AD-Wandler

Die Abkürzung AD-Wandler steht für Analog-Digital-Wandler (teilweise auch ADU, Analog-Digital-Umsetzer; im Englischen ADC Analog-Digital-Converter). Dieser wandelt eine analoge Größe, meist eine Spannung, in einen digitalen Wert um. Das Gegenstück ist der DA-Wandler.

Eigenschaften

Die Auflösung, mit der die analoge Größe darsgestellt wird, bewegt sich typisch zwischen 1 (einfacher Komparator, Ein-Bit-Audio, PDC) und 24 Bit - ein Sonderfällen noch mehr. Den, durch die Wandlung entstehenden Fehler zwischen dem tatsächlichen Wert und dem ausgegebenen (gewandelten) Wert, nennt man Quantisierungsfehler. Er entsteht durch die unvermeidbare Rundung und die Art der Wandlung. So entstehen durch die Nichtlinearität der Bauteile ebenfalls Fehler, wodurch die theoretisch möglichen Auflösungen der Messprinzipien niemals erreicht werden.

Der Wandlungsvorgang benötigt immer eine gewisse Zeit, während der die Eingangsgröße konstant bleiben muss. Des gilt insbesondere für alle iterativen Wandlungsprinzipien. Aber selbst für den direkt wandelnden Flash-ADC, da nicht alle dort benutzten Komparatoren gleich schnell sind. Hierfür werden sogenannte 'Track and Hold' bzw. 'Sample and Hold' Schaltungen verwendet, welche das Eingangssignal "einfrieren" während die AD-Wandlung läuft.

Verfahren

• Flash- oder Parallel-Wandler: verwenden für jeden Ausgangswert einen Komparator. Dadurch sind sie sehr schnell, aber auch teuer und stromhungrig. Flash-Wandler werden unter anderem in Digitalen Oszilloskopen eingesetzt.
• Sukzessive Approximation (SAR): Stufenweise Annäherung, Wägeverfahren. Benötigt einen DA-Wandler, mit dem man sich Bit für Bit an die zu messende Spannung herantastet.
  • Der interne AD-Wandler eines AVR verwendet diese Methode
• Single Slope, Dual Slope Verfahren: Werden meist in Multimetern oder ähnlichen Messgeräten verwendet da sie billig sind, wenig Strom brauchen und gute Linearitäten besitzen. Im Prinzip wird hier die Spannungsmessung über eine Zeitmessung realisiert (Zeitmessung des Auf- und Entladen eines Kondensators).
• Delta Sigma: Vor allem für sehr genaue Messungen (24 Bit). Preisgünstig herstellbar, da im einfachsten Fall nur ein Komparator und Logik-Elemente benötigt werden, dafür recht langsam. Werden vor allem im Audio-Bereich eingesetzt. Siehe [Delta-Sigma-Modulation]
• Spannungs-Frequenz-Umsetzer: Hier steuert die Eingangsspannung einen Oszillator, dessen Ausgangsfrequenz möglichst linear von der Eingangsspannung abhängt (Frequenzmodulation).
• Nachlauf-Verfahren: Es wird auch hier ein DAC benötigt, der von einem Auf-Abwärtszähler gesteuert wird. Ein Komparator steuert ob auf- oder abwärts gezählt wird.

Kenngrößen

Als Kenngrößen gibt es bei einem ADC bedeutend mehr als nur die Auflösung. Z.B. wäre es nicht schlecht, wenn er keine sogenannten 'Missing-Codes' hätte. Hier fehlen einfach gewisse Ausgangswerte, die Kennline hat Sprünge.

Weiters wichtig ist die Linearität. Es kann sein, dass die Kennlinie nichtlinear ist (Kennlinie Ausgangscode-Eingangsspannung gebogen) oder aber die einzelnen Stufen sind nicht gleich groß.

Außerdem wichtig sind: Eingangsrauschen, Samplingzeit und Stromverbrauch.

