Geräte-Entwickler müssen für das Internet der Dinge analoge Werte effizient in digitalisierte Abbildungen dieser Werte umwandeln. Die Lösung könnte schlicht darin bestehen, einen Analog/Digital-Wandler (ADC) davor zu setzen. Aber nicht alle ADCs sind gleich und es gibt verschiedene Topologien. (Bild: stasknop @ AdobeStock)
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.
Analog-Digital-Wandler – was ist das?
Ein ADC (Analog-Digital-Wandler) wandelt analoge Signale in diskrete digitale Werte um und wird in vielen elektronischen Geräten eingesetzt. Es gibt verschiedene ADC-Architekturen mit unterschiedlichen Merkmalen und Anwendungsbereichen. Die Abtastrate bestimmt die maximale Frequenz, die der ADC digitalisieren kann. Die Auflösung definiert die Anzahl der diskreten Werte, in die das Signal aufgeteilt wird. Die Genauigkeit hängt von der Auflösung, Abtastrate und anderen Faktoren ab. Die Wahl des ADC-Typs hängt von den Anforderungen an Geschwindigkeit, Auflösung, Genauigkeit, Stromverbrauch und Größe ab.
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.
Kenngrößen für Analog-Digital-Converter (ADC)
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.
Was ist ein Analog-Digital-Wandler?
Ein Analog-Digital-Wandler, auch als ADC (Analog-Digital-Converter) bezeichnet, ist ein elektronisches Gerät, das analoge Signale in digitale Daten umwandelt. Dadurch können analoge Messgrößen wie Spannung oder Strom in binäre Repräsentationen umgewandelt werden, die von digitalen Systemen verarbeitet werden können.
Ein Analog-Digital-Wandler wandelt analoge Signale in digitale Daten um. Er wird in verschiedenen elektronischen Geräten und Systemen eingesetzt. ADCs ermöglichen die Verarbeitung analoger Messgrößen durch digitale Systeme.
Wie funktioniert ein Analog-Digital-Wandler?
Ein Analog-Digital-Wandler funktioniert, indem er das kontinuierliche analoge Signal in diskrete digitale Werte umwandelt. Dazu wird das analoge Signal in regelmäßigen Abständen abgetastet und der Messwert quantisiert, um ihn als digitalen Wert zu repräsentieren.
Wo werden Analog-Digital-Wandler eingesetzt?
ADCs werden in der Messtechnik eingesetzt, um analoge Messwerte in digitale Daten umzuwandeln. Sie sind ein wesentlicher Bestandteil von Kommunikationssystemen für die Umwandlung von analogen Signalen in digitale Formate. ADCs ermöglichen die Digitalisierung von Audiosignalen in der Audio- und Videotechnik.
Welche Typen von Analog-Digital-Wandlern gibt es?
Es gibt verschiedene Typen von Analog-Digital-Wandlern, die je nach Anwendung und Genauigkeitsanforderungen eingesetzt werden. Dazu gehören sukzessive Approximationswandlern (SAR-ADCs), Delta-Sigma-Wandlern, Pipelined-Wandlern und Parallel-Architekturen. SAR-ADCs arbeiten mit sukzessiver Approximation und sind für eine gute Genauigkeit und geringen Energieverbrauch bekannt. Delta-Sigma-Wandler bieten eine hohe Auflösung und sind gut für Anwendungen mit hoher Genauigkeitsanforderung geeignet. Pipelined-Wandler nutzen eine Kaskadierung von ADC-Stufen, um hohe Abtastraten und Genauigkeit zu erreichen.
Wie wählt man den richtigen Analog-Digital-Wandler aus?
Bei der Auswahl eines Analog-Digital-Wandlers sollten verschiedene Faktoren berücksichtigt werden. Dazu gehören die benötigte Auflösung, die Abtastrate, der Dynamikbereich, die Genauigkeitsanforderungen und die spezifischen Anforderungen der Anwendung. Es ist wichtig, die technischen Datenblätter zu vergleichen und die Leistungsfähigkeit, den Stromverbrauch und die Kosten der verschiedenen ADCs zu bewerten.
