Analog-Digital-Wandler – Zweck, Klassifizierung und Funktionsprinzip

Ein elektronisches Gerät namens Analog-Digital-Wandler (ADC) wird verwendet, um ein analoges Signal in ein digitales Signal (in einer lesbaren Binärcode-Sequenz) umzuwandeln. Bei der Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales wird Folgendes implementiert: Abtastung, Quantisierung und Kodierung.

Unter Abtastung versteht man die Entnahme von Abtastwerten aus einem zeitkontinuierlichen Analogsignal einzelner (diskreter) Werte, die zu Zeitpunkten fallen, die mit bestimmten Intervallen und Dauern aufeinander folgender Taktsignale verbunden sind.

Bei der Quantisierung wird der Wert eines während der Abtastung ausgewählten analogen Signals auf die nächste Quantisierungsstufe gerundet. Die Quantisierungsstufen haben ihre eigene Sequenznummer und diese Stufen unterscheiden sich voneinander durch einen festen Deltawert, der nichts anderes als ein Quantisierungsschritt ist.

Streng genommen ist Sampling der Prozess der Darstellung einer kontinuierlichen Funktion als eine Reihe diskreter Werte, und Quantisierung ist die Aufteilung eines Signals (Werte) in Ebenen. Unter Codierung wird hier unter Codierung ein Vergleich der durch Quantisierung erhaltenen Elemente mit einer vorgegebenen Codekombination verstanden.

Es gibt viele Methoden, Spannung in Code umzuwandeln. Darüber hinaus weist jede der Methoden individuelle Eigenschaften auf: Genauigkeit, Geschwindigkeit, Komplexität. Je nach Art der Konvertierungsmethode werden ADCs in drei Kategorien eingeteilt

• parallel zu

• konsistent,

• seriell-parallel.

Bei jeder Methode verläuft der Prozess der Signaltransformation im Laufe der Zeit auf ihre eigene Weise, daher der Name. Die Unterschiede liegen darin, wie Quantisierung und Kodierung durchgeführt werden: ein serielles, paralleles oder seriell-paralleles Verfahren, um ein digitales Ergebnis an das umgewandelte Signal anzunähern.

Das Diagramm eines parallelen Analog-Digital-Wandlers ist in der Abbildung dargestellt. Parallele ADCs sind die schnellsten Analog-Digital-Wandler.

Die Anzahl der elektronischen Vergleichsgeräte (die Gesamtzahl der DA-Komparatoren) entspricht der Kapazität des ADC: Drei Komparatoren reichen für zwei Bits, sieben für drei, 15 für vier usw. Der Widerstandsspannungsteiler dient zur Einstellung eines Bereichs konstanter Referenzspannungen.

Die Eingangsspannung (der Wert dieser Eingangsspannung wird hier gemessen) wird gleichzeitig an die Eingänge aller Komparatoren angelegt und mit allen Referenzspannungen verglichen, die dieser Widerstandsteiler ermöglicht.

Diejenigen Komparatoren, deren nicht invertierende Eingänge mit einer Spannung gespeist werden, die größer als die Referenzspannung ist (die vom Teiler an den invertierenden Eingang angelegt wird), geben am Ausgang eine logische Eins aus, der Rest (wenn die Eingangsspannung kleiner oder gleich der Referenzspannung ist). Null) wird Null ergeben.

Anschließend wird ein Encoder angeschlossen, dessen Aufgabe es ist, eine Kombination aus Einsen und Nullen in einen standardisierten, hinreichend verständlichen Binärcode umzuwandeln.

ADC-Schaltungen für die serielle Wandlung sind weniger schnell als parallele Wandlerschaltungen, haben aber einen einfacheren Grundaufbau. Sie verwenden einen Komparator, UND-Logik, einen Taktgeber, einen Zähler und einen Digital-Analog-Wandler.

Die Abbildung zeigt ein Diagramm eines solchen ADC. Während beispielsweise die am Eingang der Komparatorschaltung anliegende gemessene Spannung höher ist als das Rampensignal des zweiten Eingangs (Referenz), zählt der Zähler die Impulse des Taktgenerators. Es stellt sich heraus, dass die gemessene Spannung proportional zur Anzahl der gezählten Impulse ist.

Es gibt auch seriell-parallele ADCs, bei denen der Prozess der Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales Signal räumlich getrennt ist, sodass die maximale Kompromissgeschwindigkeit bei minimaler Komplexität erreicht wird.