Praxis

Hohe Spannungen messen

Will man einen AD-Wandler dazu nutzen große Spannungen zu messen, so behilft man sich mit einem Spannungsteiler nach Masse. So wird erreicht, dass die maximale Eingangsspannung bzw. Referenzspannung des AD-Wandlers nicht überschritten werden. Über das bekannte Widerstandsverhältnis kann dann per Software vom AD-Wert auf die gemessene Spannung zurückgeschlossen werden.

Negative Spannungen messen

Will man nun negative Spannungen messen, steht man vor dem Problem, den AD-Wandler keinen negativen Spannungen aussetzen zu dürfen. Hier hilft auch ein Spannungsteiler nach Masse nicht weiter. Es ist jedoch genausogut möglich, einen Spannungsteiler auf eine positive Spannung, z. B. die Betriebsspannung des AD-Wandlers zu beziehen. Um verlässliche Messwerte zu erhalten, darf die Bezugsspannung nicht schwanken, sollte also z. B. von einem Spannungsregler oder besser noch von einer Spannungsreferenz wie z. B. LM336 erzeugt werden.

        Vcc
        ---
         |
        +-+
        | | R1
        +-+
         |
         +---o Uadc
         |
        +-+
        | | R2
        +-+
         |
Uin- o---+

[math]\displaystyle{ \mathrm{U_{adc}=(V_{CC}-U_{in-}) \cdot \frac{R_2}{R_1+R_2} + U_{in-}} }[/math]

[math]\displaystyle{ \mathrm{U_{in-}=\frac{U_{adc}-V_{CC} \cdot \frac{R_2}{R_1+R_2}}{1-\frac{R_2}{R_1+R_2}}} }[/math]

Bei differentieller Messung sind Bezugsspannungsschwankungen theoretisch kein Problem, praktisch bildet man aber eine Art Wheatstone-Brücke nach, sodass durch die Toleranzen der Widerstände große Abweichungen auftreten können, wenn sich die Bezugsspannung ändert (z. B. Batteriebetrieb).

Siehe auch im Forum:

• Mit AD-Wandler negative Spannungen messen
• Vcc gegen interne Referenz messen (AVR)
• Forumsbeitrag: Berechung der Auflösung und des Messwerts, immer durch 2^N und nicht 2^N-1
• Forumsbeitrag Warum man manchmal auch durch 2^N-1 dividieren will

Wechselspannung mit AC-Kopplung messen

In manchen Fällen, zum Beispiel bei Audio-Signalen, interessiert man sich nicht für den Gleichspannungsanteil (DC), sondern nur für den Wechselspannungsanteil (AC) eines Signals. In diesem Fall kann man durch einen Kondensator in Reihe eine sogenannte AC-Kopplung herstellen. Näheres dazu im Beitrag AC Kopplung wie groß muss der Kondensator sein?.

Genaues Messen und Fixed-Point Arithmetik

Siehe Forumsbeitrag ADC und Fixed-Point Arithmetik von Bernd N. und den Artikel Festkommaarithmetik.

Zitierte Appnotes:

• AVR120: Characterization and Calibration of the ADC on an AVR (PDF)
• AVR121: Enhancing ADC resolution by oversampling (PDF)

Externe AD-Wandler Bausteine

ADC I2C/TWI BUS

• 12x12 Bit ADC MAX1238
• 12x10 Bit ADC MAX1138
• 12x8 Bit ADC MAX1038
• 8 x 12bit ADC MAX127

ADC SPI BUS

• 1x8 Bit TLC549, sukzessive Approximation
• 1x22 Bit MCP3551, Delta Sigma

Weblinks

• Vorlesung Interfacetechnik von Dr.-Ing. Norbert Hirt an der TU Ilmenau
• Simulationssoftware für AD Wandler
• The ABC's of A-D converter latency by Bonnie Baker, Texas Instruments (via Embedded.com)
• Writing software drivers for analog to digital converters, By Mark Thoren and Leo Chen, Linear Technology Corp., Embedded.com, (I2C)