Bisher haben wir Digital-Analog-Wandler betrachtet, die aus einem Digitalwert in einem Schritt, sozusagen parallel, den analogen Wert erzeugen.
Ein 1-Bit-DA-Wandler erzeugt die analogen Werte nicht direkt, sondern als eine Folge von Ein-Aus-Werten.
Diese Folge von Ein-Aus-Werten ergibt im Mittel die analoge Spannung, die einem Digitalwert zugeordnet ist.
Zur Erzeugung der Folge von Ein-Aus-Werten ist nur ein Schalter erforderlich, der entweder die Referenzspannung Uref oder 0 ausgibt. Daher der Name 1-Bit-DA-Wandler.
Die Bezeichnung 1-Bit-Wandler trifft auf die meisten 1-Bit-DA-Wandler nicht zu. Diese Wandler wandeln einen Digitalwert mit n Bits in eine entsprechende Analogspannung um.
1-Bit-Wandler
Der Begriff 1-Bit-Wandler ist eigentlich ein Werbegag.
Die Hersteller von CD-Playern versuchten, sich gegenseitig zu übertrumpfen, indem sie immer höhere Bit-Zahlen für ihre Laufwerke propagierten:
- Statt der benötigten 16Bit wurden 18Bit bis hin zu 24Bit beworben.
- Ein Hersteller kam dann auf die glorreiche Idee, einen 1-Bit-Wandler zu bewerben.
Der 1-Bit-DA-Wandler besteht aus zwei Komponenten:
- einer Digitalschaltung, die einen Digitalwert mit n Bits in eine Impulsfolge mit den analogen Werten U für die logische 1 und 0 V für die logische 0 umwandelt.
- einer nachfolgenden Analogschaltung, in der der Mittelwert der Spannungen der Impulsfolge gebildet wird. Dieser Mittelwert ist der Analogwert des zu wandelnden Digitalwertes.
1 = U
Eigentlich müssten wir die Referenzspannung Uref verwenden.
Der Einfachheit halber verwenden wir die Versorgungsspannung U als Referenz: Uref=U.
Die Digitalschaltung ist meist komplex. Die Analogschaltung wird möglichst einfach gehalten. Eine komplexe Digitalschaltung kann leicht als integrierte Schaltung realisiert werden.
Als Beispiel betrachten wir einen Wandler, der 4-Bit-Werte wandeln soll.
- Wenn der Digitalwert = 0 ist, gibt der Wandler eine Folge von 0 V aus.
- Der Ausgang ist immer 0 V und der Mittelwert ist ebenfalls 0 V.
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Wenn der Digitalwert = 1 (00012) ist, gibt der Wandler 15-mal 0 V aus und einmal die Spannung U aus. Wir haben eine Folge von 16 Impulsen mit nur einem U-Impuls.
Der Mittelwert ist dann 1/16 U.
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Wenn der Digitalwert = 8 ist (10002), gibt der Wandler eine Folge von 8-mal 0 V und 8-mal U aus.
Der Mittelwert ist dann 8/16 U = 1/2 U.
Wir sehen, wie der Hase läuft:
- Der n-Bit-DA-Wandler für n Bits gibt maximal eine Folge von 2n Impulsen aus.
- Die Periode für die Wandlung ist 2n.
- Die gewandelten Werte X müssen zwischen 0 und 2n - 1 liegen.
- Für einen Digitalwert X werden X Impulse mit U pro Periode ausgegeben.
- Der Mittelwert ist dann U * X / 2n.
Alle 1-Bit-Digital-Analog-Wandler haben:
- einen relativ komplexen Digitalteil, der eine präzise Impulsfolge erzeugt und
- einen relativ einfachen Analogteil, der die Impulsfolge mittelt.
- Im Analogteil sind keine hochpräzisen Bauelemente erforderlich.
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Ein hochgenauer Digitalteil braucht nur ein paar Bits mehr
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine Impulsfolge zu erzeugen, deren Mittelwert einem Digitalwert entspricht. Die bekanntesten sind:
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Puls-Weiten-Digital-Analog-Wandler
Dieser erzeugt pro Periode einen Impuls, dessen Dauer (Weite) dem Digitalwert entspricht.
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Delta-Sigma-Digital-Analog-Wandler
Dieser erzeugt eine über die Periode verteilte Folge von Impulsen.