Analog-Digital-Wandler Grundlagen

Ein DA-Umsetzer (Digital-Analog-Wandler) wandelt digitale Signale, die als Zahlen dargestellt werden, in analoge Spannungen um. So können digitale Daten für die Steuerung analoger Geräte genutzt werden.

Der Operationsverstärker im zweiten Beispiel (Spannungsfolger) verstärkt das Eingangssignal und stellt sicher, dass die Spannung am Ausgang gleich der Spannung am positiven Eingang ist. Er dient als Puffer, der das Signal ohne Belastung an nachfolgende Schaltungen weiterleitet.

Die Widerstände in der Operationsverstärkerschaltung sind im Verhältnis 1:2:4:8 usw. angeordnet, um die entsprechenden Bitwerte im digitalen Signal zu gewichten. Dadurch kann die Gesamtspannung am Ausgang des DA-Umsetzers durch die Kombination der einzelnen Bitwerte repräsentiert werden.

Ein Komparator ist eine Schaltung, die zwei Eingangssignale vergleicht. Er gibt einen hohen Ausgangspegel aus, wenn das positive Eingangssignal größer ist als das negative Eingangssignal, und einen niedrigen Ausgangspegel, wenn das negative Eingangssignal größer ist als das positive Eingangssignal.

Ein invertierter Verstärker ist eine Schaltung, die ein Eingangssignal mit entgegengesetzter Polarität am Ausgang liefert. Der negative Eingang des Operationsverstärkers ist mit dem Eingang verbunden, der positive Eingang mit Masse. Der Rückkopplungswiderstand bestimmt die Verstärkung.

Das digitale Signal wird in der Schaltung mit den Bezeichnungen D0, D1, D2, D3 usw. dargestellt. Jedes Bit hat den Wert "H" (High) oder "L" (Low).

Ein analoger Eingang ist ein Eingang für kontinuierliche Spannungsänderungen. Er verarbeitet analoge Signale.

Ein analoger Eingang sollte nicht direkt mit einem digitalen Signal verbunden werden. Die schnellen Übergänge zwischen "H" und "L" im digitalen Signal können zu Instabilität und Störungen im analogen Eingang führen.

Eine Sample & Hold Schaltung speichert einen Wert eines kontinuierlichen Signals für eine bestimmte Zeit, um ihn für Messungen oder weitere Verarbeitung stabil zu halten.

Ein Parallelumsetzer (Parallel-ADC) wandelt alle Bits des Eingangssignals gleichzeitig um. Dieser Prozess ist sehr schnell, erfordert aber viele Vergleichseinheiten und einen hohen Hardwareaufwand.

Ein Stufenumsetzer (Stufen- oder Successive Approximation ADC) wandelt das Eingangssignal schrittweise um. Er startet mit einer groben Schätzung und verfeinert diese schrittweise. Dieser Vorgang dauert länger als beim Parallelumsetzer, benötigt aber weniger Hardware und verbraucht weniger Energie.

Ein Parallelumsetzer (Flash-Umsetzer) wird verwendet, wenn die Umwandlungsgeschwindigkeit sehr wichtig ist, z.B. bei schnellen Messungen. Er hat eine Auflösung von 6 bis 12 Bit und die Umwandlung dauert nur wenige Nanosekunden.

Ein Stufenumsetzer (Successive Approximation ADC) verwendet einen Binärsuch-Algorithmus, um das Eingangssignal schrittweise zu approximieren. Er ist langsamer als ein Parallelumsetzer, aber mit einer Auflösung von 8 bis 20 Bit präziser.

Ein Stufenumsetzer mit Zähler verwendet einen Zähler, um das Eingangssignal schrittweise zu vergleichen. Er ist langsam, aber mit einer Auflösung von 6 bis 12 Bit präziser.

Die Auflösung eines DA-Umsetzers beschreibt die Anzahl der Bits, die zur Darstellung des analogen Signals verwendet werden. Je höher die Auflösung, desto mehr verschiedene Spannungswerte können dargestellt werden.

Der Umsetzzyklus beschreibt die Zeit, die ein DA-Umsetzer benötigt, um ein digitales Signal in eine analoge Spannung umzuwandeln. Der Umsetzzyklus hängt von der Auflösung des DA-Umsetzers und der verwendeten Technologie ab.

Ein Binär gewichteter Addierer ist eine Schaltung, die die einzelnen Bits des digitalen Eingangssignals mit entsprechenden Gewichtsfaktoren multipliziert und die Ergebnisse addiert. Die Summe entspricht der analogen Ausgangsspannung.

