mini|AD570 Analog-Digital-Umsetzer, für 8-Bit-Datenbus mini|AD570/AD571 mini|INTERSIL ICL7107 Analog-Digital-Umsetzer, für dreieinhalbstellige Dezimal-Anzeige mini|ICL7107 mini|4-Kanal-Multiplex-Stereo-Analog-Digital-Umsetzer, eingesetzt auf einer Soundkarte für einen PC
Ein Analog-Digital-UmsetzerVon den gebräuchlichen Begriffen wird hier derjenige verwendet, der für die Ingenieurwissenschaften durch Normung in DIN 1319-2 festgelegt worden ist. ist ein elektronisches Gerät, Bauelement oder Teil eines Bauelements zur Umsetzung analoger Eingangssignale in einen digitalen Datenstrom, der dann weiterverarbeitet oder gespeichert werden kann. Weitere Namen und Abkürzungen sind ADU, Analog-Digital-Wandler oder A/D-Wandler, (analog-to-digital converter) oder kurz A/D.
Eine Vielzahl von Umsetz-Verfahren ist in Gebrauch. Das Gegenstück ist der Digital-Analog-Umsetzer (DAU).
Analog-Digital-Umsetzer sind elementare Bestandteile fast aller Geräte der modernen Kommunikations- und Unterhaltungselektronik wie z. B. Mobiltelefonen, Digitalkameras, oder Camcordern. Zudem werden sie zur Messwerterfassung in Forschungs- und industriellen Produktionsanlagen, in Maschinen und technischen Alltagsgegenständen wie Kraftfahrzeugen oder Haushaltsgeräten eingesetzt.
Arbeitsweise
Ein ADU setzt ein zeit- und wert-kontinuierliches Eingangssignal (Analogsignal) in eine zeitdiskrete und wertdiskrete Folge von digital repräsentierten Werten um. Aufgrund einer endlichen Anzahl von möglichen Ausgangswerten erfolgt dabei immer eine Quantisierung. Das Ergebnis einer AD-Umsetzung kann man sich in einem Signal-Zeit-Diagramm in einer Punktfolge mit gestuften horizontalen und vertikalen Abständen vorstellen. Die Hauptparameter eines ADUs sind seine Bittiefe und seine maximale Abtastrate. Die Umsetzzeit ist meist wesentlich kleiner als das Reziproke der Abtastrate.
Schon die Bittiefe eines AD-Umsetzers begrenzt die maximal mögliche Genauigkeit, mit der das Eingangssignal umgesetzt werden kann. Die nutzbare Genauigkeit ist durch weitere Fehlerquellen des ADUs geringer. Neben möglichst schnellen Verfahren gibt es auch langsame (integrierende) Verfahren zur Unterdrückung von Störeinkopplungen.
Zeit-Diskretisierung (Abtastung) mini|Abtastung eines analogen Signals durch Sample-and-Hold-Schaltung
mini|hochkant=1.7|Spektrum eines auf bandbegrenzten Signals (blau) und dessen durch Abtastung mit der Frequenz entstehende Spiegelfrequenzen (grün) – ohne Überlappung, also bei korrekter Abtastung
Die minimal notwendige Abtastfrequenz für eine verlustfreie Diskretisierung ergibt sich aus der Bandbreite des Eingangssignals.
Um das Signal später vollständig rekonstruieren zu können, muss die Abtastfrequenz größer als das Doppelte der maximal möglichen Frequenz im Eingangssignal sein (siehe Nyquist-Frequenz). Anderenfalls kommt es zu einer Unterabtastung und führt im rekonstruierten Signal zu im Eingangssignal nicht vorhandenen Frequenzen. Daher muss das Eingangssignal bandbegrenzt sein. Entweder ist es dies von sich aus oder es wird durch Tiefpassfilterung zu solch einem Signal gemacht.
Manchmal ist das abzutastende Signal allerdings so hochfrequent, dass man diese Bedingung technisch nicht realisieren kann. Wenn das Eingangssignal jedoch periodisch ist, kann man durch Mehrfachabtastung mit zeitlichem Versatz dennoch eine Rekonstruktion ermöglichen, ohne dabei das Abtasttheorem zu verletzen, da bei mehrfachem Durchlauf des Signals Zwischenpunkte ermittelt werden und so eine größere Zahl von Stützstellen entsteht, was im Endeffekt einer Erhöhung der Abtastrate entspricht.
Während der Signalumsetzung darf sich bei vielen Umsetzverfahren das Eingangssignal nicht ändern. Dann schaltet man dem eigentlichen AD-Umsetzer eine Abtast-Halte-Schaltung (Sample-and-Hold-Schaltung) vor, die den Signalwert () analog so zwischenspeichert, dass er während der Quantisierung konstant bleibt. Dies trifft besonders auf die stufen- und bitweisen Umsetzer zu, die längere Umsetzzeiten benötigen. Wenn ein Umsetzer diese Abtast-Halte-Schaltung erfordert, so ist sie bei Realisierung als integrierter Schaltkreis heute meist enthalten.
