Direkte Methode (Parallel-Verfahren) 1.8 ZÃ¤hlmethode 1.9 Iterationsmethode (WÃ¤ge-Verfahren) 1.10 Delta-Sigma-Verfahren (1-Bit Wandler) 1.10.1 Das Prinzip 2 Wichtige KenngrÃ¶ÃŸen 3 Beispiel: Dual-Slope ADC 4 A/D-Wandler als Computereinschubkarte 5 Siehe auch 6 Weblinks [Bearbeiten]
Die Hauptwandlungsverfahren von ADCs
	[Bearbeiten]
SÃ¤gezahn-Verfahren
	Bild nicht gefunden SÃ¤gezahnverfahren [Bearbeiten]
SAR-Verfahren
	(SAR = successive approximation register)
	mit dem er das eingehende Signal mittels Intervallschachtelung einzugrenzen versucht
	Hier besitzt der ADC einen internen DAC
	einen Komparator sowie ein Steuerwerk
	FÃ¼r jedes Bit derartiger ADCs ist jeweils ein Clock-Zyklus vonnÃ¶ten
	Derartige Wandler erreichen AuflÃ¶sungen von 16 Bit bei einer Datenausgangsrate von 1 MHz
	bei dem jeweils das MSB der Referenzspannung (diese wird zu Beginn auf einen Mittleren Bit-Wert gesetzt) mit der Eingangsspannung Ue verglichen wird
	Als Beispiel wÃ¤re hier zu erwÃ¤hnen das WÃ¤geverfahren
	Ist dann das MSB grÃ¶ÃŸer als Ue
	so wird das folgende Bit gelÃ¶scht - somit wird die Referenzspannung kleiner
	Ansonsten wird das folgende Bit auf "1" gesetzt
	damit die Referenzspannung grÃ¶ÃŸer wird und sich Ue von unten her nÃ¤hert
	So erfolgt eine schrittweise AnnÃ¤hrung an Ue
	Der Komparator beim WÃ¤geverfahren gibt einen High-Pegel aus
	solange die Referenzspannung kleiner/gleich der Eingangsspannung Ue ist. [Bearbeiten]
Hybride Wandler
	das die Kalibrierungsdaten enthÃ¤lt
	gepipelinete ADCs mit mehreren internen SAR- und FLASH-Stufen sowie einem Korrektur-ROM
	Dies sind meist mehrstufige
	Hier erreicht man AuflÃ¶sungen von 14 Bit bei einer Datenausgangsrate von 5 MHz. [Bearbeiten]
DUAL SLOPE- oder Rampenwandler
	Diese bestehen im Wesentlichen aus einem Integrator und elektronischen Schaltern und laden/entladen einen externen
	hochwertigen Kondensator mittels mehrerer Zyklen
	da sie relativ immun gegen Rauschen sind
	Derartige Slope-Wandler sind relativ langsam und werden oft in digitalen Voltmetern eingesetzt
	Klassische Slope-Wandler sind Dual-
	Quad- und Multislope-Wandler. [Bearbeiten]
Trackingwandler
	Diese Ã¤hneln den Slope-Wandlern
	nur werden die Rampen mittels eines Auf-/AbwÃ¤rtszÃ¤hlers und eines nachgeschalteten DACs anstelle eines Integrators erzeugt
	woraus sich erklÃ¤rt
	Oft sind die Rampen derartiger Wandler simpel und monoton; sie "fahren" dem Signal einfach nach
	dass die Wandlungszeit derartiger ADCs vom Abstand des aktuellen Eingangssignals zum letzten gemessenen Zustand des Eingangssignals abhÃ¤ngt. [Bearbeiten]
Modulationswandler
	Diese sind die neuesten Typen von Wandlern und bieten ein Optimum an Genauigkeit und Geschwindigkeit
	Hier wird das Eingangssignal
	das grundsÃ¤tzlich verstÃ¤rkt vorliegen muss
	zunÃ¤chst an einen kleinen Kondensator gefÃ¼hrt
	und auf dessen AnschlÃ¼sse aus den EingÃ¤ngen des ADCs austretende Hochfrequenz mittels elektronischer Schalter moduliert wird
	dessen Genauigkeit eine untergeordnete Rolle spielt
	Der Kondensator ist lediglich vonnÃ¶ten
	um die vorgeschalteten VerstÃ¤rker nicht zu belasten bzw. relativ langsame und rauscharme VerstÃ¤rker einsetzen zu kÃ¶nnen
