Analog-Digital-Wandler (A/D-W) werden in den meisten modernen Verbraucherelektronik- sowie vielen kommerziellen Anwendungen eingesetzt. Jedes Mal, wenn Sie Eingänge aus der Echtwelt (wie Mikrofon-Ton oder ein Bild) zur Speicherung, Bearbeitung oder andere Anwendungen in ein Digitalsignal umwandeln müssen, verwenden Sie einen A/D-W. Es sind zahlreiche unterschiedliche Typen von A/D-Ws auf dem Markt verfügbar, und jedes Design hat eigene Stärken und Schwächen. Die Auswahl des richtigen A/D-W hängt stark von Ihren Anforderungen ab.
Um den richtigen A/D-W auszuwählen, müssen Sie zunächst vier kritische Faktoren berücksichtigen.
- Auflösung
- Geschwindigkeit
- Genauigkeit
- Rauschen
Sobald Sie die Anforderungen Ihres Projekts in diesen Bereichen beurteilt haben, können Sie Ihre Auswahl weiter eingrenzen, indem Sie weniger wichtige Variablen betrachten, darunter:
- Eingangsspannung
- Schnittstelle
- Anzahl der Kanäle
Zu berücksichtigende A/D-W-Auswahlkriterien
Bevor Sie sich näher mit A/D-W beschäftigen, kann es nützlich sein, einen kurzen Blick darauf zu werfen, wie Geschwindigkeit, Genauigkeit und Rauschen Ihre Auswahl beeinflussen können.
Auflösung bezieht sich auf die Anzahl der Ausgangs-Bits, die der A/D-W pro Wandlung erzeugen kann. Diese Zahl beschreibt das kleinste Eingangssignal, das das System darstellen kann. Die Auflösung legt ebenfalls die kleinste inkrementelle Änderung am Analogsignal fest, die der A/D-W ausdrücken kann.
Geschwindigkeit bezieht sich auf die Abtastrate des Geräts – die Maximalanzahl von Wandlungen pro Sekunde, die der A/D-W verarbeiten kann. Die Abtastrate wird durch den Zeitbedarf für eine Wandlung bestimmt. Diese Zahl stellt dar, wie viele Abtastungen pro Sekunde im bestmöglichen Fall erzielt werden können.
Genauigkeit ist relativ einfach. Wie gut entspricht der Output dem Input? Welcher Anteil des Outputs ist das gewünschte Signal? Im Allgemeinen bewerten wir die Genauigkeit nach dem im Ausgangssignal vorliegenden Rauschen. Dieses wird mit dem Signal-Rausch-Verhältnis dargestellt; eine höhere Zahl ist hier besser (mehr Signal pro Rauschen). Selbst bei einem idealen A/D-W wird ein gewisses Rauschen vorliegen, da bei der Digitalisierung eines analogen Signals gerundet werden muss (Quantisierungsrauschens, im Folgenden erläutert). Eine höhere Auflösung führt im Allgemeinen auch zu höherer Genauigkeit: Je kleiner der Rundungsfehler, desto mehr entspricht der digitale Output dem analogen Input.
Quantisierungsrauschens ist einer von mehreren Typen von Rauschen, aus denen sich die Genauigkeit des Geräts zusammensetzt. Dieser Typ Rauschen muss eigens erwähnt werden, da Quantisierungsrauschens bei Analog-Digital-Wandlungen unvermeidbar ist. Einfach gesagt: Wird eine kontinuierliche Menge zu einer diskreten Menge umgewandelt, gehen unweigerlich Informationen verloren. Diese verlorenen Informationen bezeichnen wir als Quantisierungsrauschens, das sich als Sägezahn-förmiges Rauschsignal äußert. Ist die Auflösung hoch genug, lässt sich das Quantisierungsrauschens in der Praxis umgehen, es ist jedoch ein untrennbarer Bestandteil des A/D-W-Prozesses.
Überblick über übliche A/D-W-Architekturen
Verschiedene A/D-W-Designs weisen eigene Stärken und Schwächen auf. Daher bestimmen hauptsächlich Ihr Projekt und der Anwendungsfall, welchen A/D-W-Typ Sie verwenden werden. Ein klares Bild davon, was Ihr Gerät leisten soll, wird Ihnen dabei helfen, die vier oben beschriebenen Faktoren zu priorisieren und Sie zur richtigen A/D-W-Architektur hin zu leiten.
