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

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Jeder Digitalwert am Ausgang entspricht einem Bruchteil der Referenzspannung. In jedem Fall sollte man beachten, dass der Dynamikumfang des A/D-Wandlers der maximalen Amplitude des zu wandelnden Signals entsprechen sollte, um bei der Wandlung ein Maximum an Präzision zu gewährleisten.

Nehmen wir einmal an, dass die Spannung des zu wandelnden Signals zwischen 0 und 2,5 V schwankt und dass V_REF 3,3 V beträgt wie in Bild 2 dargestellt. Ein 16-Bit A/D-Wandler kann 2¹⁶ = 65.536 verschiedene Digitalwerte ausgeben, wobei in unserem Fall ein Least Significant Bit (LSB) = V_REF/65536 = 3,3 V / 65.536 = 50,35 µV entspräche. Bei einem idealen A/D-Wandler werden alle Digitalwerte mit exakt 1 LSB gestaffelt. Beträgt also die maximale Signalspannung am Eingang des A/D-Wandlers 2,5 V, dann würde sich das in 49.652 Quantisierungswerte übersetzen (2,5 V/1 LSB). In diesem Fall gibt es 15.884 ungenutzte Quantisierungswerte (65.536 – 49.652 = 15.884). Darunter leidet die Genauigkeit des gewandelten Signals bzw. vermindern sich die ENOBs (Effective Number of Bits) um 0,4 Bit.

Die ENOB- oder Genauigkeitsverluste verschlimmern sich mit größer werdender Abweichung der Referenzspannung des A/D-Wandlers (VREF) und dem maximalen Signalpegel am Eingang. Beträgt beispielsweise der maximale Signalpegel am Eingang des A/D-Wandlers nur 1,2 V bei V_REF = 3,3 V, dann gehen, in ENOBs ausgedrückt, 1,5 Bit verloren. Im Sinne maximaler Genauigkeit sollte also die maximale Amplitude des Eingangssignals entsprechend an den Dynamikumfang des A/D-Wandlers angepasst werden.

Auswirkungen der Parameter auf typische Applikationen

Digitalkamera:Einfach ausgedrückt entspricht der Dynamikumfang einer Digitalkamera dem Bereich aller von der Kamera gelieferten Digitalwerte, die in einem Pixel des Bildsensors generiert werden, vom hellsten bis zum dunkelsten, gerade noch erkennbaren Bildpunkt. Die Mindestbitrate bei der Auflösung eines A/D-Wandlers wird durch den Dynamikumfang (Genauigkeit) des Bildsensors vorgegeben.

Beträgt der Dynamikumfang des Sensors beispielsweise 1000:1 (60 dB), so sollte der A/D-Wandler mindestens 10 Bit (2¹⁰ = 1024 diskrete Werte) auflösen können, um Informationsverluste zu vermeiden. In der Praxis jedoch ist es sinnvoll, den A/D-Wandler auf 12 Bit überzudimensionieren, um Fehlerreserven für den A/D-Wandler vorzuhalten.

Die Behauptung, eine Kamera hätte einen Dynamikumfang von 12 Bit, nur weil sie über einen 12- oder 16-Bit Analog-Digital-Wandler verfügt, ist irreführend, da Rauschen und die Eigenschaften der Pixelquelle hinsichtlich der Bereitstellung eines solchen Dynamikumfangs nicht berücksichtigt worden sind.

Aus den vorstehenden Erklärungen kann man leicht verstehen, dass dies nur zutrifft, wenn der Sensor selbst mit einem ausreichenden Dynamikumfang aufwartet. Der Tonumfang und der Dynamikumfang des Gesamtsystems können nie größer sein als der Dynamikumfang des Sensors. Deshalb ist es wichtig zu wissen, wie der echte Dynamikumfang einer Kamera aussieht. Das in diesem Abschnitt behandelte Beispiel hat gezeigt, dass es einen Unterschied macht, ob man eine Kamera mit einem Dynamikbereich von 12 Bit hat oder eine Kamera mit einem 12-Bit A/D-Wandler.

Widerstandsthermometer:Das Widerstandsthermometer basiert auf einem Temperatursensor, der sich die Tatsache zu nutze macht, dass sich der elektrische Widerstand mancher Materialien bei Temperaturänderungen in definierter Weise ändert. Diese bestehen in der Regel aus Platin und weisen die folgenden Eigenschaften auf:

• Sensorwiderstand bei 0 °C = 100 Ω

• Widerstandsänderung/°C = 0,385 Ω (European Fundamental Interval)

• Messstrom durch den Sensor = 1 mA

• Temperaturbereich: 0 bis 500 °C

Für die Widerstandsmessung müssen Widerstandsthermometer in der Regel mit einem kleinen Strom von etwa 1 mA betrieben werden. Eine Temperaturänderung von 1 °C resultiert in einer Widerstandsänderung von 0,385 . Daher können selbst kleinste Fehler bei der Widerstandsmessung als große Abweichungen bei der Temperaturbestimmung eingehen.

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