Ein Switch Tree (Umschalterbaum) ist eine Schaltung, die die einzelnen Bits des digitalen Eingangssignals über einen Baum von Schaltern auf die entsprechenden Widerstände eines DA-Umsetzers schaltet. Der Widerstand im Baum entspricht dem Bitgewicht.

Ein SAR-Wandler (Successive Approximation Register) ist eine Art von DA-Umsetzer, der ein Register verwendet, um das Eingangssignal schrittweise zu approximieren. Dieser Vorgang dauert länger, aber der SAR-Wandler benötigt weniger Hardware.

Ein ADC (Analog-Digital-Wandler) wandelt analoge Signale, die als Spannungen dargestellt werden, in digitale Signale um. So können analoge Messwerte für die Verarbeitung und Speicherung in digitalen Systemen verwendet werden.

Die Referenzspannung bestimmt den maximalen Spannungswert, der vom DA-Umsetzer ausgegeben werden kann. Die Referenzspannung wird typischerweise an einen Pin des DA-Umsetzers angelegt.

Der MSB (Most Significant Bit) ist das Bit mit dem größten Stellenwert in einem digitalen Wort. In einem DA-Umsetzer entspricht der MSB dem höchsten Bitgewicht.

Das LSB (Least Significant Bit) ist das Bit mit dem kleinsten Stellenwert in einem digitalen Wort. In einem DA-Umsetzer entspricht das LSB dem geringsten Bitgewicht.

Die Stabilität des digitalen Signals beeinflusst die Genauigkeit der Analog-Digital-Wandlung. Ein instabiles digitales Signal kann zu Störungen führen, die die Genauigkeit der Umwandlung beeinträchtigen.

Ein idealer Operationsverstärker hat einen unendlich hohen Eingangswiderstand. Das bedeutet, dass er keinen Strom vom Eingangssignal zieht.

Ein idealer Operationsverstärker hat einen Null-Ausgangswiderstand. Das bedeutet, dass er die Spannung am Ausgang nicht beeinflusst, unabhängig davon, wie viel Strom der angeschlossene Lastwiderstand zieht.

Der virtuelle Kurzschluss zwischen den Eingängen eines Operationsverstärkers entsteht, weil der Operationsverstärker die Spannung an den Eingängen so lange anpasst, bis sie gleich ist. Daher kann man den Spannungsunterschied an den Eingängen eines Operationsverstärkers als Null annehmen.

Die Verstärkung eines Operationsverstärkers gibt an, wie stark das Eingangssignal verstärkt wird. Sie wird durch das Verhältnis des Rückkopplungswiderstands zum Eingangswiderstand bestimmt.

Ein Operationsverstärker ist ein elektronische Bauelement, das zur Verstärkung von Signalen verwendet wird. Er hat typischerweise zwei Eingänge und einen Ausgang. Die Ausgangsspannung ist proportional zur Differenz der Spannungen an den Eingängen.

Eine Spannung am Ausgang des DAC wird durch die Kombination der einzelnen Bitwerte des digitalen Eingangssignals gemäß ihrem Gewichtsfaktor bestimmt. Die Referenzspannung ist die maximale Spannung, die der DAC ausgeben kann.

Ein digitales Signal wird durch die Bit-Sequenz dargestellt. Die Bit-Sequenz wird durch das Verhältnis der Widerstände im DA-Umsetzer bestimmt, die von der jeweiligen Bit-Stellung abhängen.

Der Spannungsfolger ist ein Komparator, bei dem der negative Eingang mit dem Ausgang verbunden ist ($V_{out}$). Der Ausgang des Spannungsfolgers entspricht also immer der Spannung am positiven Eingang ($V_+$). Der Spannungsfolger schützt das Signal, indem er die Quelle nicht belastet und das Signal für nachfolgende Schaltungen stabil bereitstellt.

Wenn ich den Wert 2000 bei einem 12 Bit DAC mit einer Referenzspannung von 3,3V in eine Spannung wandle, liegt am Ausgang des DAC die Spannung 2.048 * 3.3V / 4096 = 1,65V an. Dabei liegt die maximale Spannung des DAC bei 3,3V.

Der invertierende Eingang eines Operationsverstärkers ist der Eingang, an den das Eingangssignal angelegt wird und dessen polarität umgekehrt wird, um eine verstärkte Ausgangsspannung mit umgekehrter Polarität zu erzeugen.