Die üblichsten A/D-W-Architekturen umfassen:
- Flash
- Stufenweise Annäherung (SAR)
- Delta-Sigma
- Pipeline
|
Typ |
Max. Abtastrate |
Auflösung (maximale Bits) |
|
Flash |
10 Giga-Abtastungen/s |
4-12 |
|
SAR |
10 Mega-Abtastungen/s |
8-18 |
|
Delta-Sigma |
1 Mega-Abtastung/s |
8-32 |
|
Pipeline |
1 Giga-Abtastung/s |
8-16 |
Bei jedem Architekturtyp sinkt die Geschwindigkeit mit höherer Auflösung (und umgekehrt), da bei einer höheren Auflösung mehr Daten konvertiert werden müssen. Pipeline-A/D-Ws stellen hierbei jedoch zu gewissem Grad eine Ausnahme dar: Sie kombinieren die besten Eigenschaften von SAR- und Flash-A/D-Ws und erzielen so sowohl hohe Geschwindigkeit als auch hohe Auflösung.
Flash-A/D-Ws sind zwar groß und teuer, durch ihre Geschwindigkeit eignen sie sich jedoch gut zur Wandlung von analogen in digitale Videosignale, ein Prozess, bei dem enorme Datenmengen anfallen. SARs sind bei Datenerfassungs- und Instrumentierungsanwendungen sehr gebräuchlich. Hier ist hohe Geschwindigkeit weniger relevant, und die Genauigkeit ist höchst wichtig.
Delta-Sigma-Architekturen (ein neueres Design) bieten ausgezeichnete Genauigkeit, sind jedoch auch die langsamsten Geräte unter den üblichen Designs, wodurch sie hervorragend für Hi-Fi-Audioanwendungen geeignet sind. Hierbei ist es höchst wichtig, die kleinsten Nuancen zu erfassen, aber (z. B. im Vergleich zu Video) ist die Datenmenge nicht übermäßig groß. Daher werden Delta-Sigma-Designs oft für digitale Audio- und Instrumentierungsanwendungen genutzt.
Zu guter Letzt werden Pipeline-A/D-Ws immer beliebter, da sie eine gute Kombination hoher Auflösung und hoher Geschwindigkeit bieten. Pipeline-Designs sind im Wesentlichen eine Weiterentwicklung von SAR und eignen sich gut für ein breites Anwendungsspektrum, darunter:
- Medizinische Ultraschall-Bildgebung
- Digitalvideo
- Hochgeschwindigkeit-Internetanwendungen wie Kabelmodems, xDSL usw.
Die Genauigkeit ergibt sich aus Auflösung und Abtastgeschwindigkeit. Die Auflösung bestimmt Amplitudengenauigkeit und Rundungsfehler (und so das Quantisierungsrauschen und den Baseline-Genauigkeitsverlust). Die Abtastgeschwindigkeit bestimmt die Genauigkeit und die Timing-Präzision (je öfter pro Sekunde die Quelle abgetastet wird, desto präziser ist das Timing). Ein A/D-W-Datenblatt drückt die gesamte Genauigkeit und das spezifische Quantisierungsrauschens im Signal/Rausch-Verhältnis aus. Dieser Wert sollte so hoch wie möglich sein (mehr Signalleistung pro Rauschen).
Weitere zu berücksichtigende Aspekte
Lassen Sie nicht die praktischen Aspekte außer Acht. Verschiedene A/D-W-Geräte können sich hinsichtlich folgender Aspekte stark unterscheiden:
- Physische Abmessungen
- Anzahl möglicher Eingänge
- Anforderungen an die Stromversorgung
Flash-A/D-Ws eignen sich beispielsweise nicht gut für tragbare Geräte, da die zahlreichen Komponenten sich auf Größe und Stromverbrauch auswirken. Wird ein tragbares Gerät geplant, sollte der Nutzer Designs in Betracht ziehen, die sich besser für kleine Geräte und Stromversorgungen eignen als Flash-A/D-Ws. Ähnlich hierzu erlauben viele A/D-Ws nur zwei Eingänge; wenn Ihre Anwendung also mehr als zwei Eingänge benötigt, können Sie Zeit sparen, indem Sie Ihre Suche auf Multichannel-A/D-Ws eingrenzen.
Beachten Sie: Unabhängig davon, für welche Architektur Sie sich entscheiden, sollte die Mindest-Abtastrate (auch als Nyquist-Rate bezeichnet) mindestens das Doppelte der Höchstfrequenz des Eingangs betragen. Je nach erwarteter Frequenz der eingehenden Daten müssen Sie sicherstellen, dass Ihre Abtastrate hoch genug ist.