	Das Verhalten des so modulierten Eingangssignals wird schlieÃŸlich Ã¼ber sich im ADC befindliche digitale Filter umgerechnet und ausgegeben
	was nicht selten die QualitÃ¤t der zu messenden Signale weit Ã¼bertrifft. [Bearbeiten]
	Derartige Wandler haben feste Wandlungszeiten und erreichen praktische AuflÃ¶sungen von 20 Bit bei Datenausgangsraten von Ã¼ber 40 kHz
Direkte Methode (Parallel-Verfahren)
	Bei der direkten Methode werden die anliegenden Eingangssignale direkt an die EingÃ¤nge einer Reihe von Komparatoren gelegt
	Die zweiten EingÃ¤nge der Komparatoren werden an eine Reihe unterschiedlicher ReferenzgrÃ¶ÃŸen gelegt
	Dadurch werden unmittelbar alle Komparatoren ausgelÃ¶st
	bei denen die EingangsgrÃ¶ÃŸe hÃ¶her als ihre ReferenzgrÃ¶ÃŸe ist
	erzielt diese Methode hohe Geschwindigkeiten
	ist aber bei hohen Genauigkeiten aufgrund der nÃ¶tigen Anzahl an Komparatoren und prÃ¤zisen ReferenzgrÃ¶ÃŸen sehr aufwÃ¤ndig
	Da die Komparatoren unabhÃ¤ngig voneinander und gleichzeitig arbeiten
	die Wandler heiÃŸen auch FLASH-ADC
	Dieses Verfahren wird auch als Flash-Wandlung bezeichnet
	Den Komparatoren vorgeschaltet ist ein mehrstufiger 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- und Ultraschallanwendungen eingesetzt und erreichen eine AuflÃ¶sung von 10 Bit bei einer Datenausgangsrate von 50 MHz bzw
	8 Bit bei einer Abtastrate von 1
	5 GHz (MAX108). [Bearbeiten]
ZÃ¤hlmethode
	Bei der ZÃ¤hlmethode wird so lange der kleinste gewÃ¼nschte Schritt (LSB) aufeinander addiert und an einen Komparator geliefert
	bis der Wert gleich oder grÃ¶ÃŸer der angelegten analogen ReferenzgrÃ¶ÃŸe ist
	Die Schritte werden mit einem ZÃ¤hler erzeugt
	der dem Verfahren seinen Namen gibt
	im ungÃ¼nstigsten Fall muss der ZÃ¤hler alle Stufen durchlaufen. [Bearbeiten]
	Der Schaltungsaufwand ist sehr gering
	allerdings ist die Umsetzungszeit abhÃ¤ngig von der EingangsgrÃ¶ÃŸe
Iterationsmethode (WÃ¤ge-Verfahren)
	Die Iterationsmethode ist der ZÃ¤hlmethode Ã¤hnlich
	Auch hier erfolgt eine schrittweise AnnÃ¤herung an den Eingangswert
	sondern nach anderen
	schnelleren Iterationsverfahren
	allerdings nicht linear in konstanten ZÃ¤hlschritten
	Dieses Verfahren bietet den besten Kompromiss aus Schaltungsaufwand und Geschwindigkeit. [Bearbeiten]
Delta-Sigma-Verfahren (1-Bit Wandler)
	Hierbei handelt es sich um das neueste Verfahren
	da viele GerÃ¤te in der Consumer-Elektronik wie zum Beispiel MiniDisc oder DAT-Rekorder auf dieses extrem genaue Verfahren zurÃ¼ckgreifen
	Es ist zur Zeit von groÃŸer Bedeutung
	Auch bei Datenwandlern in der Kommunikationstechnik mit digitalen Filtern wird es eingesetzt
	Das Verfahren wird erst bei groÃŸen StÃ¼ckzahlen wirtschaftlich und ist nicht universell einsetzbar - dies liegt am Prinzip: [Bearbeiten]
Das Prinzip
	das ein Komparator mit eins oder null bewertet
	Das zeitliche Eingangssignal kommt Ã¼ber einen analogen Subtrahierer zum Integrator und verursacht an dessen Ausgang ein Signal
	Der 1-Bit-Digital-Analog-Wandler erzeugt daraus eine positive oder negative Spannung
	die Ã¼ber den Subtrahierer den Integrator wieder auf Null zurÃ¼ckzieht (Regelkreis)
