Analog-Digital-Umsetzer

Der Analog-Digital-Umsetzer, kurz auch ADC, oder AD-Wandler genannt, wandelt Analoge Signale in Digitale Signale um.

Signalkette

Um diese Signale umzuwandeln, existiert eine gewisse Kette an Informationen. Das Analoge Signal wird zum Beispiel über eine Antenne empfangen.

Um als nächstes auch wirklich nur die Signale zu verarbeiten, die verlustfrei wiederhergestellt werden können, ist es notwendig das Abtasttheorem zu berücksichtigen. Also, nur Frequenzen unterhalb der halben Abtastfrequenz verarbeitet werden.

Dies geschieht, indem ein Anti-Aliase-Filter dem AD-Wandler vorgesetzt wird.

Gleichzeitig muss ein Taktgenerator die Abtastfrequenz vorgeben. Dieser Takt kann fest eingestellt sein, oder sich aus den Kontrollinformationen eines Mikrocontrollers ergeben.

Im folgenden ist die Kette dargestellt:

Hierbei werden über die Antenne Signale Empfangen, diese im Anti-Aliase-Filter (1) gefiltert, über den Taktgenerator (2) die Abtastfrequenz eingestellt, und in dem AD-Wandler (3) weiterverarbeitet. (Bildquelle: Auszug aus dem Amateurfunk-Fragenkatalog).

Quantisierung

Jeder A/D-Umsetzer hat nur eine begrenzte Anzahl an Werten. Zum Beispiel ein 8-bit A/D-Umsetzer hat entsprechend $2^8=256$ mögliche Anzahl an Werten.

Diese Werte müssen auf einen Wertebereich verteilt werden. Wenn diese zum Beispiel auf den Bereich $0\text{ V}$ bis $1\text{ V}$ eines linearen 8-Bit A/D-Wandlers verteilt werden, ergeben sich Stufen von

$(1\text{ V}-0\text{ V})/256\approx 3,9\text{ mV}$

Variationen des Eingangssignals, die kleiner sind als diese Quantisierungsstufen können nicht aufgelöst werden. Es kommt somit zu Quanitisierungsfehlern.

Wertebereich

In der Praxis werden insbesondere für Wechselspannungssignale typischerweise die Signalbereiche so verteilt, dass die Hälfte der Signale für den negativen Wertebereich (z.B. $-1\text{ V}$ bis $0\text{ V}$) gilt, und die andere Hälfte für den positiven Wertebereich (entsprechend z.B. $0\text{ V}$ bis $+1\text{ V}$).

Typische A/D-Wandler haben zum Beispiel eine Auflösung von 8-bit, entsprechend $2^8=256$ mögliche Werte. Diese werden dann von $-128$ bis $+127$ verteilt.

Andere typische A/D-Wandler haben auch 12-bit, mit $2^{12}=4096$ Werten, und einem Wertebereich von $-2048$ bis $+2047$.

Für genauere Anwendungen werden aber auch gerne 16-bit A/D-Wandler verwendet. Diese haben entsprechen $2^{16}=65.538$ Werte, und einen Wertebereich von $-32.768$ bis $+32.767$.

Natürlich sind auch andere A/D-Wandler möglich.

Zeitbereich

Damit die Signalverläufe möglichst genau wiederhergestellt werden können, ist auf der anderen Seite natürlich noch wichtig, dass auch die Zeitinformation möglichst korrekt verwendet wird. Entsprechend ist ein möglichst genauer, frequenzstabiler Taktgenerator wichtig.

Wenn es bei diesem zu einem starken Taktzittern (Jitter) kommt, entsteht auf der Ungenauigkeit im Zeitbereich ein zusätzliches Rauschen.

Quellen

• https://50ohm.de/A_analog_digital_umsetzer.html, aufgerufen am 23.09.2024