Einfachste ADC-Topologie: Flash-Wandler
Vom Aufbau her der einfachste Digitalisierer ist der Flash-ADC, auch als Direkt- oder Parallel-ADC bezeichnet (Bild 1). Der Eingang eines Flash-ADC kommt in der Regel aus einer Sample-and-Hold- oder einer Track-and-Hold-Schaltung, wobei der analoge Eingang abgetastet und während der Dauer der Umwandlung konstant gehalten wird. Das abgetastete Signal wird auf ein Array analoger Komparatoren angewandt. Deren Schwellenspannungen sind mit einem Abstandswert, der einem niederwertigsten Bit (LSB) entspricht, gleichmäßig über den Eingangsspannungsbereich des ADC verteilt. Der Ausgang eines jeden Komparators ändert seinen Status, wenn die Eingangsspannung den für diesen Komparator vom Spannungsteiler festgelegten Schwellenwert übersteigt.
In der Regel benötigt ein N-Bit-Flash-Wandler 2N-1 Komparatoren, die einen sogenannten Thermometercode erzeugen. Je höher die Eingangsspannung, desto größer die Anzahl der Komparatoren von unten nach oben, die den Status „1“ erreichen. Ein Prioritätscodierer wandelt diesen Code anschließend in einen Binärcode um.
Der Hauptvorteil eines Flash-Wandlers ist seine Geschwindigkeit: Die Umwandlungsdauer ist nur so groß wie die Verzögerung des Komparators und des Decoders. Im Handel sind Flash-Wandler mit maximalen Abtastraten von bis zu 5 GS/s erhältlich. Sein größter Nachteil ist die erforderliche Anzahl an Komparatoren – für einen 8-Bit-Flash-ADC wären 255 Komparatoren erforderlich – die mit der Auflösung exponentiell steigt und den Stromverbrauch deutlich erhöht. In der Praxis liegt die Grenze für Flash-Wandler-Auflösungen bei etwa 8 Bit.
Binäre Codierung bei ADC
Der binäre Ausgang des Wandlers lässt sich auf verschiedene Weise codieren. Ist das umzuwandelnde Signal unipolar, wird es in der Regel als unipolarer reiner Binärcode codiert. Dieser Code stellt einen Nullwert als Nullen (0000…) und den maximalen Eingangswert als Einsen (1111…) dar. Ist das Signal bipolar, erfolgt die Darstellung entweder in Exzesscode- oder Zweierkomplement-Binärschreibweise. Da die Zweierkomplement-Binärcodierung Rechenoperationen ermöglicht, kommt sie in den meisten Systemen auf Mikroprozessor- oder Mathematikprozessor-Basis zum Einsatz.
Was ist ein Digital-Analog-Wandler?
Ein Digital-Analog-Wandler, auch als DAC (Digital-Analog-Wandler) bezeichnet, ist ein elektronisches Gerät, das digitale Signale in analoge Signale umwandelt. Dadurch können digitale Daten in kontinuierliche physikalische Größen wie Spannung oder Strom umgesetzt werden, die von analogen Geräten oder Komponenten verarbeitet werden können.
Wie funktioniert ein Digital-Analog-Wandler?
Ein Digital-Analog-Wandler verwendet verschiedene Methoden, um diskrete digitale Werte in ein kontinuierliches analoges Signal umzuwandeln. Er liest die digitalen Werte und erzeugt ein analoges Signal durch die Rekonstruktion des ursprünglichen kontinuierlichen Signals. Die Rekonstruktion erfolgt durch Abtastung der digitalen Werte, gefolgt von Interpolation und Filterung. Die Genauigkeit des DACs hängt von der Anzahl der diskreten Werte, der Auflösung und der Präzision der Rekonstruktionstechniken ab.
Wo werden Digital-Analog-Wandler eingesetzt?
