Was ist ein Analog-Digital-Wandler?

Was ist ein A/D-Wandler (ADC)?

• Der Analog-Digital-Wandler (ADC) ist einer der grundlegenden Bausteine moderner Datenerfassungssysteme (auch bekannt als DAQ- oder DES-Systeme). Diese Systeme bestehen aus den folgenden Grundkomponenten:

• Sensoren

• Messverstärker

• Analog-Digital-Wandler (ADC)

• Computer mit DAQ-Software für die Signalerfassung und -analyse

ADC-Wandler spielen in modernen digitalen Datenerfassungssystemen eine große Rolle.

Erfahren Sie mehr über Datenerfassung:

Was ist Datenerfassung?Der vollständige Leitfaden zur Datenerfassung (DAQ). Erfahren Sie, wie DAQ-Systeme funktionieren und was die Grundelemente moderner digitaler Datenerfassungssysteme sind.

Was tut ein A/D-Wandler?

Der Hauptzweck von A/D-Wandlern in einem Datenerfassungssystem besteht darin, aufbereitete analoge Signale in einen Strom digitaler Daten umzuwandeln, so dass das DAQ-System sie zur Anzeige, Speicherung und Analyse verarbeiten kann.

Haupttypen von A/D-Wandlern

Obwohl es heute eigentlich fünf Haupttypen von ADC gibt, spielen in der modernen Datenerfassung nur zwei tatsächlich eine Rolle, nämlich 

• SAR-Wandler (sukzessive Approximation) und

• Delta-Sigma-Wandler. 

Mit den anderen Typen gibt es keine grundsätzlichen Probleme, sie sind aber besser für Nicht-DAQ-Anwendungen geeignet. Dual-Slope-A/D-Wandler etwa sind recht langsam und daher vorwiegend in Hand-Voltmetern zu finden.

Flash-A/D-Wandler (einstufige Parallelumsetzer) ihrerseits bieten extrem hohe Abtastraten, aber eine für Datenerfassungsanwendungen zu geringe Auflösung der Amplitudenachse. Bei Pipeline-ADC (mehrstufige Parallelumsetzer) werden mehrere Flash-Wandler verwendet, um die Auflösung der Amplitudenachse zu verbessern, allerdings bleibt diese weiter relativ beschränkt. 

Vergleich der wichtigsten A/D-Wandler-Typen

Die Welt der Datenerfassung hat sich also für SAR-ADC (sukzessive Approximation) und Delta-Sigma-ADC (ΔΣ) entschieden, die beide ihre spezifischen Vor- und Nachteile haben und daher jeweils für unterschiedliche Anwendungen besser geeignet sind. Schauen wir uns nun einmal an, wie diese A/D-Wandler funktionieren, und vergleichen wir sie:

SAR-A/D-Wandler (sukzessive Approximation)

Der SAR-Analog-Digital-Wandler ist der Basis-ADC der DAQ-Branche. Er bietet eine exzellente Ausgewogenheit von Geschwindigkeit und Auflösung und ist in der Lage, eine breite Vielfalt an Signalen höchst zuverlässig zu verarbeiten. 

SAR-A/D-Wandler gibt es bereits seit Langem, deshalb sind sie allgemein stabil und zuverlässig, und die verbauten Chips sind relativ preiswert. SAR-A/D-Wandler können sowohl für Low-End-A/D-Karten konfiguriert werden, bei denen sich mehrere Eingangskanäle einen einzelnen ADC-Chip „teilen“ (gemultiplexte A/D-Karten), als auch für Anordnungen, bei denen – für eine echte simultane Abtastung – jeder Eingangskanal seinen eigenen A/D-Wandler hat. 

Der analoge Eingangspegel der meisten A/D-Wandler beträgt 5 V, weshalb fast alle Signalaufbereitungs-Frontends ein damit übereinstimmendes konditioniertes Ausgangssignal liefern. Der typische SAR-A/D-Wandler verwendet eine Sample-und-Hold-Schaltung (Abtast-Halte-Schaltung), die das aufbereitete analoge Spannungssignal vom Signalaufbereitungs-Frontend entgegennimmt.

Ein integrierter Digital-Analog-Wandler erzeugt dann ein analoges Referenzspannungssignal, das dem digital codierten Ausgangssignal der Abtastung entspricht. Beide werden in einen Komparator eingespeist, der das Vergleichsresultat an den SAR-ADC übermittelt. Dieser Prozess wird n Male nacheinander wiederholt – wobei n die Samplingtiefe des ADCs selbst ist –, bis der dem tatsächlichen Signal am nächsten kommende Wert gefunden ist.