Der nicht-invertierende Eingang eines Operationsverstärkers ist der Eingang, an den ein Referenzsignal angelegt wird und dessen Polarität nicht invertiert wird.

Ein virtueller Kurzschluss bei einem Operationsverstärker entsteht, wenn die Spannungsdifferenz zwischen dem invertierenden und nicht-invertierenden Eingang nahezu 0V beträgt. Dies liegt daran, dass der Operationsverstärker die Spannung am invertierenden Eingang anpasst, um die Differenz zu minimieren.

Der Rückkopplungswiderstand (Rf) in einer Operationsverstärkerschaltung verbindet den Ausgang mit dem invertierenden Eingang. Er bestimmt die Verstärkung des Operationsverstärkers.

Ein Analog-Digital-Wandler (ADC) wandelt ein analoges Signal in ein digitales Signal um. Dies ermöglicht die Verarbeitung und Speicherung analoger Informationen in digitalen Systemen.

Ein digitales Signal, das direkt an einen analogen Eingang angeschlossen wird, kann instabile Signale erzeugen. Das schnelle Umschalten zwischen „High“ und „Low“ im digitalen Signal kann Störungen im analogen Signal verursachen.

Ein binär gewichteter Addierer ist eine Schaltung, die digitale Bits mit entsprechenden Gewichtsfaktoren multipliziert und dann addiert, um die analoge Spannung zu ermitteln.

Ein Hold-Schaltkreis hält den Wert eines analogen Signals für eine bestimmte Zeit fest, um ihn für den Mikrocontroller zugänglich zu machen.

Ein Parallelumsetzer (Parallel-ADC) wandelt alle Bits des Eingangssignals gleichzeitig um und bietet dadurch sehr schnelle Umwandlungen. Dafür benötigt er viele Vergleichseinheiten und ist hardwareintensiv.

Ein Stufenumsetzer (Stufen-ADC) wandelt das Signal schrittweise um, beginnend mit einer groben Schätzung, die dann verfeinert wird. Das macht ihn langsamer als den Parallelumsetzer, aber er benötigt weniger Hardware und Energie.

Der Stufenumsetzer (Successive Approximation ADC) bietet eine höhere Auflösung von 8 bis 20 Bit, ist aber langsamer als der Parallelumsetzer.

Ein Stufenumsetzer mit Zähler ist eine langsamere aber präzisere Variante mit einer Auflösung von 6 bis 12 Bit.

Die Auflösung eines DA-Umsetzers gibt an, wie viele verschiedene Spannungswerte er darstellen kann.

Der Umsetzzyklus gibt die Zeitspanne an, die ein DA-Umsetzer benötigt, um ein digitales Signal in ein analoges Signal umzuwandeln.

Eine Methode, die den Zustand eines Systems modelliert und die Reaktion auf Ereignisse simuliert.

Definiert die möglichen Zustände, in denen sich das System befinden kann.

Definiert die Ereignisse, die den Zustand des Systems beeinflussen können.

Aktionen, die ausgeführt werden, wenn der Zustand des Systems gewechselt wird.

Bedingungen, die erfüllt sein müssen, um einen bestimmten Zustand zu wechseln.

Ein Compiler übersetzt Quellcode in Maschinencode, der jedoch nicht direkt ausführbar ist und eine weitere Verarbeitung benötigt.

Der Präprozessor bearbeitet den Quellcode, bevor er an den Compiler übergeben wird. Er ersetzt Textmuster durch andere Texte, ohne den Code auszuführen oder zu berechnen.

Ein Zeiger speichert die Adresse einer Variablen im Speicher. Man kann über den Zeiger direkt auf die Adresse der Variablen zugreifen und ihren Wert ändern.

Eine Union ist eine Datenstruktur, in der alle Mitglieder denselben Speicherbereich teilen. Es ist immer nur ein Mitglied aktiv und enthält einen gültigen Wert.

Die Hauptfunktion eines Programms, die als Einstiegspunkt für die Ausführung dient.

Die Anzahl der Kommandozeilenargumente, die beim Aufruf des Programms übergeben werden.

Ein Array von Strings, das die über die Kommandozeile übergebenen Argumente enthält.

Die Kommandozeile ermöglicht die Übergabe von Argumenten an ein Programm während der Ausführung, wodurch das Verhalten des Programms beeinflusst werden kann.