Einfacher Analog-Digital-Wandler
Wir können Komparatoren verwenden, um eine Spannung in logische Werte umzuwandeln.
Die Schaltung in Bild 1 enthält vier Komparatoren, die alle die gleiche Eingangsspannung haben. Die Referenzspannung der Komparatoren ist jedoch unterschiedlich.
Mit den fünf gleichen Widerständen R1 bis R5 teilen wir die Versorgungsspannung von 5 V in fünf gleiche Teile. An jedem Widerstand liegt also 1 V.
- Oberhalb von R1 liegen 1*1 V=1 V.
- Oberhalb von R2 liegen 2*1 V=2 V.
- ...
- Oberhalb von R5 liegen 5*1 V=5 V.
Die Referenzspannungen der vier Komparatoren betragen also 1 V, 2 V, 3 V und 4 V.
Die Eingangsspannung ändern
Mit dem Potentiometer R stellen wir die Spannung an den Eingängen der Komparatoren zunächst auf 0 V ein.
Bei allen Komparatoren ist die Eingangsspannung kleiner als die Referenzspannung. Die Ausgänge aller Komparatoren geben 0 aus. Keine LED leuchtet.
Erhöhen wir die Spannung mit dem Potentiometer R, so leuchten
- bei 1 V LED1,
- bei 2 V LED1 und LED2,
- bei 3 V LED1, LED2 und LED3 sowie
- bei 4 V alle LEDs.
Die Schaltung zeigt mit den vier LEDs fünf Stufen an:
- unter 1 V
- über 1 V
- ...
- über 4 V
Im Prinzip haben wir der Eingangsspannung fünf digitale Werte zugeordnet. Unsere Schaltung ist ein einfacher Analog-Digital-Wandler.
Analog-Digital-Wandler
Tatsächlich gibt es integrierte Analog-Digital-Wandler, die nach dem in Bild 1 dargestellten Prinzip arbeiten.
Eine Referenzspannung wird in N gleiche Teilspannungen aufgeteilt. Diese Spannungen liegen übereinander und werden jeweils einem von N Komparatoren zugeführt. Alle Komparatoren haben dieselbe Eingangsspannung. Die Komparatoren, deren Eingangsspannung größer als die jeweilige Referenzspannung ist, geben eine logische 1 aus. Hinter den N Komparatoren befindet sich eine logische Schaltung, die den jeweiligen Werten eine digitale Zahl zuordnet. (Siehe: Binär zählen).
Meist ist N eine Zahl, die einer 2er-Potenz entspricht (2*2*...*2). Üblich sind N=64 mit 6 multiplizierten Zweien oder N=256 mit 8 multiplizierten Zweien.
Analog-Digital-Wandler nach diesem Prinzip sind sehr schnell und werden daher auch als Flash-Wandler oder Flash-Converter bezeichnet. Die Bezeichnung Parallelwandler oder Parallelumsetzer ist zutreffender, da alle möglichen Werte parallel ermittelt werden. Diese Wandler sind sehr aufwendig. Es werden N Komparatoren benötigt. Für höhere Genauigkeiten werden daher andere Wandlerverfahren eingesetzt.
Das Beispiel in Bild 2 zeigt einen Parallelwandler mit 256 Werten (0 bis 255). Dazu werden 255 Komparatoren benötigt. Die 0 ergibt sich, wenn kein Komparator eine Überschreitung seiner Referenzspannung feststellt. Der 256. Komparator signalisiert, dass die Eingangsspannung den Maximalwert überschritten hat.
Der Operationsverstärker hinter dem Eingang SIG hat eine Verstärkung von 1 und seine Ausgangsspannung entspricht der Eingangsspannung. Dieser Verstärker sorgt für einen hohen Eingangswiderstand der Schaltung.
Solche Verstärker werden im Praktikum Verstärker behandelt.
Balkenanzeige
Eine Anzeige, die mit einem Leuchtbalken die Lautstärke einer Musikwiedergabe anzeigt, ist nichts anderes als ein Pegelwandler nach dem Prinzip in Bild 1. Hierfür gibt es spezielle ICs.
Die Balkenanzeige mit dem LM3914 in Bild 3 kann eine Spannung von 0 V bis 1,25 V anzeigen. Ab einer Eingangsspannung von 1,25 V leuchten alle LEDs. Durch eine Beschaltung von REFOUT und REFADJ können andere Bereiche eingestellt werden.
Maximale Eingangsspannung einstellen
Die Einstellung der maximalen Eingangsspannung erfolgt über die Spannungsteiler R1 und R2. Sie beträgt:
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 1 kΩ Widerständen verbunden sind. Der oberste Widerstand des Spannungsteilers ist mit dem Anschluss RHI verbunden. RHI ist gleichzeitig der Referenz-Eingang des zehnten Komparators. Die Spannung am Referenz-Eingang RHI wird auf eine Spannung von 1,25 V gelegt, die vom Anschluss VR (Referenzspannung) des LM3914 geliefert wird.
Die LEDs benötigen keinen Vorwiderstand, da der LM3914 die LEDs mit einem Konstantstrom versorgt. Dieser Strom kann mit dem 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. Für die Schaltung in Bild 5 gilt:
I7 = 1,25V / Rled Iled = 10 * 1,25V / Rled Iled = 12,5V / Rled
Mit Rled=2,2 kΩ ist Iled=5,7 mA.
Mit dem LM3914 kann auch eine Punkt-Anzeige realisiert werden. In diesem Fall leuchtet immer nur eine LED. Dieser Modus wird eingestellt, wenn der Anschluss MDE offen ist.
Weitere Schaltungen mit dem LM3914
Der LM3914 kann in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, z. B.:
- mit mehr als 10 LEDs,
- für einen anderen Spannungsbereich und
- mit einer Anzeige, die ab einem bestimmten Wert blinkt.
Beispiele finden sich im Datenblatt des LM3914.