Analog-Digital-Wandler

Ein Analog-Digital-Wandler (ADC) ist ein Halbleiterbauelement, das ein kontinuierliches Spannungs- oder Stromsignal in regelmäßigen Abständen abtastet und jede Messung als Binärzahl darstellt. Industrielle Systeme nutzen ADCs, um die Lücke zwischen der physikalischen Welt, in der die meisten Messgrößen analog sind (Temperatur, Druck, Vibration), und digitalen Steuerungssystemen zu überbrücken, die diskrete Zahlenwerte verarbeiten. Ohne einen ADC kann eine SPS oder ein Mikrocontroller nicht auf Sensordaten reagieren.

Der Umwandlungsprozess läuft in zwei Stufen ab: Abtastung und Quantisierung. Bei der Abtastung misst der ADC die eingehende Spannung in festen zeitlichen Abständen, typischerweise im Bereich von Kilohertz bis Gigahertz, je nach Anwendung. Bei der Quantisierung wird die gemessene Spannung auf die nächstgelegene diskrete Stufe innerhalb der Auflösung des Wandlers gerundet. Ein 8-Bit-ADC erzeugt 256 mögliche Ausgabewerte, ein 12-Bit-Wandler 4096. Die Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Stufen wird als kleinstes signifikantes Bit (LSB) oder Schrittweite bezeichnet. Ein 12-Bit-ADC mit einem Eingangsspannungsbereich von 0 bis 10 Volt hat beispielsweise ein LSB von etwa 2,4 Millivolt.

Industrielle ADCs gibt es in mehreren Architekturen, jede mit unterschiedlichen Geschwindigkeits- und Stromverbrauchsmerkmalen. Sukzessive Approximationsregister (SAR) dominieren in Datenerfassungssystemen und bieten ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Geschwindigkeit und Auflösung bei moderatem Stromverbrauch. Flash-Wandler opfern Auflösung für extreme Geschwindigkeit in Video- und HF-Anwendungen. Sigma-Delta-Wandler glänzen durch hohe Auflösung mit intensiver Filterung, üblich in Präzisionswaagen und Analyseinstrumenten. Die Wahl hängt von der erforderlichen Konversionsrate (Abtastungen pro Sekunde), der Auflösung (Bits) und der Eingangsbandbreite ab.

Häufige Fehlermodi sind Aliasing, bei dem Signale, die schneller als die halbe Abtastrate sind, als fehlerhafte niederfrequente Signale ins Ausgangssignal zurückfalten, und Quantisierungsfehler, ein irreduzibler Rauschboden, der der endlichen Auflösung innewohnt. Um Aliasing zu verhindern, wird vor dem ADC ein analoger Tiefpassfilter (Anti-Aliasing-Filter genannt) platziert, um Frequenzanteile oberhalb der halben Abtastrate zu entfernen. Die Genauigkeit des ADC hängt auch von der Stabilität der Referenzspannung ab; jede Abweichung oder jedes Rauschen auf der Referenz verfälscht die Ausgangscodes direkt.

Industrielle ADCs finden sich in fast jeder Steuerungs- und Überwachungsanwendung: Frequenzumrichter tasten Motorstrom und -spannung ab, Prozessregler lesen Temperatur- und Drucktransmitter aus, Vibrationskontrollsysteme erfassen Lagersignaturen. Sie sind in Datenerfassungsmodulen integriert, in Sensor-Signalaufbereitern eingebettet und in den Analogeingängen von SPSen und Industrie-Computern vorhanden. Der Begriff spiegelt die Richtung der Umwandlung wider: Digitale Systeme müssen die analoge Welt in Zahlen umwandeln, bevor sie danach handeln können.