Digital-Analog-Wandler
Für dieses Praktikum ist es sinnvoll
- Spannungen einstellen aus Analogen Grundschaltungen zu bearbeiten.
- Andererseits sind Kenntnisse über Digitale Zahlen notwendig.
Wir beschäftigen uns hier sowohl mit Digitaltechnik als auch mit analogen Spannungen.
In Digital oder Analog wurden die analoge und digitale Welt einander gegenübergestellt. Als Beispiel wurde gezeigt, dass in einem digitalen Voltmeter eine analoge Spannung mithilfe eines Analog-Digital-Wandlers in digitale Werte umgewandelt wird.
Wir betrachten hier den umgekehrten Weg: Aus digitalen Werten werden analoge Spannungen erzeugt.
Digital-Analog-Wandler
Ein Digital-Analog-Wandler (engl.: Digital-Analog Converter, DAC) erzeugt eine Spannung, die dem digitalen Wert seiner digitalen Eingänge entspricht.
Der Digital-Analog-Wandler hat n digitale Eingänge, n Bits. Die digitalen Eingänge des DAC sind in Abbildung 1 wie digitale Zahlen angeordnet, wobei das Bit Q0 mit dem niedrigsten Wert (LSB) rechts steht.
Der DAC erzeugt am Ausgang eine Spannung Ua, die dem digitalen Wert der n digitalen Eingänge entspricht.
Bevor wir uns einigen Eigenschaften von Digital-Analog-Wandlern zuwenden, ist es am besten, den Aufbau eines einfachen DACs zu betrachten: eines
Binär gewichteten Digital-Analog-Wandlers.
Eigenschaften eines Digital-Analog-Wandlers
Wer einen Binär gewichteter Digital-Analog-Wandler wie oben vorgeschlagen, aufgebaut hat, wird die folgenden Eigenschaften eines Digital-Analog-Wandlers gut nachvollziehen können.
- Ist der digitale Wert der n Eingänge 0 ist, d.h. sind alle Bits 0, so ist auch die Ausgangsspannung Ua=0V.
- Ist der digitale Wert 1 (000 .. 001), so wird die kleinstmögliche Ausgangsspannung Uq ausgegeben.
- Die Ausgangsspannung Ux für einen Digitalwert X ist einfach Ux = Uq * X.
- Es sind nur diskrete Werte für die Ausgangsspannung möglich, die ein Vielfaches des kleinstmöglichen Wertes Uq sind.
- Uq wird als Quantisierungsschritt bezeichnet.
- Die höchste Ausgangsspannung Umax ergibt sich, wenn alle Bits des digitalen Wertes 1 sind: (111 ... 111).
- Bei einem 4-Bit-DAC ist z.B. der höchste digitale Wert 15 = 11112.
Die Referenzspannung Uref am Eingang des DAC bestimmt die Ausgangsspannung Ua.
- In den meisten Fällen wird für einen DAC mit n Bits Uq = Uref / 2n gewählt.
- Die maximale Ausgangsspannung Umax für den höchsten Digitalwert, alle Bits = 1 (111 ... 111), ist also Uref - Uq
- Ein DAC kann also nie die volle Referenzspannung erreichen.
- Bei einem 4-Bit-DAC beträgt die maximale Ausgangsspannung z.B. Uref * 15 / 16
- Ein DAC mit n Digitaleingängen (Bits) kann 2n Werte ausgeben.
- Dies schließt die Ausgangsspannung Ua = 0V mit ein.
Weitere Digital-Analog-Wandler
Im Praktikum Binär gewichteter Digital-Analog-Wandler haben wir uns einen typischen Digital-Analog-Wandler angesehen. Alle n Bits der digitalen Werte werden direkt verarbeitet und gewandelt.
Im Praktikum R2R-Wandler betrachten wir einen weiteren Digital-Analog-Wandler, bei dem ebenfalls alle n Bits der digitalen Werte direkt verarbeitet und gewandelt werden.
Bei einem 1Bit-DA-Wandler werden die Bits eines digitalen Wertes nicht direkt in einen analogen Wert gewandelt, sondern in eine Impulsfolge übersetzt. Diese Folge von Spannungen wird dann gemittelt, um die analoge Spannung zu erhalten, die dem digitalen Wert entspricht.
Ein typischer 1Bit-DA-Wandler ist der Puls-Weiten-Digital-Analog-Wandler.
Moderne Digital-Analog-Wandler arbeiten nach dem Delta-Sigma-Digital-Prinzip.