AD-Wandlungsmethoden

Zur Umwandlung von analog zu digital gibt es mehrere Methoden. Im Folgenden erklären wir einige Beispiele.

Flash-Umwandlung

Besitzt ein ADC (Analog-zu-Digital Wandler) einen Komparator, der für jeden dekodierten Spannungsbereich feuert, funktioniert dies nie wie ein direkter ADC oder Flash-ADC. Von der Komparatorbank wird für jede Spannung ein Code zu einer Schaltkreislogik für jeden Spannungsbereich erzeugt. Die direkte Wandlung ist schnell: meist braucht man nur 8 Bits Auflösung (256 bit Komparatoren) oder weniger, und einen großen, aufwändigen Schaltkreis. Analog-zu-Digital Wandler dieser Art haben eine hohe Input-Kapazität, eine große Matrize und produzieren gerne Störungen bei der Ausgabe (ausgegebener, nicht reihenfolgenkonformer Code kann zu Störungen führen). Diese Wandler werden oft für schnelle Signale benutzt, wie z.B. beim Video.

Umwandlung mit stufenweiser Annäherung

Ein ADC mit stufenweiser Annäherung verharrt auf einem endgültigen Spannungsbereich und verwendet einen Komparator, der Spannungsbereiche abweist. Stufenweise Annäherung funktioniert durch einen ständigen Vergleich der ankommenden Spannung bis zu einer bekannten Referenzspannung, so lange, bis die beste Annäherung erreicht ist. Bei jedem Schritt in diesem Vorgang, wird ein binärer Wert der Annäherung in einem Register der stufenweisen Annäherung gespeichert (SAR). Für das SAR wird eine Referenzspannung verwendet. Ist die ankommende Spannung 150 V und die Referenzspannung 100 V, ist im ersten Taktzyklus die abgehende Spannung negativ (denn 100 V ist < 150 V). Im zweiten Taktzyklus steigt die Spannung dann, sagen wir um 30 V, auf 130 V. Das ist aber immer noch ein negativer Wert. Im dritten Taktzyklus werden dann 160 V erreicht. Und jetzt ist die abgehende Spannung größer als die ankommende und damit positiv. Die binäre Form 110 ist das Ergebnis.

Wenn die Anzahl der Bit-Zyklen erhöht wird und der stufenweise Anstieg abnimmt, ist es möglich, einen exakten AD-Wandler zu bauen. Dieser AD-Wandler ist weit komplexer als andere Designs.

Delta-kodierte Wandlung

Ein delta-kodierter AD-Wandler hat einen Vorwärts-/Rückwärtszähler. Dieser Zähler „füttert" einen Digital-zu-Analog Wandler (DAC). Das ankommende Signal und der DAC gehen beide zu einem Komparator. Dieser kontrolliert den Zähler. Der Komparator arbeitet mit negativen Meldungen vom Schaltkreis und passt den Zähler solange an, bis die Ausgabe des DAC fast am ankommenden Signal angelangt ist. Von da wird dann die Zahl vom Zähler abgelesen. Delta-Wandler haben große Bereiche und auch eine hohe Auflösung, doch ihre Umwandlungszeit hängt vom Pegel des ankommenden Signals ab.

Delta-Wandler sind gut geeignet, wenn man realistische Signale lesen will. Die meisten Signale aus physikalischen Systeme sind nicht sporadisch. Einige Wandler kombinieren die Delta-Methode und die der stufenweisen Annäherung, was ausgezeichnet ist, wenn man weiß, dass hohe Frequenzen nur in kleinen Größen vorkommen.

Ein integrierter ADC erzeugt ein Sägezahn-Signal, das zuerst hochfährt und dann auf Null abfällt. Sobald dieses Signal hochfährt, beginnt ein Timer zu zählen. Stimmen dann Hochfahr-Spannung und Eingang überein, feuert ein Komparator. Jetzt wird der Wert des Timers aufgezeichnet.

Typischerweise ist die Hochfahrzeit sehr temperaturempfindlich, da der Schaltkreis, der das Hochfahren in Gang setzt, oft nur ein einfacher Oszillator ist. Hierfür gibt es zwei Lösungen: entweder die Kalibrierung des zeitlich festgelegten Hochfahrens oder die Verwendung eines taktsynchronen Zählers, der den DAC treibt und dann einen Komparator zur Sicherung des Werts des Zählers.