SAR-ADC besitzen keine inhärente Anti-Aliasing-Filterung (AAF). Besitzt auch das Datenerfassungssystem vor dem A/D-Wandler keinen entsprechenden Filter und der Techniker wählt eine zu niedrige Abtastrate, dann digitalisiert der SAR-ADC Fehlsignale (Aliasfehler). Dieses Aliasing ist insofern besonders problematisch, dass es nach der Digitalisierung nicht mehr korrigiert werden kann. 

Es gibt keine Möglichkeit, dies nachträglich per Software zu beheben. Aliasing ist nur zu vermeiden, indem man alle Eingangssignale entweder dauernd mit einer höheren als der Nyquist-Frequenz abtastet oder sie vor oder im A/D-Wandler filtert.

Für weitere Einzelheiten siehe unten unter „Aliasing und die Gefahr der Unterabtastung“.

SAR-A/D-Wandler sind eine gute Wahl für viele der heute eingesetzten Datenerfassungssysteme. Sie sind im unteren Marktsegment weit verbreitet, da sie in gemultiplexten Systemen verwendet werden können, bei denen mit einem einzigen ADC mehrere Kanäle abgetastet werden. Zudem sind sie aufgrund ihrer Geschwindigkeit und der verhältnismäßig guten Auflösung der Amplitudenachse auch im mittleren Marktsegment recht häufig anzutreffen. 

Andererseits ist diese Auflösung aber dennoch zu begrenzt, als dass die SAR-ADC gut für hochdynamische Messungen wie Rauschen, Audio, Erschütterung und Vibration, Auswuchten, Sinusverarbeitung usw. geeignet wären. Für solche Anwendungen sollten Techniker zu Delta-Sigma-A/D-Wandlern greifen, die im nächsten Abschnitt besprochen werden.

Sigma-Delta-A/D-Wandler (ΔΣ)

Ein neuerer ADC-Typ ist der Delta-Sigma-A/D-Wandler, der die Vorteile der DSP-Technologie dazu nutzt, die Auflösung der Amplitudenachse zu verbessern und das hochfrequente Quantisierungsrauschen zu reduzieren, das der SAR-Technologie zu eigen ist.

Durch ihr komplexes und leistungsstarkes Design sind Delta-Sigma-ADC ideal für dynamische Anwendungen, die eine möglichst hohe Auflösung der Amplitudenachse erfordern. Deshalb kommen sie häufig bei Audio-, Schall- und Vibrationsmessungen sowie einer Vielfalt an High-End-Datenerfassungsanwendungen zum Einsatz.

Die Implementierung dieser Chips für Datenerfassungsanwendungen geht in der Regel mit einer starken Präferenz für Frontend-Anti-Aliasing-Filterung (AAF) einher, die die Gefahr der falschen Digitalisierung von Signalen praktisch ausschließt. 

Sie weisen ein ausgezeichnetes Signal-Rauschverhalten  auf, da ein in einem digitalen Signalprozessor (DSP) eingerichteter Tiefpassfilter das Quantisierungsrauschen fast vollständig eliminiert. 

Mit Delta-Sigma-Wandlern werden die Signale wesentlich schneller als die eingestellte Abtastrate abgetastet. Der DSP erstellt daraus einen hochauflösenden Datenstrom mit der gewählten Abtastrate. Die Abtastung erfolgt bis zu hundertmal schneller als die ausgewählte Abtastrate. Dadurch entsteht ein sehr hoch aufgelöster Datenstrom (24 Bit sind üblich) mit dem großen Vorteil, einer mehrstufigen Anti-Aliasing-Filterung (AAF). Falsch interpretierte Signale sind damit praktisch ausgeschlossen.

Duale Delta-Sigma-A/D-Wandler – DualCoreADC®

Dewesoft hat durch die Kombination zweier Delta-Sigma-A/D-Wandler auf jedem Eingangskanal zusätzliche Vorteile erzielt. Einer dieser ADC ist auf eine niedrige, der andere auf eine höhere Verstärkung eingestellt. Beide überwachen das Signal gleichzeitig, während eine proprietäre Schaltung sie in Echtzeit vergleicht und zu jedem Zeitpunkt den ADC verwendet, der das beste Signal-Rausch-Verhältnis bietet, wobei die parallelen digitalen Signale zu einem nahtlosen Einzelstrom mit stark verbessertem Dynamikbereich verschmolzen werden.

