D/A-Wandler: Ein Bit analog

Tipps zur richtigen Wandlerwahl

D/A-Wandler: Ein Bit analog

Trotz der weiten Verbreitung digitaler Elektronik bleibt die reale Welt weiterhin analog. An der Schnittstelle vom digitalen Bereich zur physikalischen Größe bedarf es Digital Analog Wandler. Folgender Artikel beschreibt die wichtigsten Parameter, die bei der Auswahl dieser Komponenten zu berücksichtigen sind.

Dass mittlerweile die meisten elektronischen Geräte eine digitale Steuerung enthalten, hat wohl das Y2K-Problem verdeutlicht. Trotzdem benötigt man zur Ansteuerung eines Stellgliedes, z. B. eines Ventils oder auch eines Lautsprechers weiterhin eine analoge Größe. Die Umwandlung von der digitalen in die analoge Umgebung erfolgt typischerweise mit einem Wandlerbaustein. Je nach Anforderung an die Konvertierung und Rahmenbedingungen im System kann die Auswahl einer geeigneten ICs aus einer großen Vielzahl von Standardbausteinen erfolgen.

Auflösung
Das Hauptaugenmerk bei der Auswahl eines Digital Analog Converters (DAC) gilt zunächst der Auflösung eines Bausteins, d. h. die Anzahl der Stufen, aus der ein ausgegebener analoger Wert maximal bestehen kann. Die größte Auswahl auf dem Markt erhältlicher Bausteine liegt im Bereich 8- bis 16-bit Auflösung, d. h. bei 256 bis 65.536 Stufen. Allerdings sagt die angegebene Auflösung noch nichts über die Genauigkeit eines Bausteins aus, da noch einige Fehlerquellen berücksichtigt werden müssen. Da wäre zunächst die integrale Nichtlinearität (Integral Nonlinearity – INL), diese beschreibt die Abweichung der Übertragungsfunktion eins DACs von einer geraden Linie. Diese gerade Linie kann entweder durch die bestmögliche Approximation an die tatsächliche Übertragungsfunktion oder durch das Verbinden der Endpunkte, wenn Offset- und Verstärkungsfehler abgezogen wurden, bestimmt werden. Bei DACs wird die Abweichung an jedem einzelnen Punkt gemessen. Die Ermittlung der INL ist in Bild 1a dargestellt. Low-cost Bausteine weisen eine INL bis zu ±16 LSB- (Least significant bit) auf, welche eventuell durch Korrekturfaktoren in der Betriebssoftware verbessert werden kann. High-end DACs liegen bei Werten kleiner oder gleich ±1 LSB.
Die differentielle Nichtlinearität (Differential Nonlinearity – DNL) beschreibt den Unterschied zwischen einer tatsächlich auftretenden Schrittweite und dem idealen Wert von genau einem LSB. Anzustreben ist eine DNL kleiner oder gleich 1 LSB, da damit der DAC monoton ist, d. h. ein kleinerer Wert niemals einen größeren Ausgabewert wie ein höherer Wert haben kann, und keine Daten verloren gehen. Bild 1b zeigt die Ermittlung der DNL anhand einer Übertragungsfunktion. Bild 1c stellt einen Offset-Fehler dar, d. h. die bleibende Abweichung des Ausgabewertes vom Idealwert. Bei einem DAC ist der Offset-Fehler die Ausgangsspannung bei der digitalen Eingabe 0. Dieser Fehler bleibt konstant für alle Eingabewerte und kann üblicherweise durch Abgleichen der Schaltung kompensiert werden. Häufig wird der Wert nicht in LSB, also abhängig von der durch die Referenzspannung bestimmte Schrittweite der Ausgangsspannung, sondern als Absolutwert in mV angegeben. Gute Werte liegen dabei bei kleiner oder gleich ±10 mV.
Der Verstärkungsfehler wird wie in Bild 1d bestimmt – als die Abweichung der idealen maximalen Ausgangsspannung von dem tatsächlichen Maximalwert der Übertragungsfunktion nach Abzug des Offsetfehlers. Dieser Fehler ändert die Anstiegsrate der Übertragungsfunktion und liefert prozentual für jeden Schritt den gleichen Fehleranteil. Er wird in Prozent des Maximalwertes, LSB oder auch in mV angeben.