Digital-Analog-Wandler finden in verschiedenen Anwendungen Verwendung. DACs werden in der Audiowiedergabe verwendet, um digitale Audiodaten in analoge Signale umzuwandeln, die von Lautsprechern wiedergegeben werden können. Sie finden Anwendung in der Video- und Grafikwiedergabe, um digitale Video- und Grafikdaten in analoge Signale für Monitore oder Projektoren umzuwandeln. DACs werden auch in der Steuerungstechnik eingesetzt, um digitale Steuersignale in analoge Ausgangssignale für Motoren, Ventile oder andere Aktuatoren umzuwandeln.
Welche Arten von Digital-Analog-Wandlern gibt es?
Es gibt verschiedene Arten von Digital-Analog-Wandlern, die je nach Anwendung und Genauigkeitsanforderungen eingesetzt werden. Zu den gängigen Typen gehören R-2R-Wandler, Delta-Sigma-Wandler und Parallel-DACs. R-2R-Wandler verwenden ein Widerstandsnetzwerk, um analoge Ausgangsspannungen entsprechend den digitalen Eingangssignalen zu erzeugen. Delta-Sigma-Wandler bieten eine hohe Auflösung und werden häufig in Anwendungen mit hoher Genauigkeitsanforderung eingesetzt. Parallel-DACs wandeln digitale Signale parallel in ein analoges Ausgangssignal um, indem jeder Bit des digitalen Signals einen Schalter steuert, der eine bestimmte Spannung auf den Ausgang legt.
Wie wählt man den richtigen Digital-Analog-Wandler aus?
Die Auswahl eines Digital-Analog-Wandlers hängt von den Anforderungen der Anwendung ab, einschließlich Auflösung, Bandbreite und Genauigkeit. Es ist wichtig, die technischen Datenblätter zu vergleichen und die Leistungsfähigkeit, den Rauschpegel und die Kosten zu bewerten. Bei der Auswahl eines DACs kann es hilfreich sein, sich von Experten oder Herstellern beraten zu lassen, um den passenden Wandler für die spezifische Anwendung zu finden.
Subranging und Pipeline
Die Anzahl der Komparatoren in einem Flash-Wandler lässt sich verringern, indem die Wandlung in zwei oder mehr Stufen erfolgt. In zwei Stufen aufgeteilte Flash-Wandler heißen Subranging-ADCs, während der Wandler mit mehr als zwei Stufen die Bezeichnung Pipeline-ADC erhält. Ein zweistufiger ADC ist in der Lage, Hunderte von MS/s abzutasten (Bild 2). Dieser zweistufige Wandler teilt den 4-Bit-Wandler, für den 15 Komparatoren erforderlich wären, in zwei 2-Bit-Abschnitte auf. Für jeden Abschnitt sind drei Komparatoren, insgesamt also sechs Komparatoren erforderlich. Zuerst erfolgt die Umsetzung der beiden höchstwertigen Bits (MSB). Der digitale Ausgang des ersten Abschnitts enthält einen Digital/Analog-Wandler (DAC), um das Signal in ein Analogsignal umzuwandeln und es vom Eingangssignal zu subtrahieren.
Die resultierende Differenz wird verstärkt, dazu verwendet, die beiden LSBs umzusetzen und von den Ausgangs-Latches erfasst. Da der Wandlungsprozess zweimal wiederholt wird, ist die maximale Abtastrate niedriger ist als die des Flash-Wandlers. Ein Beispiel für einen 10-Bit-Pipeline-Wandler ist der AD9203ARUZRL7 von Analog Devices mit 40 MS/s, der eine Analog/Digital-Wandlung mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht.
Hohe Auflösung mit SAR-Wandlern
Erfordert die Anwendung eine höhere Auflösung und nicht zwangsläufig die Geschwindigkeit eines Flash- oder Pipeline-ADC, bietet sich ein SAR-Wandler an (Bild 3). SAR-ADCs arbeiten mit 12 bis 16 Bit und mit Abtastraten von bis zu 1 bis 2 MS/s.