Mit dieser Technik lässt sich der Dynamikbereich in einem Maß erweitern, das mit einem einzigen A/D-Wandler nicht zu erreichen wäre, nämlich auf bis zu 160 dB. Dewesoft hat sich diese Technologie, die als DualCoreADC auf dem Markt ist, patentieren lassen.

Aufgrund ihrer maximalen Auflösung der Amplitudenachse sind Delta-Sigma-ADC den SAR-ADC selbst bei sehr langsamen Signalen, wie denen der meisten Thermoelemente, vorzuziehen.
Stellen Sie sich ein Thermoelement vor, das in der Lage ist, einen 1500 °C breiten Messbereich abzudecken: Je größer die Amplitudenachse beim A/D-Wandler ist, desto besser ist auch die Auflösung des Temperatursignals. Denken Sie daran, dass sich die Auflösung der vertikalen Achse mit jedem zusätzlichen Bit effektiv verdoppelt.

Was ist besser? SAR oder Delta-Sigma?

Jede ADC-Technologie hat ihren Platz. Und da sich die Anwendungsbereiche so stark unterscheiden, ist unmöglich zu sagen, welche von ihnen insgesamt besser ist. Anders sieht es allerdings aus, wenn es darum geht, festzustellen, ob die eine der anderen in Bezug auf eine oder mehrere der aktuellen Anwendungsanforderungen überlegen ist:

Erfahren Sie mehr über verschiedene Arten von A/D-Wandlern:

Das richtige Werkzeug für jede Aufgabe

Obwohl Dewesoft dafür bekannt ist, 24-Bit-Sigma-Delta-A/D-Wandler zu verwenden, und mit der DualCoreADC® -Technologie eine großartige Innovation eingeführt hat, werden in der Produktlinie der SIRIUS-Messsysteme auch 16-Bit-SAR-A/D-Wandler eingesetzt, um eine maximale Abtastrate von 1 MS/s zu erreichen. 

Dies sind die SIRIUS HS (High Speed) und SIRIUS XHS (Extra High Speed) Signalwandler, die in dieser Reihe erhältlich sind.

Die SIRIUS HS-Messverstärker umfassen eine leistungsstarke AAF mit 100-kHz-Anti-Aliasing-Filtern der 5. Ordnung. Auf digitaler Ebene kann zusätzlich ein Bessel-, Butterworth- (oder Bypass-)Filter bis zur 8. Ordnung eingerichtet werden.

Alle 24-Bit-ADC-Messverstärker von Dewesoft sind mit einer leistungsstarken Antialiasing-Filterung ausgestattet.

Gemultiplext oder ein A/D-Wandler pro Kanal

Bei Low-End-Messsystemen, wie z. B. Datenloggern oder industriellen Steuerungssystemen, werden sehr oft gemultiplexte A/D-Karten verwendet, da sie kostengünstiger sind als A/D-Karten mit einem separaten ADC-Chip pro Eingangskanal.

In einem gemultiplexten ADC-System wird ein einziger Analog-Digital-Wandler dazu verwendet, mehrere analoge Signale gleichzeitig in digitale Werte zu konvertieren. Dazu werden die einzelnen Analogsignale in den A/D-Wandler gemultiplext.

Dies ist zwar ein kostengünstigerer Ansatz, es ist aber nicht möglich, die Signale zeitlich genau zu synchronisieren, da immer nur ein Signal zur Zeit umgewandelt werden kann. Daher gibt es immer einen gewissen zeitlichen Versatz zwischen den Kanälen. Wenn geringfügige Zeitversätze für eine bestimmte Anwendung irrelevant sind, dann ist das aber nicht unbedingt ein Problem. Gleiches gilt für die innerhalb des Systems verwendeten analogen Geräte – entscheidende Faktoren sind hier die Wahl der für die jeweilige Anwendung besten Form, Eignung und Funktion sowie die Vermeidung von Veraltung.

Da die maximale Abtastrate immer durch die Anzahl der abgetasteten Kanäle geteilt wird, ist die höchste Abtastrate pro Kanal in gemultiplexten Systemen zudem normalerweise niedriger, außer wenn nur einer oder sehr wenige Kanäle abgetastet werden.

Bei aktuellen Datenerfassungssystemen kommen gemultiplexte ADC-Systeme vor allem im Low-End-Bereich zum Einsatz, wo Kosten ein wichtigerer Faktor sind als Präzision oder Geschwindigkeit.