Dynamische Ausgangseigenschaften
Der ideale DAC würde sofort nach Anlegen eines Digtalwertes den entsprechenden analogen Wert am Ausgang liefern. In der Praxis vergeht bei einem DA-Wandler dabei aufgrund von internen Laufzeiten und begrenzten Anstiegszeiten der Ausgangstreiber eine gewisse Zeit, die sogenannte Einschwingzeit (Settling time). Dies ist die Zeit vom Start einer Wandlung bis zu dem Zeitpunkt, an dem der DAC seinen neuen Ausgangswert unter Berücksichtigung eventueller statischer Fehler stabil ausgibt. Des weiteren kann am Ausgang eines DACs ein Rauschen gemessen werden, das als digitaler Durchgriff bezeichnet wird. Jedesmal wenn am Eingang des DAC ein digitales Signal seinen Zustand ändert, kann dies als Rauschen am Ausgang beobachtet werden. Dieser vom DA-Wandler selbst herbeigeführte Effekt kann durch schlechte Masseverbindung und Leiterbahnverlegung noch verstärkt werden.

Dateninterface
In früheren Jahren waren parallele Datenschnittstellen die meist verbreitetsten. Sie haben immer noch den Vorteil einer schnelleren Datenübertragung und eines einfacheren Datenprotokolls. Serielle Schnittstellen bieten vor allem den Vorteil des geringeren Platzbedarfs, sowohl durch die geringere Anzahl der nötigen Leiterbahnen als auch durch die geringere Pin-Zahl des Bausteingehäuses. Wegen der einfacheren Handhabung sowohl für den Halbleiterhersteller als auch für den Kunden hat sich bei den seriellen Schnittstellen die SPI oder verwandte Typen gegenüber der I2C-kompatiblen 2-Draht-Schnittstelle durchgesetzt. Sie besitzt ein 3-Draht Interface, je eine Leitung für Dateneingabe, Datenausgabe und Clock. Des weiteren braucht man noch eine Leitung für die Bausteinansteuerung, d. h. für Chipselect. Da oft eine galvanische Trennung des Datenpfades nötig ist, bietet die 3-Draht-Schnittstelle einen weiteren Vorteil durch die jeweils nur unidirektionalen Datenleitungen. Diese sind leicht über Optokoppler zu führen. Neue DACs, wie der MAX5539 oder der MAX5543 mit je 12 bit, haben die galvanische Trennung bereits im Gehäuse integriert. Dies vereinfacht den Aufbau analoger Datenausgaben für den Industriebereich erheblich.