	welche den Analogwert am Eingang mit niedriger Erneuerungsrate aber hoher AuflÃ¶sung wiedergeben
	Das nachgeschaltete Digitalfilter setzt den seriellen und hoch-frequenten Bit-Strom in digitale also diskrete Werte um
	Das Ergebnis kann parallel / seriell ausgegeben werden. [Bearbeiten]
Wichtige KenngrÃ¶ÃŸen
	wieviele Bits zur Darstellung verwendet werden. Umsetzgeschwindigkeit (Conversion Speed) Quantisierungsfehler (Quantizing Error) LinearitÃ¤tsfehler (Relative Accuracy) Nullpunktsfehler (Offset Error) â€“ Die reale Umsetzerkennlinie ist seitlich zur idealen verschoben. VerstÃ¤rkungsfehler (Gain Error) Monotonie â€“ Beim Umsetzen wird davon ausgegangen
	dass die EingangsgrÃ¶ÃŸe monoton ist
	AuflÃ¶sung (Resolution) â€“ Gibt an
	Ist dies nicht der Fall
	kÃ¶nnen "missing codes" auftreten. Integrale Nichtlinearitaet â€“ Der Fehler zwischen dem umgesetzen Wert und dem eigentlichen Wert. (HÃ¶he) Differentielle NichtlinearitÃ¤t â€“ Nicht alle Quantisierungsschritte sind gleich breit. [Bearbeiten]
Beispiel: Dual-Slope ADC
	Der Dual-Slope ADC war das erste leistungsfÃ¤hige Konzept eines Analog-Digital-Umsetzers
	Um das Patent zu umgehen
	und spÃ¤ter auch durch die bessere FlexibilitÃ¤t
	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 ZÃ¤hlung der Zeiten mit festem Takt. Nint = Tint / fT Nx = Tx / fT Nx = (Nint / -Uref) * Ux [Bearbeiten]
A/D-Wandler als Computereinschubkarte
	Wer das digitale Ausgangssignal eines A/D-Wandlers mit dem Computer weiterverarbeiten mÃ¶chte
	kauft am zweckmÃ¤ÃŸigsten eine an einen Bus anschlieÃŸbare A/D-Wandlerkarte
	8 oder 16 EingÃ¤nge). Warnung: In der Regel haben diese Karten nur einen A/D-Wandler
	GÃ¤ngige Modelle bieten mehr als einen analogen Eingang (typisch 2
	dem ein Multiplexer vorgeschaltet ist
	4
	was manche Hersteller in ihren DatenblÃ¤ttern verschweigen: die faktische Eingangsimpedanz des Multiplexers kann deshalb um viele GrÃ¶ÃŸenordnungen geringer sein als die nominelle Eingangsimpedanz des A/D-Wandlers. [Bearbeiten]
	Das hat mehrere Nachteile: die Erfassung der verschiedenen Eingangsdaten ist nicht genau simultan; die maximale Leserate sinkt mit steigender Zahl von EingÃ¤ngen; der Multiplexer transportiert Ladung von einem Eingang zum nÃ¤chsten
Siehe auch
	Nyquist-Theorem
	Antialiasing
	Alias-Effekt
	Spiegelfrequenz
	Rundungsrauschen. [Bearbeiten]
	Digital-analog-Umsetzer
Weblinks
	http://www.delta.uni-dortmund.de/scripts/Elektronik_SS03/KAPITEL_11.pdf http://www.beis.de/Elektronik/DeltaSigma/DeltaSigma.html http://www.savioursofsoul.de/Christian/ITA-SD.EXE da:AD-konverter en:Analog-to-digital converter fi:A/D-muunnin ja:ã‚¢ãƒŠãƒã‚°-ãƒ‡ã‚¸ã‚¿ãƒ«å¤‰æ?›å›žè·¯ nl:AD-converter

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Allgemein

Die Hauptwandlungsverfahren von ADCs

SÃ¤gezahn-Verfahren

SAR-Verfahren

Hybride Wandler

DUAL SLOPE- oder Rampenwandler

Trackingwandler

Modulationswandler

Direkte Methode (Parallel-Verfahren)

ZÃ¤hlmethode

Iterationsmethode (WÃ¤ge-Verfahren)

Delta-Sigma-Verfahren (1-Bit Wandler)

Das Prinzip

Wichtige KenngrÃ¶ÃŸen

Beispiel: Dual-Slope ADC

A/D-Wandler als Computereinschubkarte

Siehe auch

Weblinks