Das eBook Angewandte Mikroelektronik wurde von Hans Lohninger zur Unterstützung verschiedener Lehrveranstaltungen geschrieben. Weitere Informationen finden sie hier.


AD-Interface - Grundlagen

Möchte man analoge Signale aus der realen Welt mit der digitalen Welt der Computer in Verbindung bringen, so benötigt man Bauteile und Geräte, die die Umwandlung der Information von analoger in digitale Form und umgekehrt zustande bringen. Bei dieser Umwandlung der Information gibt es naturgemäß Einschränkungen und mögliche Fehlerquellen, die zu einer Verringerung oder gar zum Verlust der gewünschten Information führen können.

Um die Anforderungen an ein Interface zu klären, sollte zuerst geklärt werden, welche Extremwerte das interessierende Signal in Zeit und Amplitude annehmen kann. Man sollte sich also beim Entwurf und/oder der Anwendung eines Interfaces bewusst sein, welche Größen des Signals von besonderer Bedeutung sind, und daher besondere Beachtung verdienen. Außerdem ist es wichtig, sich genau im Klaren zu sein, welche Anforderungen an das Messergebnis bezüglich Genauigkeit gestellt werden. Im Folgenden seien die wichtigsten Parameter eines Messsignals kurz angeführt:

Absolutwert der Amplitude

Der Absolutwert der Signalamplitude ist vor allem für die richtige Bemessung des Eingangsverstärkers (oder Abschwächers) wichtig. Da der Eingangsspannungsbereich von AD-Wandlern meist einige Volt beträgt, müssen kleine Signale entsprechend verstärkt werden. Bei sehr kleinen Signalen kann es, bedingt durch die hohe notwendige Verstärkung zu unerwünschten Nebeneffekten kommen. Besonders muss auf die Langzeit-Stabilität der Eingangsverstärker (Offset-Drift, Temperaturstabilität) geachtet werden.

Dynamik des Signals

Unter Dynamik versteht man das Verhältnis der größten vorkommenden Amplitude zur kleinsten Interessierenden. Dieses Verhältnis bestimmt u. a. die notwendige Auflösung der AD-Wandler und den Aufbau der Vorverstärker. Sie wird oft in Dezibel angegeben.

Frequenzspektrum des Signals

Das Frequenzspektrum des Messsignals ist entscheidend für die Wahl der Digitalisierungsrate, da es bei falscher Wahl zu Artefakten kommen kann (s. a. Nykvist-Theorem). Bei vielen Signalen ist das Frequenzspektrum nicht bekannt und meist schwer zu ermitteln. In diesem Fall kann man sich dadurch helfen, dass man das Signal in der Zeitdomäne betrachtet und entscheidet, welche kleinste Feinheiten des Signals noch wiedergegeben werden sollen.

Störungen (Rauschen, Brumm, Spikes)

Man sollte unterscheiden zwischen Störungen, die aus der Signalquelle stammen und Störungen, die von außen in das Messsignal eingebracht werden.

Innenwiderstand der Signalquelle

Der Innenwiderstand der Signalquelle ist für die Wahl der Vorverstärker und eventuelle schaltungstechnische Maßnahmen zur Pufferung wichtig.

Bei der Wandlung eines Signals von analoger in digitale Form und umgekehrt, wird das Signal sowohl in der Zeit als auch in der Amplitude diskretisiert, wobei das Signal vier mögliche Zustände annehmen kann. Beim Durchlauf des Signals durch eine signalverarbeitende Maschine, die typischerweise aus Sample & Hold-Schaltung, AD-Wandler, Signalprozessor und DA-Wandler besteht, kommt das Signal in allen vier Erscheinungsformen vor:

Digitale Verarbeitung eines analogen Signals

Kontinuierliche Zeit, kontinuierliche Amplitude

Dieses Signal nennt man analoges Signal, und ist aus der täglichen Erfahrung vertraut, da in der Natur vorkommende Signale analog sind (oder die diskreten Stufen so klein sind, dass sie nur unter speziellen Bedingungen beobachtet werden können). Signale aus Sensoren sind üblicherweise analog und bilden z.B. das Eingangssignal einer digitalen signalverarbeitenden Maschine.

Diskrete Zeit, kontinuierliche Amplitude

In der ersten Stufe einer signalverarbeitenden Maschine, werden nach einer Filterung vom Signal in gleichem zeitlichen Abstand 'Proben' gezogen, die nun zeitdiskret sind, aber immer noch jeden beliebigen Wert der Amplitude aufweisen können. Man nennt dieses Signal im Englischen auch 'sampled signal'.

Diskrete Zeit, diskrete Amplitude

Nach dem Sample & Hold-Baustein wird das Signal nun vom AD-Wandler in digitale Form gebracht. Es liegt nun sowohl zeit- als auch amplitudendiskret vor und kann so in einem digitalen Signalprozessor verarbeitet werden.

Kontinuierliche Zeit, diskrete Amplitude

Nach der Bearbeitung im Signalprozessor kann das Signal durch einen DA-Wandler wieder in analoge Form transformiert werden. Es liegt dann wieder in zeitkontinuierlicher, aber amplitudendiskreter Form vor. Man sieht also, dass das ursprüngliche analoge Signal nicht wieder gänzlich rekonstruiert werden kann. Bei genügend hoher Auflösung der beteiligten Komponenten (AD-Wandler, Signalprozessor, DA-Wandler) kann das Ausgangssignal aber als analog angesehen werden.

Bei der Wandlung eines analogen Signals in einen digitalen Wert geschieht eine Zuordnung (ähnlich einer Tabelle) von analogen Spannungsbereichen zu diskreten digitalen Werten. Folgende Abbildung zeigt als Beispiel einen Ausschnitt aus der idealisierten Kennlinie eines 4-Bit-AD-Wandlers. Die in der Abbildung angegebenen analogen Werte sind willkürlich gewählt.
Umsetzung von analogen in digitale Werte


Last Update: 2008-05-31