Was ist die Abtastrate?

Die Rate, mit der die Signale umgewandelt werden, wird als Abtastrate bezeichnet. Bestimmte Anwendungen, wie z. B. die meisten Temperaturmessungen, erfordern keine hohe Abtastrate, da sich die Signale nicht sehr schnell ändern.

Wechselspannungen und -ströme, Erschütterungen und Vibrationen und viele andere Anwendungen jedoch erfordern Abtastraten im Bereich von Zehn- oder Hunderttausenden von Samples pro Sekunde oder sogar mehr. Die Abtastrate wird üblicherweise als T- (oder X-) Messachse bezeichnet.

Dewesoft offers DAQ systems with maximum sample rates, as shown here: Dewesoft bietet DAQ Systeme mit den folgenden maximalen Abtastraten an:

Aliasing und die Gefahr der Unterabtastung

Das Verständnis der Signale und ihrer höchstmöglichen Frequenzen ist für den Erhalt genauer Messergebnisse ein entscheidender Aspekt. Nehmen wir zum Beispiel an, wir wollen das Ausgangssignal eines Beschleunigungssensors messen. 

Wenn wir Schwingungen mit einer maximalen Frequenz von 100 Hz erwarten, müssen wir die Abtastrate auf mindestens das Doppelte (die Nyquist-Frequenz) einstellen,  eigentlich ist jedoch eine zehnfache Überabtastung zu empfehlen, wenn man eine qualitativ hochwertige Darstellung der Signalform erhalten möchte. In diesem Beispiel stellen wir die Abtastrate also auf 1000 Hz ein und führen dann die Messung durch.

Theoretisch sollte nun alles in Ordnung sein, aber wie können wir wissen, ob das Signal bei einem hohen Amplitudenausschlag nicht eine viel höhere Frequenz erreicht hat? Wäre dies der Fall, dann würde unser System das Signal nicht genau messen oder umwandeln. Und im extremen Fall könnten die gemessenen Werte sogar völlig falsch sein.

Zum Verständnis des Aliasing schauen Sie sich einen alten Film an, in dem ein vorbeifahrender Wagen mit 24 Bildern pro Sekunde aufgenommen wurde – bei bestimmten Geschwindigkeiten sieht es so aus, als drehten sich die Räder rückwärts oder überhaupt nicht.

Dieser Stroboskop- oder Wagenradeffekt wird durch das harmonische Verhältnis zwischen der Drehfrequenz des Rades und der Bildaufzeichnungsrate der Kamera verursacht. Vielleicht haben Sie schon einmal Videoaufnahmen gesehen, in denen die Verschlusszeit einer Kamera mit den Blättern eines Hubschrauberrotors synchronisiert war, so dass es schien, als hänge der Hubschrauber in der Luft und seine Rotorblätter bewegten sich überhaupt nicht.

Im Falle eines Films oder eines Unterhaltungsvideos spielt das keine Rolle, glauben wir jedoch bei einer wissenschaftlichen Messung tatsächlich, dass sich die Räder eines Autos rückwärts drehen oder der Rotor eines Hubschraubers nicht bewegt, obwohl sie in Wirklichkeit eine recht hohe Geschwindigkeit haben, dann haben wir ein reales Messproblem.

Im Hinblick auf die Digitalisierung von Spannungssignalen mit unserem A/D-Wandler ist es wichtig, dass die Abtastrate adäquat eingestellt ist. Stellen wir sie zu hoch ein, dann verschwenden wir Rechenleistung und erhalten am Ende unnötig große und unhandliche Dateien. Stellen wir sie jedoch zu niedrig ein, dann könnten sich zwei Probleme ergeben:

1. das Fehlen wichtiger dynamischer Signalkomponenten;

2. falsche Signale (Alias-Effekt), wenn das System keine Anti-Aliasing-Filterung besitzt.

Vermeidung von Aliasing

Dewesoft-Produkte verhindern Aliasing durch den Einsatz von 24-Bit-A/D-Wandlern mit integrierten Anti-Aliasing-Filtern (AAF). Diese Filter arbeiten in mehreren Stufen, einschließlich einer, die sich automatisch an die Nyquist-Frequenz (normalerweise etwa 40 %) der gewählten Abtastrate anpasst. Die Messung kann also nicht durch falsche oder Alias-Signale ruiniert werden, selbst wenn Sie eine zu niedrige Abtastrate wählen.

