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Ein Analog-Digital-Wandler ist ein Gerät, das verschiedene analoge Signale mit unterschiedlichen Methoden in digitale Signale umwandeln kann.
Was ist ein Analog-Digital-Wandler?
Ein Analog-Digital-Wandler wird verwendet, um analoge Signale, oft in Form von Spannungen, in digitale Daten umzuwandeln. Dieser Prozess kann sowohl indirekt als auch direkt durchgeführt werden. Bei der indirekten Methode wird das analoge Signal zunächst in eine andere Größe umgewandelt, z.B. in Zeit oder Frequenz.
Im nächsten Schritt werden die transformierten Werte mit den Referenzwerten verglichen. Je nach Art der verwendeten Hilfsgröße wird entweder die Frequenz- oder die Zeitmethode verwendet.
Die Zeitmethode kann in zwei Varianten implementiert werden: mit einfacher oder doppelter Integration. Bei der Frequenzmethode hingegen wird die Frequenz eines Signals gemessen, das dann in einen digitalen Wert umgewandelt wird.
Direkte Signalverarbeitungsmethode
Bei der direkten Methode hingegen wird das analoge Signal direkt mit einem Referenzwert verglichen. Diese Technik ist charakteristisch für kompensierende und direkte Wandler, bei denen der Umwandlungsprozess sofort (ohne Zwischenschritte) stattfindet.
Abtastfrequenz von Analog-Digital-Wandlern
Ein wichtiger Aspekt bei der Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales ist die Abtastrate. Nach dem Abtastprinzip ist eine Mindestabtastfrequenz erforderlich, um ein analoges Signal in digitaler Form getreu zu reproduzieren. Nach diesem Prinzip muss ein analoges Signal mit einer Frequenz abgetastet werden, die mindestens das Doppelte der höchsten Komponentenfrequenz des Signals beträgt. Dies ist erforderlich, um Verzerrungen und Informationsverluste beim Digitalisierungsprozess zu vermeiden.
Wie sind Analog-Digital-Wandler aufgebaut?
Eine Schlüsselfunktion in einem Analog-Digital-Wandler ist die Steuerschaltung, die den gesamten Umwandlungsprozess steuert. Darüber hinaus koordiniert er den Betrieb anderer Komponenten wie des Multiplexers und des Abtast- und Speicherwandlers.
Eine weitere Funktion des Steuersystems ist es, den für die Signalverarbeitung notwendigen Datenfluss zu gewährleisten. Ein Analog-Digital-Wandler besteht auch aus einem Ausgangspuffer, in dem die Daten (in digitaler Form) nach der Umwandlung gespeichert werden. Der Puffer ermöglicht die Übertragung von Daten an Mikroprozessoren und integrierte Schaltkreise. Er ist entscheidend für die Verwendung und Verarbeitung von transformierten Daten. Die digitale Schnittstelle im A/D-Wandler hingegen ermöglicht die Kommunikation mit anderen digitalen Geräten. Darüber hinaus gibt es im Wandler Elemente, die für die Stromversorgung zuständig sind.
Technische Daten von Analog-Digital-Wandlern
Jeder Analog-Digital-Wandler hat spezifische technische Parameter, die seine Anwendung bestimmen. Es gibt kein Gerät, das für alle Anwendungen geeignet ist. Der erste Parameter ist die Auflösung. Darunter ist die Genauigkeit zu verstehen, mit der ein bestimmter Analog-Digital-Wandler ein analoges Signal in digitaler Form erzeugen kann. Mit anderen Worten, es ist die Fähigkeit, zwischen analogen Signalpegeln zu unterscheiden und sie in entsprechende digitale Signale (Werte) umzuwandeln.
Zusätzliche Informationen zur Auflösung
Die Auflösung des ^Wandlers wird in Bits angegeben. Legt fest, wie viele verschiedene Grade durch ein bestimmtes Gerätemodell dargestellt werden können. Ein 8-Bit-Konverter kann 256, ein 12-Bit-Konverter 4 096, ein 16-Bit-Konverter 65 536 und ein 24-Bit-Konverter 16 777 216 verschiedene Ebenen darstellen. Je höher die Auflösung, desto genauer ist die Darstellung des analogen Signals in digitaler Form. Darüber hinaus ermöglicht die höhere Auflösung eine größere Genauigkeit und weniger Verzerrungen. Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass eine hohe Präzision mit einem höheren Bedarf an Rechenleistung einhergeht.
Abtastfrequenz, Anzahl der Kanäle und andere Parameter
Der nächste wichtige Parameter von Analog-Digital-Wandlern ist die bereits erwähnte Abtastrate. Es ist nichts anderes als die Fähigkeit, eine bestimmte Anzahl von Samples (d.h. Messungen) eines analogen Signals in einer bestimmten Zeiteinheit zu nehmen, um es in ein binäres Signal umzuwandeln.
Die Abtastrate steht in direktem Zusammenhang mit der Genauigkeit und Qualität des digitalen Signals. Bei Analog-Digital-Audiowandlern liegt die Abtastrate bei 44 ksps und höher, während professionelle Messgeräte mit der gleichen Anzahl von Bits eine viel niedrigere Abtastrate haben. In der Praxis bedeutet dies minimales Rauschen und eine hohe Genauigkeit.
Zusätzliche Informationen zu den Parametern
Ein weiterer wichtiger Parameter ist der Eingangsspannungsbereich, der von einem bestimmten Analog-Digital-Wandlermodell unterstützt wird. Meistens handelt es sich um einen sehr engen Bereich, z.B. von 3,3 V bis 5 V oder von 2,7 V bis 5 V. Ein weiterer Parameter ist die Anzahl der Kanäle, die die Fähigkeit des Geräts bestimmt, eine bestimmte Anzahl von (separaten) analogen Signalen in digitale umzuwandeln. Weitere Parameter sind die Art der Kommunikationsschnittstelle und die Größe des EEPROMs.
Mehrkanalige Analog-Digital-Wandler
Mehrkanalwandler sind Geräte, die mehrere (unterschiedliche) analoge Signale gleichzeitig in digitale Signale umwandeln. Das Design dieser Art von Konverter ist so konzipiert, dass jedes analoge Signal separat verarbeitet wird.
Zu den Anwendungen für diese Geräte gehören Systeme, bei denen eine abwechselnde oder gleichzeitige Verarbeitung kontinuierlicher Signale erforderlich ist. Ein gutes Beispiel sind Labore, in denen verschiedene Arten von analogen Signalen in binäre Signale umgewandelt werden müssen. Darüber hinaus werden diese Arten von Wandlern in der Industrie und sogar in der Medizin verwendet (z.B. in EKG- und EEG-Geräten).