In vielen Anwendungen soll das Eingangssignal in immer exakt gleichen Zeitabständen abgetastet werden. Durch zufällige Variationen der Abstände tritt jedoch ein Effekt auf, den man als Jitter bezeichnet. Er verfälscht das ursprüngliche Signal bei der späteren Rekonstruktion, da diese wieder äquidistant – also mit gleichen Zeitabständen – erfolgt.
Nicht verwechselt werden darf die Umsetzdauer mit der Latenzzeit eines Umsetzers, d. h. die Zeit, die nach der Erfassung vergeht, bis ein AD-Umsetzer das Datum weitergegeben hat. Diese Zeit kann weitaus größer als die Umsetzdauer sein, was insbesondere in der Regelungstechnik störend sein kann. Sie wird verursacht durch Pipelining des Umsetzers, Nachbearbeitung der Daten und die serielle Datenübertragung.
Quantisierung mini|Digitalsignal (rote Punkte) nach Abtastung und Quantisierung eines analogen Signals (graue Linie) Die Quantisierung des vorher zeitdiskretisierten Signals stellt den eigentlichen Übergang von einem analogen Signal zu einem digitalen Signal dar. Auf Grund der endlichen Bittiefe des Umsetzers gibt es nur eine gewisse Anzahl an Codeworten und deren dazugehörige Eingangsspannung. Das Signal wird quantisiert. Die Abweichung zwischen der wahren Eingangsspannung und der quantisierten Eingangsspannung nennt man Quantisierungsabweichung. Je mehr Bits bzw. Codeworte zur Verfügung stehen, umso kleiner ist diese unvermeidbare Abweichung. Bei einem idealen AD-Umsetzer verringert jedes zusätzliche Bit dieses Rauschen um 6,02 dB. Bei realen AD-Umsetzern kann man über die Effektive Anzahl von Bits (ENOB) abschätzen, was ein weiteres Bit bei dem betrachteten Umsetzer bringen würde (so würde ein weiteres Bit bei einem 12-bit-Umsetzer mit einem ENOB von 11 bit ca. 0,15 bit bzw. 0,9 dB bringen).
Das Verhältnis aus maximal möglicher unverzerrter Eingangsspannung und dem Rauschen bei signallosem Eingang nennt man Dynamikumfang. Umsetzer, die bei fehlendem Eingangssignal ein konstantes Codewort liefern, haben einen unendlich hohen Dynamikumfang. Sinnvoller ist die Angabe des Signal-Rausch-Verhältnisses (bzw. des SINAD, signal to noise and distortion ratio, Verhältnis des Signals zur Summe aus Rauschen und Verzerrungen).
Bezugswert Da das dem ADU zugeführte Analogsignal in einen größenlosen Digitalwert umgesetzt wird, muss es mit einem vorgegebenen Wert oder Signal bewertet werden (Eingangssignalbereich bzw. Messbereich). Im Allgemeinen wird ein feststehender Bezugswert (z. B. eine intern erzeugte Referenzspannung) verwendet. Das analoge Eingangssignal wird digital abgebildet, die Referenz legt den zulässigen Scheitelwert des Eingangssignals fest.
Quantisierungskennlinie Bei Analog-Digital-Umsetzern besteht zwischen Eingangs- und Ausgangsgröße immer ein nichtlinearer Zusammenhang. Ändert sich allerdings bei steigender Eingangsspannung der Digitalwert in konstanten Abständen oder nähert sich bei extrem feiner Stufung die Kennlinie einer Geraden, spricht man dennoch von einem linearen Analog-Digital-Umsetzer. Es gibt unipolare Ausführungen, beispielsweise im Dualsystem000…000 für 0100…000 für /2 111…111 für – 1 LSBbipolare Ausführungen, beispielsweise im Dualsystem mit Offset000…000 für /2 100…000 für 0 111…111 für /2 – 1 LSB wobei daneben auch andere Kodierungen, beispielsweise Zweierkomplement, BCD-Code verwendbar sind.
Interfaces Neben der schon erwähnten Abtast-Halte-Schaltung werden weitere Schaltungen für das Interface in die analoge Welt benötigt, so dass diese vielfach zusammen mit dem eigentlichen Umsetzer auf einem Chip integriert sind. Dies können beispielsweise Puffer- bzw. Verstärkerschaltungen, ggf. mit umschaltbarer Verstärkung (Programmable Gain Amplifier (PGA)) sowie Eingänge für differenzielle Signalübertragung sein. Es gibt auch Varianten ohne echten Subtrahierverstärker am Eingang; stattdessen werden die beiden Leitungen des differentiellen Signals hintereinander verarbeitet und erst anschließend die Differenz gebildet (sog. pseudodifferentielle Eingänge).