Wie Flash-ADCs ist auch den SAR-ADCs eine Sample-and-Hold- oder eine Track-and-Hold-Schaltung vorgeschaltet, um den Abtastwert während der Dauer des Wandlungsprozesses konstant zu halten. Das Signal aus der Sample-and-Hold-Schaltung wird auf einen Komparator angewendet, wobei das Register mit schrittweiser Annäherung (Successive Approximation Register, SAR) in der Mitte des Bereichs beginnt und den Wert mit dem DAC in eine Analogspannung wandelt.
Anschließend erfolgt ein Vergleich dieser „geratenen“ Spannung mit dem Signaleingang am Komparator: Ist der Komparatorausgang weiterhin niedriger, wird der Registerwert um ein Viertel des Bereichs vergrößert. Im Wesentlichen kommt es zu einer schrittweisen Verkleinerung oder Vergrößerung des Registerwerts bis der Komparator anzeigt, dass der vom DAC gewandelte Registerinhalt der Spannung des Eingangssignals entspricht. Dann gibt der Wandler das Signal „Wandlung abgeschlossen“ aus und hält den digitalen Wert im Ausgangs-Latch.
Die Wandlungszeit ist dabei proportional zur ADC-Auflösung und wird durch die Länge des Registers bestimmt. SAR-ADCs bieten eine gute Auflösung bei kleinem bis mäßigem Stromverbrauch. Ein Beispiel für einen kostengünstigen, energieeffizienten SAR ist der MAX11665AUT-T von Maxim Integrated. Als 12-Bit-SAR-ADC mit 500 kS/s eignet er sich gut für die Digitalisierung von Sensorausgängen.
Was ist eine Sample-and-Hold-Schaltung und wie funktioniert sie?
Eine Sample-and-Hold-Schaltung, auch als S&H-Schaltung bezeichnet, ist eine elektronische Schaltung, die dazu dient, ein analoges Eingangssignal zu erfassen und es für einen bestimmten Zeitraum konstant zu halten. Sie besteht aus einem Abtast- und Halteblock, der es ermöglicht, den Wert des Eingangssignals zu sampeln und diesen Wert bis zur nächsten Abtastung aufrechtzuerhalten.
Sie besteht aus zwei Hauptkomponenten: dem Abtastblock und dem Halteblock. Der Abtastblock erfasst den aktuellen Wert des Eingangssignals und gibt ihn an den Halteblock weiter. Der Halteblock speichert diesen Wert und gibt ihn als konstantes Ausgangssignal aus, bis zur nächsten Abtastung. Die drei wichtigsten Informationen zu diesem Thema sind:Wofür wird eine Sample-and-Hold-Schaltung verwendet?
Eine Sample-and-Hold-Schaltung findet in verschiedenen Anwendungen Verwendung, insbesondere dort, wo eine zeitliche Entkopplung zwischen Abtastung und Verarbeitung des Signals erforderlich ist. Hier sind einige Anwendungsbereiche der Sample-and-Hold-Schaltung:
Integrierender Dual-Slope-ADC minimieren Rauschen
Integrierende ADCs bieten eine höhere Auflösung bei gleichzeitiger Minimierung der Auswirkungen des Rauschens. ADCs in Dual-Slope-Topologie kommen dabei am häufigstem zum Einsatz (Bild 4).
Zunächst wird der Eingang mit dem Integrator verbunden und der Kondensator C vom Eingangssignal während einer festen Zeitdauer geladen. Ist diese Zeit abgelaufen, erfolgt die Verbindung des Integrators mit der Referenzspannung. Dadurch wird der Kondensator über eine vom Komparator bestimmt Zeit bis auf null entladen, wobei ein Zähler diese Zeit misst. Dieser Zeitwert ist proportional zur Eingangsspannung, die während des Ladezyklus auf den Kondensator einwirkt. Durch diese einfache Beziehung aus bekannter Lade- und gemessener Entladezeit lässt sich die Eingangsspannung berechnen.
