Was sind A/D- und D/A-Wandler?

D/A-Wandler

D/A-Wandler wandeln digitale Signale in ein analoges Format um.

1.D/A Converters - Figure 1
Digitale Daten:
Gleichmäßig verteilte diskontinuierliche Werte Zeitlich
diskret, quantitativ diskret
Analoge Daten (natürliche Phänomene):
Kontinuierlicher Wertebereich Zeitlich kontinuierlich,
quantitativ kontinuierlich

A/D-Wandler

Ein A/D-Wandler ist ein Gerät, das aus umweltbedingten (physischen) Phänomenen gewonnene, analoge Signale (normalerweise Spannung) in ein digitales Format umwandelt. Die Umwandlung umfasst eine Reihe von Schritten, darunter Sampling, Quantifizierung und Coding.

A/D-, D/A-Anforderungen

In CPUs und DSPs erfolgt die digitale Verarbeitung elektronisch ausgefeilt und mit hoher Geschwindigkeit.

Natürliche Phänomene werden mithilfe eines A/D-Wandlers (digital signal processing, DSP) für eine Verarbeitung in digitale Signale umgewandelt und dann durch einen D/A-Wandler wieder zurück in analoge Signale umgesetzt.

Fortschritte in der Mikrofertigungstechnologie→Signalverarbeitung Digitalisierung→A/D- und D/A-Wandler erforderlich

1.LSI Trends

AD-Wandler Anwendungen

Digitales Audio:
Digitale Audio-Workstations, Klangaufzeichnung, Puls-Code-Modulation
Digitale Signalverarbeitung:
TV-Tuner Cards, Microcontroller, digitale Speicheroszilloskope
Wissenschaftliche Instrumente:
Digitale Imaging-Systeme, Radarsysteme, Temperatursensoren

D/A-Wandler Anwendungen

Digitalaudio
CD, MD, 1-Bit Audio
Digital Video:
DVD, digitale Fotokamera
Kommunikationseinrichtungen:
Smartphones, FAX, ADSl-Geräte
PCs:
Sound- und Grafikkarten
Messgeräte:
Programmierbare Stromversorgung etc.

Grundlegende Funktionsweise eines DA-Wandlers

Ein DA-Wandler nimmt eine genaue Zahl (meistens eine Festkomma-Binärzahl) und wandelt sie in eine physikalische Menge um (z.B.: Spannung oder Druck). DA-Wandler werden oft zur Umwandlung von Zeitreihendaten mit festgelegter Exaktheit in ein kontinuierlich variierendes physikalisches Signal verwendet.

Der ideale DA-Wandler nimmt abstrakte Zahlen aus einer Impulssequenz, die dann mit Hilfe einer Art von Interpolation verarbeitet werden, um Daten zwischen die Impulse zu füllen. Der konventionelle DA-Wandler legt die Zahlen in einer stückweise konstanten Funktion aus einer Reihenfolge rechteckiger Funktionen ab, die mit dem Null-Ordnung-Hold gestaltet ist.

Ein DA-Wandler rekonstruiert die Ursprungssignale, damit seine Bandbreite gewisse Voraussetzungen erfüllt. Digitales Sampling bringt Fehler bei der Quantisierung mit sich, die niedrigpegelige Geräusche erzeugen, die bei dem rekonstruierten Signal dann dabei sind. Die Mindestamplitude bei analogen Signalen, die ein digitales Signal derart verändern kann, nennt man Bit mit dem niedrigsten Stellenwert (LSB). Der Fehler (Abrundung), der sich zwischen analogen und digitalen Signalen einschleicht, wird Quantisierungsfehler genannt.

Grundlegender Betrieb eines A/D-Wandlers

Werfen wir einen Blick auf den grundlegenden Betrieb eines A/D-Wandlers.

A/D Converter Operation 1

Der A/D-Wandler teilt (sampled) die Amplitude des analogen Signals in bestimmten Abständen. Diese Teile werden dann in digitale Werte umgewandelt. Die Auflösung eines Analog-Digitalwandlers (bezeichnet die Anzahl diskreter Werte, die sie über einen Bereich analoger Werte produzieren können) wird normalerweise über die Anzahl an Bits ausgedrückt. Im obigen Fall eines 3-Bit-A/D-Wandlers wird der obere Wert (b2) als höchstwertiges Bit (MSB) und der niedrigste Wert (b0) als niederwertigstes Bit bezeichnet (LSB).

Der unten stehende Graph zeigt die Beziehung zwischen dem analogen Eingang und dem digitalen Ausgang an.

Darüber hinaus ist der erste digitale Änderungspunkt (000→001) unter 0,5LSB die Nullskala. Der letzte digitale Änderungspunkt (110→111) wird als Vollskala, das Intervall von 0 bis zur Vollskala als Vollskalabereich bezeichnet.

A/D Converter Operation 2

Analoge Signale werden durch die folgenden Schritte in digitales Format umgewandelt.

Sampling:
Als Sampling bezeichnet man das Verfahren zur Entnahme von Verstärkungswerten des kontinuierlichen analogen Signals in diskreten Zeitintervallen (Sampling-Periode Ts.
[Sampling-Perioden Ts = 1/Fs (Sampling-Frequenz)]
Sampling wird mithilfe eines Sample-and-Hold (S&H)-Schaltkreises durchgeführt.
Quantisierung:
Unter Quantisierung versteht man die Zuweisung eines numerischen Werts zu jedem getesteten Verstärkungswert aus einer Reihe möglicher Werte, die den gesamten Verstärkungsbereich abdecken (basierend auf einer Reihe von Bits.
[Quantisierungsfehler: Getesteter Wert - Quantisierter Wert]
Coding:
Sobald die Verstärkungswerte quantisiert wurden, werden sie mithilfe eines Encoders kodiert.
A/D Converter Operation 3