../../icons/Logo.pngPraktische Elektronik


Wir bauen einen einfachen Analog-Digital-Wandler.


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Einfacher-Analog-Digital-Wandler

Wir können Komparatoren verwenden, um eine Spannung in logische Werte umzuwandeln.

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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 unterschiedlich.

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

Die Referenzspannungen der vier Komparatoren betragen also 1V, 2V, 3V und 4V.

Die Eingangsspannung ändern

Mit dem Potentiometer R stellen wir die Spannung an den Eingängen der Komparatoren zunächst auf 0V 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 1V LED1,
  • bei 2V LED1 und LED2,
  • bei 3V LED1, LED2 und LED3 sowie
  • bei 4V alle LEDs.

Die Schaltung zeigt mit den vier LEDs fünf Stufen 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.

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).

Meistens ist N eine Zahl, die einer 2er-Potenz entspricht (2*2*...*2). Üblich sind N=64 mit 6 multiplizierten 2en oder N=256 mit 8 multiplizierten 2en.

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 Verfahren der Analog-Digital-Wandler eingesetzt.

Flash-Converter_s.png
Bild 2: Prinzip eines Parallelwandlers

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 von Bild 1. Hierfür gibt es spezielle ICs.

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. Ab einer Eingangsspannung von 1,25V leuchten alle LEDs. Durch eine Beschaltung von REFOUT und REFADJ können andere Bereiche eingestellt werden.

Attention pin

Maximale Eingangsspannung einstellen

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

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 1kΩ Widerständen verbunden sind. Der oberste Widerstand des Spannungsteilers ist mit dem Anschluss RHI verbunden. RHI ist gleichzeitig der Referenzeingang des zehnten Komparators. Die Spannung am Referenzeingangs RHI wird auf eine Spannung von 1,25V gelegt, die vom Anschluss VR (Referenzspannung) des LM3914 geliefert wird.

LM3914_s.png
Bild 5: Prinzipschaltung des LM3914

Die LEDs benötigen keinen Vorwiderstand, da der LM3914 die LEDs mit einem Konstantstrom versorgt. Dieser Strom kann mit 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. Für die Schaltung in Bild 5 gilt

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. In diesem Fall 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 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.