Am Ausgang werden digitale Daten zur Verfügung gestellt. Klassischerweise erscheint jedes Bit der Ausgangsgröße an einem eigenen Anschlusspin; die Größe wird also parallel ausgegeben – nicht zu verwechseln mit der Parallelumsetzung. Falls die Größe auf einer Anzeige angezeigt werden soll, kommen auch integrierte Siebensegment-Codierer zum Einsatz, oder die Größe wird als BCD-Code im Multiplexverfahren ausgegeben. Nachteilig an der parallelen Ausgabe, insbesondere bei der Weiterverarbeitung durch Mikroprozessoren oder -controllern, ist hierbei die große Anzahl an benötigten Anschlusspins. Daher werden vielfach serielle Verbindungen implementiert, beispielsweise mit den Protokollen I²C, SPI oder I²S. Bei entsprechenden Datenraten wird beispielsweise LVDS- oder JESD204B-Technik eingesetzt.
Abweichungen Zusätzlich zu dem unvermeidbaren Quantisierungsfehler haben reale AD-Umsetzer folgende Fehler:
Nullpunktfehler, Verstärkungsfehler und Nichtlinearitätsfehler mini|hochkant=1.7|Abweichungen vom proportionalen Zusammenhanga) additiv, b) multiplikativ, c) nicht linear Als Abweichungen der Kennlinien zwischen realem und idealem Umsetzer sind folgende Fehler definiert (siehe Bild): Nullpunktfehler (Offset) Verstärkungsfehler () Nichtlinearitätsfehler Der Verstärkungsfehler wird oft als Bruchteil des aktuellen Wertes angegeben, der Nullpunktfehler zusammen mit dem Quantisierungsfehler und der Nichtlinearitätsfehler als Bruchteile des Endwertes oder als Vielfache eines LSB.
Fehler in der Stufung mini|hochkant=1.2|Abweichungen in der Stufung a) bei ungleicher Breite einer Stufe, b) bei fehlerhafter Breite einer höherwertigen Stufe Einzelne Stufen können unterschiedlich breit ausfallen.
Bei kontinuierlich steigender Eingangsgröße kann es je nach Realisierungsverfahren vorkommen, dass ein Wert der Ausgangsgröße übersprungen wird, insbesondere dann, wenn es einen Übertrag über mehrere Binärstellen gibt, beispielsweise von 0111 1111 nach 1000 0000. Man spricht hierzu von „missing codes“.
Zeitliche und Apertur-Fehler Bei Wandlung jedes nichtkonstanten Eingangssignals entsteht durch zeitliche Schwankungen des Umsetzer-Taktes Δt (clock jitter) ein der zeitlichen Änderung des Eingangssignals proportionaler Fehler. Bei einem Sinussignal der Frequenz f und der Amplitude A beträgt es . Jeglicher Jitter erzeugt weiteres Rauschen – es gibt keinen Schwellwert, unterhalb dem es zu keiner Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses kommt. Viele aktuelle Wandler (insbesondere Delta-Sigma-Umsetzer) haben eine interne Taktaufbereitung. Der Hintergrund ist der, dass viele Wandler einen höheren internen Takt benötigen bzw. bei Delta-Sigma-Umsetzern, dass dort Jitter direkt (d. h. auch bei konstantem Eingangssignal) Wandlungsfehler verursacht.
Realisierungsverfahren Es gibt eine große Anzahl von Verfahren, die zur Umsetzung von analogen in digitale Signale benutzt werden können. Im Folgenden sind die wichtigsten Prinzipien aufgeführt. Als Eingangsgröße wird in allen Beispielen die elektrische Spannung zugrunde gelegt.
Den inneren Ablauf einer Umsetzung steuern die Bausteine selbst. Für die Zusammenarbeit mit einem Rechner kann ein ADU mit einem Start-Eingang versehen sein für die Anforderung zu einer neuen Umsetzung, mit einem „busy“-Ausgang für die Meldung der noch andauernden Umsetzung und mit bus-kompatiblen Datenausgängen für das Auslesen des entstandenen Digitalwertes.
Integrierender Umsetzer (Zählverfahren) Bei diesen Verfahren finden zwei Vorgänge statt: ein analoger durch die Messgröße beeinflusster Prozess, bei dem ein Kondensator stetig geladen wird und im Wechsel wieder entladen, ein digitaler Prozess, der vom Ladevorgang abhängige Zeiten oder Impulsdichten misst, wozu gezählt wird.