Digital-Analog-Wandler

Die meisten in der Natur vorkommenden Signale sind analoger Natur. Daher ist es für eine digital arbeitende Maschine notwendig, die digitalen Werte in analoge Größen umzusetzen, wenn externe Vorgänge beeinflusst werden sollen.

Ein Digital-Analog-Wandler (DA-Wandler oder DAC) erzeugt aus einem digitalen Eingangssignal ein diskretes, analoges Ausgangssignal, das proportional zum digitalen Wert der Eingangsgröße ist. Die Wandlung kann entweder durch Summierung von entsprechend gewichteten Strömen erfolgen oder durch Schalten einer Widerstandsmatrix.

Grundsätzlich kann ein DA-Wandler das analoge Signal mit 2ⁿ Stufen erzeugen, wobei n für die Auflösung des Wandlers in Bit steht. Ein DAC mit 10 Bit Auflösung kann also 1024 verschiedene Spannungsstufen erzeugen, die sich in gleichen Abständen über den Ausgangsspannungsbereich des DACs verteilen. Die Auflösung eines DA-Wandlers kann jedoch nicht beliebig gesteigert werden, da mit steigender Auflösung auch die maximal erlaubten Bauteiltoleranzen für den Aufbau des DACs sinken. Zur Zeit sind DACs mit maximal 18 Bit Auflösung kommerziell erhältlich, was einer Abstufung von 38 μV bei 10 V Ausgangsspannungsbereich entspricht.

Summierung von binär gewichteten Strömen

Eine sehr einfache Möglichkeit, ein digitales Signal in ein analoges umzuformen, besteht in der Summation von binär gewichteten Strömen. Dazu wird an die Ausgänge eines Registers je ein Widerstand angeschlossen, dessen Wert so bemessen ist, dass der durch ihn fließende Strom proportional zur binären Wertigkeit des angeschlossenen Ausgangs ist. Die Summe aller Ströme ergibt dann über einen Abschlusswiderstand einen Spannungsabfall der proportional zum angelegten digitalen Wert ist:

U_out = (8U₃ + 4U₂ + 2U₁ + U₀)*R_f/8R,

mit U₀ - U₃ .... Spannung an Bit 0 bis Bit 3.

DA-Wandlung durch Summation von Strömen

DA-Wandler, die nach diesem Prinzip arbeiten, haben jedoch einige Nachteile, die hier kurz aufgezählt werden sollen. Zum einen ist es für eine korrekte Funktion des DA-Wandlers notwendig, dass die Spannungspegel des ansteuernden Registers für alle Ausgänge gleich sind, und zum anderen müssen die Widerstände bei einer Toleranz entsprechend der gewünschten Auflösung genau im Verhältnis 2:1 abgestimmt sein, was bei hohen Auflösungen schwer zu erzielen ist. Außerdem steigt die Verlustleistung an den einzelnen Widerständen vom LSB zum MSB umgekehrt proportional zum Widerstand. Das bedeutet, dass bei einem 10-Bit-Wandler der MSB-Widerstand eine 1000-fach höhere Verlustleistung aufweist, als der LSB-Widerstand. Eine Verbesserung dieser nachteiligen Eigenschaften wird durch einen DA-Wandler mit R-2R-Widerstandsleiter erreicht.

Widerstandsleiter

Das zweite Prinzip zur DA-Wandlung, benötigt nur zwei verschiedene Widerstandswerte und ist deshalb wesentlich leichter zu verwirklichen. Bei diesem Verfahren werden die Ausgänge eines Registers mit einer Widerstandsleiter verbunden, deren "Sprossen" genau doppelt so hohe Werte aufweisen wie die Widerstände entlang des "Holmes".

DA-Wandler mit Widerstandsleiter

Diese Art der DA-Wandlung wird in den meisten kommerziell verfügbaren DA-Wandlern eingesetzt, da eine solche Widerstandsleiter leicht durch Abgleich mit Lasern hergestellt werden kann, zumal der Absolutwert der Widerstände belanglos ist, solange das Verhältnis genau 2:1 beträgt.

Multiplizierende DA-Wandler

Bei der vorhergehenden Besprechung der Prinzipien zur DA-Wandlung wurde angenommen, dass die Ausgangsspannung der Registerausgänge bzw. Vcc für die Schalter konstant ist. Die erzielbare analoge Spannung des DA-Wandlers hängt von den Spannungen der Zustände LOW und HIGH ab, und muss notwendigerweise zwischen diesen Extremwerten liegen (typisch 0 und 5 Volt für CMOS-Bausteine).

Durch eine Änderung der Schaltung der Ausgangsstufen des Registers kann man die Spannung des HIGH-Zustandes variabel machen (Referenzspannung), wodurch sich ein multiplizierender DA-Wandler ergibt, da die analoge Ausgangsspannung des DA-Wandlers gleich dem Produkt aus der Referenzspannung und dem angelegten digitalen Wert ist. Falls die Referenzspannung sowohl negative als auch positive Werte annehmen darf, spricht man von einem Vierquadranten-, sonst von einem Zweiquadranten-Multiplizierer.

Die folgende Tabelle gibt eine kurze Übersicht über kommerziell erhältliche DA-Wandler.

Typ	Auflösung [Bit]	ts[μs]	Pv[mW]	Bemerkungen
HDAC10180A	8	0.005	1000	ECL-Eingänge
AD9700	8	0.01	650	Video-DAC
DAC8408	8	0.25	5	lesbares Datenregister
DAC801	8	0.1	33	multiplizierend
DAC8800	8	2.0	12	8-fach-DAC, seriell
DAC8228	8	5.0	100	single supply
AD7525	8	5.0	150	4-fach-DAC
AD561	10	0.25	300	Stromausgang
PM7533	10	0.6	30	multiplizierend
DAC-HF12B	12	0.05	800	sehr schnell
DAC394-12	12	0.05	1000	eingebaute Referenz
DAC681	12	0.4	450	Stromausgang
DAC1220	12	0.5	10	multiplizierend
DAC312	12	0.5		Stromausgang
AD567	12	0.5	300	uP-Interface
HDAC7541Z	12	0.5	60	multiplizierend
PM7645	12	1.0	10	8-Bit-Businterface
DAC1210	12	1.0	25	4-Quadranten-Multiplizierer
DAC1201	12	7.0	700	eingebaute Referenz
AD394	12	15.0	570	4-fach-DAC
DAC-HA14B	14	7.0	0.005	CMOS, multiplizierend
ICL7134	14	0.9	10	CMOS, multiplizierend
HDAC52160	16	0.15	450	eingebaute Referenz
DAC708	16	0.35	500	eingebaute Referenz
ICL7145	16	3.0	6	multiplizierend
DAC701	16	8.0	800	eingebaute Referenz
DAC-HR16B	16	1.0	1000	geheizte Referenz
AD7118	17	1.8	15	logarithmische Kennlinie
DAC1146	18	6	950	eingebaute Referenz
DAC377-18	18	20.0	225	interne Referenz
res.... Auflösung      ts.... Einschwingzeit      Pv.... Verlustleistung