Analog-Digital-Wandler

Um einen Computer für Meß- und Steuerungsaufgaben einsetzen zu können, muß eine Schnittstelle zwischen der digitalen Welt des Computers und der analogen Welt außerhalb hergestellt werden. Die Umsetzung analoger Meßdaten in digitale Informationen erfolgt durch Analog-Digital-Wandler (engl. analogue-digital-converter, kurz ADC oder AD-Wandler). Die umgekehrte Umsetzung digitaler Informationen in analoge Signale erfolgt durch Digital-Analog-Wandler (engl. digital-analogue-converter, kurz DAC oder DA-Wandler).

Ein AD-Wandler setzt eine elektrische Spannung in eine Dualzahl um. Da die Stellenzahl dieser Dualzahl bauartbedingt beschränkt ist, erfolgt die Umwandlung diskret, d.h. einem bestimmten Spannungsintervall wird jeweils dieselbe Zahl zugeordnet. Die duale Stellenzahl des Wandlers wird als Auflösung bezeichnet und in Bit angegeben. Gewöhnliche Wandler haben Auflösungen im Bereich von acht bis sechzehn Bit.

In der Praxis haben sich drei verschiedene Umwandlungsverfahren durchgesetzt:

Zählverfahren:

Die zu wandelnde Spannung wird mit einer Referenzspannung verglichen. Diese Referenzspannung ist die kleinste vom Wandler auflösbare Spannung. Ist die Meßspannung größer als die Referenzspannung, wird die Referenzspannung verdoppelt und wieder verglichen. Fällt der Test wieder negativ aus, wird die Referenzspannung verdreifacht und wieder verglichen. Dieser Vorgang wird solange fortgesetzt, bis die Meßspannung kleiner ist als die Referenzspannung. Die Zahl der durchgeführten Vergleiche ist proportional zur Meßspannung und ist der gesuchte Wandlerwert.
Dieses Verfahren erfordert nur geringen Schaltungsaufwand, allerdings ist die Wandlungszeit relativ lang und von der angelegten Spannung abhängig (zwischen 1 und $100$ms).

Wägeverfahren:

Wandler, die nach diesem Verfahren arbeiten, bestehen aus einem DA-Wandler (s.u.) und einem Komparator, der die am DA-Wandler ausgegebene Spannung mit der angelegten Meßspannung vergleicht. Bei der Umwandlung wird die angelegte Spannung durch die Spannung am DA-Wandler schrittweise approximiert. Die beste Approximation stellt das Ergebnis der Umwandlung dar. Der Approximationsvorgang liefert in jedem Schritt eine Stelle der gesuchten Dualzahl. Sie benötigt daher soviele Schritte wie die Wandlerauflösung in Bit beträgt.
Dieses Verfahren besitzt eine relativ hohe und von der anliegenden Spannung unabhängige Wandlungsgeschwindigkeit.
Wandler dieser Bauart werden z.B. in der digitalen HiFi-Technik eingesetzt.

Parallelverfahren (Flash-Wandler):

Die zu wandelnde Spannung wird gleichzeitig mit allen vom Wandler darstellbaren Werten verglichen. Dadurch wird die beste Approximation in einem Schritt gefunden. Diese hohe Geschwindigkeit wird allerdings mit einem extrem hohen Schaltungsaufwand erkauft. Zum Beispiel werden bei einer Auflösung von nur acht Bit 256 Komparatoren und 256 Referenzspannungen benötigt.
Wandler dieser Art kommen nur dort zum Einsatz, wo es besonders auf hohe Geschwindigkeiten und weniger auf große Auflösung ankommt, z.B. in Digital-Sampling-Oszilloskopen (Wandlungszeit $20$ns und weniger) oder in der digitalen Echtzeit-Videobildverarbeitung.

Bei allen Verfahren darf sich das Eingangssignal während der Wandlungszeit nicht ändern, da ansonsten falsche Ergebnisse geliefert werden würden. Zu diesem Zweck wird vor den Wandler meist eine sog. Sample-and-Hold-Schaltung gesetzt. Diese Schaltung ,,friert`` den Wert des Eingangssignals für einen Moment ein.