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Ein AC-Wandler wird verwendet, um verschiedene analoge Signale in eine digitale Form umzuwandeln, d.h. in eine numerische Form, die der Spannung (seltener dem Strom) am Eingang auf einer bestimmten Skala entspricht.
Was ist ein AC-Wandler?
Der A/C-Wandler dient der Umwandlung eines analogen Signals, oft eines Spannungssignals, in einen digitalen Wert. Die Methoden zur Verarbeitung dieses Signals werden in direkte und indirekte unterteilt. Bei der indirekten Methode geht es zunächst um die Umwandlung einer transformierten Größe in eine andere (z. B. Zeit oder Frequenz) und dann um den Vergleich dieser Größen mit Referenzgrößen. Je nach der verwendeten Hilfsgröße wird die Frequenz- oder Zeitmethode (mit einfacher oder doppelter Integration) verwendet. Bei der direkten Methode hingegen wird der Vergleich der verarbeiteten Menge mit der Referenzmenge sofort durchgeführt. Bei dieser Methode werden kompensierende und direkte Wandler verwendet.
Für die korrekte Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales ist eine Mindestabtastfrequenz entscheidend. Kurz gesagt kann er als der Wert beschrieben werden, der erforderlich ist, um ein analoges Signal vollständig zu rekonstruieren, während es in einen digitalen Wert umgewandelt wird. Diese Beziehung ist im Gesetz der Probenahme formuliert.
Parameter der AC-Wandler
Es gibt keinen universellen AC-Wandler, der in allen Fällen verwendet werden kann. Die verschiedenen Geräte unterscheiden sich in den Parametern, die ihre Verwendung bestimmen. Jeder Konverter hat eine bestimmte Anzahl von Bits. Für einfache Steuer- oder Messgeräte werden in der Regel 8- oder 10-Bit-Wandler verwendet. Im Gegensatz dazu werden in Präzisionssystemen, bei denen die Messgenauigkeit entscheidend ist, 16-, 18- oder 24-Bit-Wandler verwendet.
Ein weiterer Parameter ist die Abtastfrequenz. Er bestimmt, wie oft in einer bestimmten Zeiteinheit (z.B. pro Sekunde) ein analoges Signal abgetastet, d.h. gemessen wird, um es in ein digitales Signal umzuwandeln. Die Abtastrate hängt mit der Qualität und Genauigkeit des digitalen Signals zusammen. Ein gutes Beispiel sind Audio- AC-Wandler, bei denen die Frequenz hoch ist (44 kSps und mehr). Im Gegensatz dazu arbeiten spezialisierte Messmodelle mit der gleichen Auflösung mit einer viel geringeren Abtastgeschwindigkeit. Dies ist unter anderem darauf zurückzuführen, dass ein sehr geringes Rauschen und eine hohe Genauigkeit erforderlich sind.
Der nächste wichtige Parameter eines AC-Wandlers ist der Eingangsspannungsbereich, der z.B. von 2,7 V bis 5,5 V oder von 3,3 V bis 5 V reichen kann. Darüber hinaus unterscheiden sich die einzelnen AC-Wandler in der Anzahl der Kanäle, dem Rauschpegel, der Kommunikationsschnittstelle, dem Umfang des eingebauten EEPROM und anderen Parametern.
Aufbau des AC-Wandlers
Die Bauart der AC-Wandler kann je nach Modell und Anwendung variieren. Einige der Komponenten sind bei den meisten Geräten dieser Art standardisiert. Einer davon ist der Analogeingang, über den das analoge Signal in den Wandler gelangt. Das nächste Element ist der Analogmultiplexer, der speziell für Mehrkanalwandler entwickelt wurde. Mit diesem Element können Sie einen der vielen Analogeingänge auswählen, um das Eingangssignal zu verarbeiten. Die Wandler sind außerdem mit einem Verstärker ausgestattet, der den Pegel des analogen Signals an eine bestimmte Verarbeitungsstufe anpasst und so die richtige Signalamplitude gewährleistet.
Die nächste Komponente ist ein so genannter Sample-and-Hold-Wandler. Seine Funktion besteht darin, einen bestimmten Wert eines analogen Signals zu einem bestimmten Zeitpunkt zu speichern (zu erinnern), d.h. eine Abtastung durchzuführen. Diese Funktion ist für die genaue Umwandlung des analogen Signals in ein digitales Signal unerlässlich.
Ein weiteres Element ist das Kontrollsystem, das den gesamten Umwandlungsprozess steuert. Darüber hinaus synchronisiert die Schaltung den Betrieb des Abtast- und des Speicherwandlers. Darüber hinaus kontrolliert sie den Datenfluss. Das nächste wichtige Element ist der Ausgabepuffer, der die konvertierten digitalen Daten speichert. Darüber hinaus ermöglicht er die Übertragung von Daten an andere digitale Schaltungen. Der AC-Wandler hat auch eine digitale Schnittstelle, Stromversorgungselemente und einen Analog-Digital-Wandler als Hauptbestandteil.
Mehrkanal-ADC - wichtige Informationen
Ein mehrkanaliger AC-Wandler ist ein Gerät, das mehrere analoge Signale gleichzeitig in digitale Signale umwandeln kann. Jeder Kanal des Konverters ist für die Verarbeitung eines separaten analogen Signals ausgelegt. Geräte dieser Art werden in Systemen eingesetzt, in denen bis zu einem Dutzend analoge Signale gleichzeitig oder abwechselnd verarbeitet werden müssen. Solche Wandler werden u. a. in Messsystemen eingesetzt. Sie sind ideal für Labors und die Industrie, um mehrere physikalische Werte gleichzeitig zu überwachen. Eine weitere Anwendung sind medizinische Geräte zur Überwachung physiologischer Signale, z.B. EEG und EKG.
Mehrkanalige ADCs werden auch in professionellen Soundsystemen für die gleichzeitige Verarbeitung mehrerer Audiospuren verwendet. Weitere Anwendungen für die Sender sind die Telekommunikation (Verarbeitung mehrerer Signalkanäle gleichzeitig) sowie Kontroll- und Automatisierungssysteme.
AC-Wandler kompatibel mit Minicomputern
Ausgewählte AC-Wandler sind mit speziellen Overlays ausgestattet, die es ihnen ermöglichen, mit bestimmten Minicomputern, wie dem Raspberry Pi, zu arbeiten. Eine Kombination aus Messwandler und dem Raspberry kann u.a. für ein Umweltüberwachungsprojekt verwendet werden. In solchen Anwendungen ist der ADC so ausgelegt, dass er unter anderem Daten von einem Luftfeuchtigkeitssensor, einem Temperatursensor oder einem Sensor zur Messung der Luftqualität lesen kann.
Darüber hinaus ist der Raspberry Pi mit ADC ideal für Hausautomatisierungssysteme wie die Steuerung von Beleuchtung, Temperatur, Klimaanlage, Heizung und sogar die Bewässerung von Pflanzen im Garten. Darüber hinaus kann der AC-Wandler in Kombination mit dem Raspberry zum Aufbau von Überwachungssystemen verwendet werden, die das Sicherheitsniveau im Haus oder im Büro erhöhen sollen. Mit der Möglichkeit, Sensoren für Rauch, Gas, Leckagen, Wasser usw. zu integrieren, ist es möglich, auf der Basis des Raspberry Pi ein ausgeklügeltes Überwachungs- und Alarmsystem zu erstellen, das potenzielle Bedrohungen sofort meldet.
