A/D-Wandler in der Messtechnik Was Datenblätter über einen A/D-Wandler verraten und was nicht

Die Spezifikation eines A/D-Wandlers ist anhand der Datenblätter nicht immer eindeutig. In unserem Artikel erklären wir Ihnen den Unterschied zwischen "Auflösung" und "Genauigkeit", den Zusammenhang zwischen Dynamikumfang und Grundrauschen sowie die Auswirkungen dieser Parameter auf Applikationen in der Messtechnik.

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Der Dynamikumfang ist definiert als der Quotient der größten zur kleinsten Signalstärke, die das System jeweils noch messen kann. Das größte Signal kann als Spitze-Spitze-Wert, als Amplitude oder als Effektivwert angegeben sein. Und jeder dieser Werte liefert ein unterschiedliches Ergebnis. Sehen wir uns ein 1-V-Sinussignal an:

Spitze-Spitze-Wert = 2 V

Amplitude = 1 V

Effektivwert = 0,707 x Amplitude = 0,707 x 1 V = 0,707 V

Der messbare Bereich findet seine untere Grenze im Grundrauschen. Dies entspricht dem Effektivwert des Messergebnisses ohne anliegendes Signal. Der Pegel des Grundrauschens hängt von der Bandbreite ab, über welche die Messung erfolgt. Mit jeder Verdoppelung der Bandbreite steigt das erfasste Rauschen um den Faktor 1,41 oder 3 dB. Daher sollte man wissen, dass die Angabe für den Dynamikumfang sich immer auf eine bestimmte Bandbreite bezieht, die aber oft gar nicht spezifiziert wird. Und damit wird der angegebene Wert sinnlos.

Der Dynamikumfang und der Störabstand (Signal-to-Noise Ratio, SNR) eines Bausteins entsprechen einander per Definition. Dynamikumfang = SNR = Nutzsignalspannung/Rauschspannung (Effektivwerte) in dB.

Dynamikumfang (dB) = SNR (dB) = 20 * log₁₀ (Nutzsignalspannung/Rauschspannung)

Statt des Effektivwerts der maximalen Signalspannung beziehen sich manche Hersteller auf die Amplitude oder den Spitze-Spitze-Wert, um die Daten besser aussehen zu lassen. Der Dynamikumfang oder das SNR erfahren so eine magische Verbesserung um 3 oder 9 dB. Da die Spezifikationen irreführend sein können, sollte man sie besonders genau prüfen. Auflösung und Genauigkeit sind Begriffe, die bei der Bewertung der Daten eines A/D-Wandlers oft als austauschbar angesehen werden. Man beachte aber, dass Auflösung nicht mit Genauigkeit, und Genauigkeit nicht mit Auflösung gleichgesetzt werden kann.

Die Auflösung eines A/D-Wandlers

Die Genauigkeit des A/D-Wandlers gibt an, wie nahe der wirklich ausgegebene digitale Wert für ein vordefiniertes Analogsignal am Eingang dem theoretisch erwarteten digitalen Wert kommt. In anderen Worten, die Genauigkeit des Wandlers drückt aus, wie viele Bits im digitalen Ausgangscode nützliche Informationen über das Eingangssignal enthalten.

Wie schon oben ausgeführt, kann die Genauigkeit eines A/D-Wandlers mit einer Auflösung von 16 Bit, bedingt durch interne oder externe Fehlerquellen, deutlich niedriger als die Auflösung liegen. Beispielsweise kann ein mit 16 Bit spezifizierter A/D-Wandler unter Umständen nur eine Genauigkeit von 12 Bit liefern. In diesem Fall geben die 4 LSBs (Least Significant Bit) lediglich im A/D-Wandler generiertes statisches Rauschen wieder.

Was der Dynamikumfang eines A/D-Wandlers bedeutet

Digitalwert = Maximale Signalspannung x [V_IN+ - V_IN-] / [V_REF+ - V_REF-] = Maximale Signalspannung x [V_IN /V_REF]

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