Was ist ein Analog-Digital-Wandler?
Ein Analog-Digital-Wandler ist ein Gerät, das analoge Daten in digitale Daten umwandelt; es ist ein Akronym für Analog und Digital und wird auch als A/D-Wandler geschrieben.
Die meisten Informationen in der realen Welt sind kontinuierliche analoge Daten, die für die Verarbeitung in Computern in digitale Daten umgewandelt werden müssen, die nur als 0 und 1 ausgedrückt werden. Das Gegenstück dazu ist ein D/A-Wandler, der digitale Daten in analoge Daten umwandelt.
Analog-Digital-Wandler gibt es in verschiedenen Architekturen (Wandlungsverfahren), mit unterschiedlichen Abtastraten und Auflösungen. Daher ist es notwendig, je nach Verwendungszweck den geeigneten Wandler auszuwählen.
Anwendungen von Analog-Digital-Wandlern
Analog-Digital-Wandler werden in zahlreichen Anwendungen des täglichen Lebens eingesetzt. Insbesondere werden sie in Digitalkameras und Audiogeräten eingesetzt. Analoge Daten wie Video und Ton werden für die Ausgabe in digitale Daten umgewandelt.
Verschiedene elektronische Geräte müssen analoge Signale als Eingangsinformationen verwenden, die interne Verarbeitung erfolgt jedoch mit digitalen Signalen. Daher werden Analog-Digital-Wandler benötigt und in Geräten eingebaut, die mit Licht, Temperatur usw. umgehen.
Hochgeschwindigkeits-Analog-Digital-Wandler mit hohen Abtastraten wurden für Digitalkameras und Audiogeräte entwickelt, die eine Hochgeschwindigkeitsübertragung erfordern.
Funktionsweise von Analog-Digital-Wandlern
Analog-Digital-Wandler wandeln analoge Daten in drei Hauptstufen in digitale Daten um:
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Die Abtastung erfolgt durch periodisches Ausschneiden eines kontinuierlichen Analogsignals
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Die Amplitude des abgetasteten Signals wird auf einen diskreten Wert angenähert
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Die Kodierung erfolgt, um das angenäherte Signal in binären 0s und 1s darzustellen. Die Schaltung, die die Kodierung durchführt, wird als Encoder bezeichnet
Abtastrate und Auflösung sind Indikatoren für die Leistung eines Analog-Digital-Wandlers. Die Abtastrate gibt die Geschwindigkeit der Umwandlung an; je höher der Wert, desto schneller die Umwandlung.
Die Auflösung ist ein Indikator dafür, wie fein die Daten ausgedrückt werden können, und wird in Bits ausgedrückt (die Anzahl der binären Ziffern in der Kodierung). Je höher der Wert, desto höher die Präzision und desto glatter die Darstellung.
Es gibt einen Kompromiss zwischen Abtastrate und Auflösung: Diejenigen, die mit hoher Geschwindigkeit abgetastet werden können, opfern die Auflösung, während diejenigen, die eine hohe Auflösung erreichen können, eine niedrigere Abtastrate benötigen.
Weitere Informationen zu Analog-Digital-Wandlern
1. Auflösung von Analog-Digital-Wandlern
Die Auflösung ist ein Indikator für Analog-Digital-Wandler: Die Auflösung eines Analog-Digital-Wandlers gibt an, wie fein das analoge Eingangssignal quantifiziert werden kann. Die Einheit wird in Bits ausgedrückt: Im Falle von 8-Bit-Daten wird diese auf die achte Zweierpotenz heruntergebrochen und als Zahl zwischen 0 und 255 ausgedrückt. Im Allgemeinen ist die Anzahl der Bits oft ein Vielfaches von 8.
Wenn der Analogeingang eine Zahl zwischen 0 und 2 ist und der Analog-Digital-Wandler eine 8-Bit-Auflösung hat, dann ist 2/(2^8-1) = 2/255 = 0,007843. Daraus ergibt sich, dass das minimale Auflösungsvermögen eines 8-Bit-Analog-Digital-Wandlers, der Eingänge von 0 bis 2 verarbeiten kann, 0,007843 beträgt. Als hochpräzise Analog-Digital-Wandler sind 32-Bit- und 64-Bit-Produkte in der Praxis im Einsatz.
2. Abtastrate von Analog-Digital-Wandlern
Ein ebenso wichtiger Indikator wie die Auflösung ist die Abtastrate bei Analog-Digital-Wandlern: Die Abtastrate bei Analog-Digital-Wandler n bezieht sich darauf, wie oft eine analoge Größe abgetastet wird. Dies ist die Arbeitsgeschwindigkeit des Analog-Digital-Wandlers.
Durch das Nyquist-Theorem ist bekannt, dass ein Analog-Digital-Wandler eine Frequenz benötigt, die mindestens das Doppelte der Frequenz des analogen Eingangssignals beträgt. Die Abtastrate des Analog-Digital-Wandlers wird daher auf mindestens das 2,2-fache der Frequenz des analogen Eingangssignals eingestellt.
3. Genauigkeit des Analog-Digital-Wandlers
Analog-Digital-Wandler sind mit Fehlern behaftet. Beispielsweise beträgt der Fehler eines 16-Bit-AD-Wandlers mit einem Analogeingang von 0 bis 2 im Entwurf 2/(2^16-1)=0,0000030518. Der Grad der Genauigkeit, der abgetastet werden muss, wird durch die obige Berechnung bestimmt.
Es ist zu beachten, dass sich die Leistung des Analog-Digital-Wandlers nicht immer direkt auf die Leistung des Geräts auswirkt: Vor den Eingangsklemmen des Analog-Digital-Wandlers, an denen winzige Signale verarbeitet werden, sind Eingangsschutzschaltungen, Verstärker und Dämpfungsglieder vorgesehen.
Wenn die peripheren Schaltungen des Analog-Digital-Wandlers nicht sorgfältig ausgewählt werden, kann die Leistung des hochpräzisen Analog-Digital-Wandlers nicht in vollem Umfang nachgewiesen werden.