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Einfacher-Analog-Digital-Wandler

Wir können die Schaltung von Komparatoren verwenden, um eine Spannung in Pegel zu wandeln.

Komparator-vierfach_s.png
Bild 1: Vier Komparatoren bestimmen den Spannungspegel

Die Schaltung in Bild 1 enthält vier Komparatoren, die alle die gleiche Eingangsspannung haben. Die Referenzspannung der Komparatoren ist jedoch verschieden.

Mit den fünf gleichen Widerständen R1 bis R5 teilen wir die Versorgungsspannung von 5V in fünf gleiche Teile. An jedem Widerstand liegt also 1V.

  • Oberhalb R1 liegen 1*1V=1V.
  • Oberhalb R2 liegen 2*1V=2V.
  • ...
  • Oberhalb R5 liegen 5*1V=5V.

Die Referenzspannung der vier Komparatoren ist also 1V, 2V, 3V und 4V.

Die Eingangsspannung variieren

Stellen wir mit R an den Eingängen der Komparatoren zunächst 0V ein.

An allen Komparatoren ist die Eingangsspannung geringer als die Referenzspannung. Die Ausgänge aller Komparatoren geben 0 aus keine LED leuchtet.

Erhöhen wir die Spannung, schaltet bei 1V LED1 ein, bei 2V LED2, bei 3V LED3 und LED4 bei 4.

Die Schaltung zeigt über die vier LEDs fünf Pegel an:

  • unter 1V
  • über 1V
  • ...
  • über 4V

Im Prinzip haben wir der Eingangsspannung fünf digitale Werte zugeordnet. Unsere Schaltung ist ein einfacher Analog-Digital-Wandler.

Digital-Analog-Wandler

Tatsächlich gibt es integrierte Digital-Analog-Wandler, die nach dem Prinzip von Bild 1 arbeiten.

Eine Referenzspannung wird in N gleiche Teilspannungen geteilt. Diese Spannungen liegen übereinander und werden jeweils einem von N Komparatoren zugeführt. Alle Komparatoren haben die gleiche Eingangsspannung. Die Komparatoren, deren Eingangsspannung oberhalb der Referenzspannung liegt, geben eine logische 1 aus. Hinter den N Komparatoren liegt eine logische Schaltung, die den jeweiligen Werten eine digitale Zahl zuordnen. (Siehe: Binär zählen).

Meistens ist N eine Zahl die einer 2er-Potenz entspricht (22..2). Üblich sind N=64, N=256.

Digital-Analog-Wandler nach diesem Prinzip sind sehr schnell und werden deshalb auch Flash-Umsetzer oder Flash-Converter genannt. Treffender ist die Bezeichnung Parallelwander oder Parallelumsetzer, weil alle möglichen Werte parallel bestimmt werden. Diese Wander sind sehr aufwändig. Es werden N Komparatoren benötigt. Meistens werden daher andere Verfahren zur Digital-Analog-Wandlung verwendet.

Flash-Converter_s.png
Bild 2: Prinzip eines Parallelwanders

Das Beispiel in Bild 2 zeigt einen Parallelwander mit 256 Werten (0 bis 255). Dafür sind 255 Komparatoren notwendig. Die 0 ergibt sich, wenn kein Komparator eine Überschreitung seiner Referenzspannung feststellt. Der 256. Wandler signalisiert, dass die Eingangsspannung den Maximalwert überschritten hat.

Der Operationsverstärker hinter dem Eingang SIG hat die Verstärkung 1. Seine Ausgangsspannung entspricht der Eingangsspannung. Dieser Verstärker sorgt für einen hohen Eingangswiderstand der Schaltung.

Wir gehen auf derartige Verstärker im Praktikum Verstärker ein.

Balkenanzeige

Eine Anzeige, die in einem Leuchtbalken die Lautstärke einer Musikwiedergabe anzeigt, ist nichts anderes ein Pegelwandler nach den Prinzip von Bild 1. Es gibt spezielle ICs für diesen Zweck.

Balkenanzeige-LM3914.png
Bild 3: Balkenanzeige mit LM3914

Die Balkenanzeige mit dem LM3914 in Bild 3 kann eine Spannung von 0V bis 1,25V anzeigen. Über 1,25V Eingangsspannung leuchten alle LEDs. Durch eine Beschaltung von VG und ADJ können andere Bereiche eingestellt werden.

Attention pin

Einstellung der maximalen Eingangsspannung

LM3914-Spannung.png
Bild 4: Einstellung der maximalen Eingangsspannung

Die maximale Eingangsspannung wird über den Spannungsteiler R1 und R2 eingestellt. Sie ist

1,25V * ( 1 + R1 / R2 )

Mit R1 wird auch der Strom durch die LEDs eingestellt:

Iled = 12.5V / R1

Der LM3914 enthält zehn Komparatoren, die über einen Spannungsteiler mit zehn 1kΩ Widerständen angeschlossen sind. Der oberste Widerstand ist an den Anschluss RHi angeschlossen. Dort liegt auch der Referenzeingang des zehnten Komparators. Die Spannung des Referenzeingangs wird auf eine Spannung von 1,25V gelegt, die der Anschluss VR (Referenzspannung vom LM3914) liefert. Diese Spannung an VR kann wie oben beschrieben auch eingestellt werden.

LM3914_s.png
Bild 5: Prinzipschaltung des LM3914

Die LEDs benötigen keinen Vorwiderstand, weil der LM3914 einen Konstantstrom an die LEDs liefert. Dieser Strom kann über den Widerstand Rled eingestellt werden. Der Strom in den LEDs ist zehnmal so hoch wie der Strom aus dem Anschluss Nr 7, VR, Iled=10*I7. Bei der Schaltung in Bild 5 ist

I7   =      1,25V / Rled
Iled = 10 * 1,25V / Rled
Iled =      12,5V / Rled

Mit Rled=2,2kΩ ist Iled=5,7mA.

Mit dem LM3914 kann auch eine Punkt-Anzeige realisiert werden. Dann leuchtet immer nur eine LED. Dieser Modus wird eingestellt, wenn der Anschluss MDE offen ist.

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Weitere Schaltungen mit dem LM3914

Der LM3914 kann vielfältig eingesetzt werden, z.B.

  • mit mehr als 10 LED,
  • für einen anderen Spannungsbereich
  • mit blinkender Anzeige ab einem bestimmten Wert

Beispiele sind im Datenblatt des LM3914 beschrieben.