Ein ADC ist ein häufig eingesetzter elektronischer Schaltkreis oder ein modulares Gerät, das ein analoges Signal – in der Regel eine Spannung – in eine Reihe diskreter abgetasteter Abbildungen beziehungsweise Zahlen umwandelt. ADCs führen drei unterschiedliche Operationen durch: Abtastung, Quantisierung und Codierung. Sie bilden das Herzstück vieler gängiger digitaler Instrumente wie Voltmeter, Oszilloskope und Spektrumanalysatoren. Präsent sind sie auch im Frontend digitaler Schaltkreise zur Verarbeitung analoger Signale von Geräten wie Mikrofonen, Beschleunigungsmessern, Fotosensoren und anderen Transducern, deren Ausgangssignal in eine digitale Form gebracht werden muss, damit ein Mikroprozessor mit den Daten arbeiten kann.

Viele verschiedene ADC-Architekturen oder -Topologien wurden entwickelt, um analoge Signale abzutasten und zu digitalisieren. Jede einzelne ADC-Form hat ihre eigenen Merkmale, Vorteile und Schwächen. Anforderungen an Geschwindigkeit, Auflösung, Genauigkeit, Stromverbrauch und Größe definieren dabei, welches der passende ADC-Typ für eine bestimmte Anwendung ist.

Die wichtigsten Kenngrößen

Eck-Daten

Um zu entscheiden, welcher ADC zu ihrer Anwendung passt, müssen Entwickler die verschiedenen Topologien kennen. Jede Wandler-Form hat dabei ihre eigenen Merkmale, Vorteile und Schwächen. Im Beitrag gibt Digi-Key einen Überblick über Aufbau, Funktionsweise und Parameter der Wandler-Architekturen Flash, Subranging und Pipeline, SAR, Dual-Slope sowie Sigma-Delta. Am Beispiel eines tragbaren Ultraschall-Entfernungsmessers zeigt der Artikel die konkrete Vorgehensweise bei der Auswahl des für diese Anwendung geeigneten Analog/Digital-Wandlers.

Die erste Operation eines ADC ist das Abtasten des Analogsignals, wozu eine Sample-and-Hold- oder eine Track-and-Hold-Schaltung zum Einsatz kommt. Das Abtast- oder Nyquist-Theorem besagt, dass die Abtastrate mehr als das Doppelte der Bandbreite des Signals betragen muss, damit sich das analoge Signal aus den digitalisierten Abtastungen rekonstruieren lässt. Die erste signifikante Kenngröße eines ADC ist daher die Abtastrate, die die maximale Signalfrequenzkomponente bestimmt, die vom ADC digitalisierbar ist.

Der ADC muss jede Abtastung quantisieren, wozu die abgetastete Spannung in eine endliche Anzahl diskreter Amplitudenpegel aufgeteilt wird (Anzahl der Auflösungsbits). Bei der Aufteilung eines Signals in beispielsweise 8 Bits, bedeutet dies, dass es 28 oder 256 diskrete Pegel gibt. Ein 16-Bit-ADC teilt den Spannungsbereich in 65.536 Quantisierungsstufen auf.

Die ADC-Hardware bestimmt sowohl die Auflösung als auch die Abtastrate – je höher die Auflösung des ADC, desto begrenzter ist in der Regel die maximale Abtastrate. Die Genauigkeit eines ADC ist von der Auflösung und der Abtastrate abhängig. Einfluss auf die Amplitudengenauigkeit haben die Auflösung des ADC, die Linearität des Quantisierungsprozesses und die Auswirkungen des vertikalen Rauschens. Die Abtastrate bestimmt die zeitliche Präzision und Genauigkeit.

Größe, Stromverbrauch und andere Eigenschaften sind von der Schaltungstopologie abhängig. Für Anwendungen, die bezüglich der Größe oder der verfügbaren Energie beschränkt sind, wie IoT-Geräte oder batteriebetriebene, tragbare Instrumente, sind diese Eigenschaften von großer Bedeutung.

 

Auf der nächsten Seite stellt der Beitrag Flash- und mehrstufige Wandler vor.

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