Durch das Anlegen der Signalspannung an einen Integrator minimieren sich die Auswirkungen von Rauschsignalen durch dessen Mittelungseffek. Dual-Slope-Wandler sind ideal für Anwendungen mit hoher Auflösung, die eine hohe Genauigkeit erfordern. Üblich sind Auflösungen von 12 bis 16 Bit bei maximalen Abtastraten von bis zu 100 kS/s.
Die bekannteste Anwendung für Dual-Slope-ADCs sind digitale Voltmeter (DVM oder DMM). Der von Maxim Integrated angebotene 12-Bit-ADC ICL7109CPL+ mit dreistufigen Ausgängen ist ein Dual-Slope-Wandler zur Messung analoger Signale wie Druck, Drehzahl oder Durchfluss, mit Abtastraten von bis zu 30 Hz.
Sigma-Delta-Wandler
Sigma-Delta-ADCs bieten die höchste Auflösung (16 bis 24 Bit) für Signale mit niedriger Frequenz. Wie beim Dual-Slope-ADC handelt es sich auch hier um einen integrierenden Digitalisierer (Bild 5). Das Eingangssignal gelangt über einen Summierer an den Integrator, dessen Ausgang auf den Komparator mit Halteglied angewendet wird und ein Vergleich mit einem Null-Volt-Signal (Masse) erfolgt. Ist der integrierte Ausgang nicht null, wird der Komparatorausgang zurückgeleitet, um den Integratorausgang näher an null heran zu bringen. Dieser Prozess erfolgt in der Wandlertaktfrequenz so oft, bis der Integratorausgang null ergibt. Danach bildet der Komparator einen seriellen Datenstrom und damit den Ausgang des Wandlers.
Ein Sigma-Delta-ADC wird mit einer wesentlich höheren Rate als für die ausgelegte Abtastrate erforderlich abgetastet. In der Abbildung ist der Wandlertakt um den Faktor K schneller als der Ausgangsabtasttakt. Die „überflüssigen“ Abtastungen dienen der Bereitstellung einer digitalen Filterung des Wandlerausgangs. Ein Dezimator reduziert die Ausgangsabtastrate wieder auf die spezifizierte Abtasttaktrate. Der von Analog Devices angebotene 24-Bit-ADC AD7734BRUZ ist ein 4-Kanal-Sigma-Delta-Digitalisierer für Anwendungen in der Prozesssteuerung und industriellen Steuerung.
Beispiel zur ADC-Topologie-Auswahl
Als Beispiel für eine Anwendung zur Digitalisierung dienen hier die Signale eines tragbaren Ultraschall-Entfernungsmessers mit einem 40-kHz-Transducer, bei dem die Zielreflexionen -40 dB (1/100) der Amplitude des übertragenen Pulses sind.
Die Abtastung des Signals muss mindestens mit der doppelten Signalfrequenz von 40 kHz erfolgen. Es ist jedoch besser, das Signal mit mindestens dem Vierfachen von 40 kHz abzutasten, sodass der gewünschte Abtastbereich 160 kHz oder mehr beträgt. Es ist eine gute Idee, eine Auflösung zu wählen, die mindestens das Zehnfache der erwarteten 40 dBm beträgt, also 60 dB.
Die allgemeine Faustregel lautet, dass jeweils 6 dB eine Auflösung von 1 Bit erfordern, sodass ein ADC mit 10 Bit oder mehr erforderlich wäre. Darüber hinaus ist dies ein tragbares Gerät, sodass der Stromverbrauch eine Rolle spielt. In Tabelle 1 wäre daher der Konverter für die sukzessive Approximation die beste Wahl. Der MAX11665AUT-T von Maxim Integrated, der zuvor als Beispiel für einen SAR-ADC erwähnt wurde, wäre für diese Anwendung gut geeignet.
Rich Miron
(na)
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