Referenzspannung
Die Referenzspannung, die je nach verwendetem Baustein im DAC selbst erzeugt oder extern angelegt wird, bestimmt im hohe Maße die Eigenschaften eines DA-Wandlers. Zunächst bestimmt die Höhe der Referenzspannung (REF) die maximale Ausgangsspannung eines DACs, wenn keine zusätzliche Ausgangsverstärkung vorhanden ist. Außerdem definiert sie die Schrittweite, um die sich bei Änderung eines LSB am Eingang die Ausgangsspannung ändert. Diese ergibt sich zu REF/2n, wobei n gleich der Auflösung des DACs ist.
Die Ausgangsspannung einer Referenz schwankt bei konstanter Temperatur in einem gewissen Bereich, der durch die Anfangsgenauigkeit (Initial accuracy) charakterisiert wird. Des weiteren driftet die Ausgangsspannung mit der Temperatur, was sich natürlich auch auf die Güte des DA-Wandlers auswirkt. Tabelle 1 zeigt verschiedene Beispiele von Referenzen, die je nach erforderlichem Temperaturbereich dafür Sorge tragen, dass der Fehler durch die Referenz nicht größer ±1 LSB beträgt.
Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass DACs hohe Anforderungen an eine Referenz bezüglich der Temperaturdrift stellen. Integrierte Referenzen, die meist im Bereich 100 ppm/°C liegen, sind daher meist nur für einen eingeschränkten Temperaturbereich nutzbar. Eine Ausnahme bildet dabei Maxims 12-bit/13-bit DAC-Familie MAX5122/5132 mit einer präzisen integrierten Referenz mit max. 10 ppm/°C (typ. 3 ppm/°C) Drift.
Bei Anschluss einer externen Referenz sind außer des Strombedarfs und des Spannungsbereiches des DAC-Referenzeinganges je nach inneren Aufbau noch dynamische Effekte zu beachten. Bei Änderung des angelegten digitalen Wertes kann es auch zu einer Änderung des Eingangswiderstandes am Referenzeingang kommen. Die verwendete Referenz muss in der Lage sein diese Lastsprünge in der geforderten Zeit auszuregeln oder sie muss mit einem Kondensator oder Operationsverstärker gepuffert werden. DACs mit einem externen Referenzeingang, wie z. B. der MAX5170, können auch im multiplizierenden Modus betrieben werden. Dabei wird – wie im Bild 2 dargestellt – am Referenzeingang keine Konstantspannung sondern eine variable Spannung angelegt. Die angelegte Spannung wird dann mit dem eingestellte Digitalwert multipliziert und am Ausgang ausgegeben, so dass der DAC quasi als genaues digitales Potentiometer arbeitet. Für diese Betriebsweise ist die Frequenz-Bandbreite, der Spannungsbereich und eventuell weitere dynamische Eigenschaften des Referenzeingangs, wie z. B. der Durchgriff einer Spannung am Referenzeingang auf den Ausgang beim Digtalwert 0, zu berücksichtigen.

Ausgangsstufen
Generell sind zwei verschieden DAC Ausgangsstufen zu unterscheiden: Der Spannungs- und der Stromausgang. Wegen seiner leichteren Handhabung hat der Spannungsausgang den weit größeren Marktanteil. Maxim bietet dabei bei einigen Bausteinen neben eine Spannungsausgang mit fester Verstärkung auch Bausteine mit herausgeführten Verstärkeranschlüssen, den sogenannten „Force-Sense“ Ausgang, an. Bei letzteren lässt sich einfach durch zwei externe Widerstände ein individueller Verstärkungsfaktor einstellen (Bild 3a). Aber auch eine Stromschnittstelle ist mit dem Force-Sense Spannungsausgang einfach zu realisieren, wie in Bild 3b dargestellt.
Ein besonderes Feature bieten die Bausteinfamilen MAX5120 bzw. MAX5170, die sogenannte „Glitch“-Verhinderung bei Spannungshochlauf. Ohne spezielle Maßnahmen folgt der Ausgang der Versorgungsspannung beim Hochlaufen bis die interne Schaltung zu arbeiten beginnt. Dies macht sich am Ausgang an einem bis zu 3 V hohen Impuls bemerkbar, der nachfolgende Schaltungen stören kann. Die Familie MAX5120 bzw. MAX5170 unterdrückt diesen Impuls. Des weiteren bieten sie einen Power-up Reset, der alle internen DAC-Register beim Spannungshochlauf löscht und zusätzlich den Ausgang auf 0 V oder die halbe max. Ausgangsspannung, was vor allem bei bipolarem Betrieb interessant ist, einstellt. Die meisten neuen Bausteine werden unipolar versorgt, können jedoch mit einen externen bipolaren Verstärker auch bipolare Ausgangssignale liefern, die die halbe max. Ausgangsspannung als Null-Linie verwenden. Verschiedene Bausteine wie z. B. der 12-bit MAX530 können auch bipolar versorgt werden und direkt bipolare Ausgangsspannungen erzeugen. Bei der Versorgung der Bausteine ist außerdem zu beachten, dass es zu Latch-up Effekten kommen kann, wenn die Spannung am digitalen Eingang um 0,3 V größer ist als die Versorgungsspannung. Insbesondere sollten bei Power-up und -down keine Daten am digitalen Eingang anliegen. Eventuell ist ein Schutz mit Schottkydioden nach Bild 4 einzubauen. Für hohe Frequenzen bis 400 Msps ist eine große Familie von Hochgeschwindigkeits-DACs von Maxim verfügbar.
Autor: Dipl.-Ing. Uwe Bröckelmann – Maxim

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