Was ist die Samplingtiefe und warum ist sie wichtig?

In den frühen Tagen der Datenerfassung waren 8-Bit-A/D-Wandler üblich. Heute sind 24-Bit-A/D-Wandler im DAQ-Sektor Standard für die meisten auf dynamische Messungen ausgelegten Datenerfassungssysteme, und 16-Bit gelten allgemein als Mindestauflösung der Amplitude für die Signaldigitalisierung. In einigen Low-End-Systemen kommen aber auch noch 12-Bit-ADC zum Einsatz.

Da sich die mögliche Auflösung mit jedem zusätzlichen Bit effektiv verdoppelt, liefern Systeme mit 24-Bit-A/D-Wandlern eine Auflösung von 2^24 = 16 777 216. Das bedeutet, dass ein eingehendes Ein-Volt-Signal auf der Y-Achse in mehr als 16 Millionen Werten dargestellt werden kann. 

Die 16 777 216 Werte eines 24-Bit-ADCs sind wesentlich besser als die maximalen theoretischen 65 656 Werte eines 16-Bit-ADCs. Je höher die Auflösung, desto korrekter und präziser die Darstellung der Wellenformen. Und gleiches gilt für die Zeitachse.

Die DualCoreADC®-Technologie und ihre Bedeutung

In Hinsicht auf die Amplitudenachse stehen die Ingenieure seit Jahren vor der Herausforderung, die der Dynamikbereich darstellt. Was ist zum Beispiel, wenn wir ein Signal von normalerweise unter 5 Volt haben, dessen Wert aber manchmal dramatisch nach oben schnellen kann? Wenn wir die Auflösung des A/D-Wandlers auf den Bereich 0–5 V einstellen, wird das System völlig überlastet, wenn das Signal darüber hinaus ansteigt. 

Eine Lösung wäre es, wenn man zwei Kanäle verwendet, die auf unterschiedliche Verstärkungen eingestellt sind, und dann den einen für die 0- bis 5-V-Daten und den anderen für die Daten mit höherer Amplitude nutzt. Aber das wäre sehr ineffizient – wir können unmöglich für jedes Eingangssignal zwei Kanäle verwenden –, wir bräuchten doppelt so viele DAQ-Systeme, um die gleiche Arbeit zu erledigen. Außerdem würde die Datenanalyse nach jedem Test sehr viel komplexer und zeitaufwändiger ausfallen. 

Die DualCoreADC®-Technologie von Dewesoft löst dieses Problem, indem sie zwei separate 24-Bit-ADC pro Kanal verwendet und durch automatisches Umschalten in Echtzeit zwischen ihnen einen einzigen, nahtlosen Kanal erzeugt. Dabei messen die beiden ADC stets die hohe und die niedrige Verstärkung des Eingangssignals. So wird der potentielle Messbereich des Sensors vollständig abgedeckt und ein Abschneiden des Signals verhindert.

Mit der DualCoreADC®-Technologie erreichen SIRIUS-Datenerfassungssysteme ein Signal-Rausch-Verhältnis von mehr als 130 dB und einen Dynamikbereich über 160 dB. Das ist 20-mal besser als bei üblichen 24-Bit-Systemen, bei 20-mal geringerem Rauschen.

Zusammenfassung

Bei der Wahl der A/D-Wandler-Technologie, die man einsetzen möchte, sollte man sich immer nach den Anforderungen der jeweiligen Anwendung richten. Wenn Sie in erster Linie statische und quasi-statische (langsame) Signale messen, brauchen Sie einerseits natürlich kein Höchstgeschwindigkeitssystem, wünschen sich aber andererseits wahrscheinlich eine möglichst hohe Auflösung der Amplitudenachse. 

Bei fest installierten industriellen Systemen ändern sich die Anforderungen in der Regel nicht wesentlich, so dass die Entscheidung für ein System normalerweise leichter fällt.

Bei Datenerfassungssystemen für den „Alltagsgebrauch“ ist es etwas schwieriger, eine Wahl zu treffen, da diese Systeme im Laufe der Zeit in vielen verschiedenen Anwendungen zum Einsatz kommen. Der Schlüssel liegt in der Auswahl des Systems mit der besten Gesamtleistung und dem besten Schutz gegen Rauschen, Aliasing und Veraltung.

Schauen Sie sich die  Dewesoft-Datenerfassungssysteme mit High-End-Signalkonditionierung an