Wie Sie den vollen Messbereich bei A/D-Wandlern nutzen

Im Datenblatt eines A/D-Wandlers werden Spannungen für den vollen Messbereich angegeben. Bei bekannter Eingangsimpedanz lässt sich daraus die Signalleistung im dBm errechnen, was nachfolgende Berechnungen vereinfacht.

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Analog/Digital-Wandler tasten Spannungen zwischen den Analogeingängen differenziell (U_ss) oder massebezogen (U_s) ab und weisen im zugehörigen Datenblatt Werte für den vollen Messbereich (FSR, Full Scale Range) auf. Viele Systementwickler müssen jedoch wissen, wie hoch die Eingangsleistung in dBm sein darf, bevor der Ausgang des A/D-Wandlers in die Sättigung gelangt.

Als voller Messbereich (auch als Vollausschlag bezeichnet) eines A/D-Wandlers wird die größte Signalamplitude bezeichnet, welche an die Eingänge des Wandlers angelegt werden kann, bevor es am Digitalausgang zum Clipping kommt. Beim Vollausschlag nutzt der Ausgang die minimalen und die maximalen Codes des A/D-Wandlers.

Bei einigen Systemen versucht man, den Dynamikbereich zu maximieren, indem man so viel wie möglich des effektiven Eingangsbereichs nutzt. Ein gesättigter A/D-Wandler weist jedoch Verzerrungen und eine geringe Leistungsfähigkeit auf.

Die meisten A/D-Wandler haben eine feste Eingangsimpedanz. Andere Varianten bieten wählbare Impedanz-Werte. Zusammen mit der Eingangsspannung bestimmt die Impedanz die Eingangsleistung, die erforderlich ist, um den ADC-Eingang auf seinen Maximalwert zu treiben. Somit lässt sich die Spannung bei vollem Messbereich aus dem Datenblatt eines A/D-Wandlers bei bekannter ADC-Eingangsimpedanz in Leistung in dBm wandeln.

Eingangsimpedanz von Watt in dBm umrechnen

Ein Beispiel: Wie hoch ist die Eingangsleistung in dBm eines A/D-Wandlers bei Vollausschlag bei folgenden Werten für den vollen Messbereich und die Eingangsimpedanz?

Der volle Messbereich des A/D-Wandlers entspricht 1,0 U_ss = 0,5 U_s = 0,3535 U_eff. Die ADC-Eingangsimpedanz R_in beträgt 50 Ω.

Die Signalleistung in Watt berechnet sich aus dem Quadrat U_eff geteilt durch die Eingangsimpedanz: U_eff^2/R_in in [W].

Die Signalleistung in dBm berechnet sich wie folgt: Signalleistung = 10 log(U_eff^2/R_in) × 1000 mW/W in [dBm]. Das ergibt:

10 log(0,3535²/50) + 30 dBm = 3,978 dBm.

Einer der größten Vorteile bei der Verwendung von Eingangsleistung in dBm ist die einfache Berechnung. So lässt sich zum Beispiel eine Verdopplung der Leistung berechnen, indem 6 dB hinzuaddiert werden. Für ein Signal mit –1 dB, bezogen auf Vollausschlag, wäre für diesen A/D-Wandler (3,978 dBm – 1 dB) eine Eingangsleistung von 2,978 dBm erforderlich. Eine FFT im Frequenzbereich drückt die Signalleistung in dB aus. Somit lässt sich die Leistung am Eingang des A/D-Wandlers bestimmen, indem eine FFT-Bin-Leistung vom Vollausschlag der Leistung subtrahiert wird.

Ein Signal mit AC-Kopplung am A/D-Wandler wird um die Gleichtaktspannung U_cm zentriert. Dies stellt sicher, dass der A/D-Wandler ohne Clipping die maximale Signalleistung erreicht.

Ein Signal bei Vollausschlag (Full-Scale-Signal) erreicht die minimalen und maximalen Codes des A/D-Wandlers, während ein Signal mit erhöhter Leistung den Eingang in die Sättigung bringt und zu Clipping am Ausgang führt. Die Leistung in dBm lässt sich aus der Spannung bei Vollausschlag und der Eingangsimpedanz berechnen.

* Ian Beavers ist Ingenieur in der Gruppe Digital Video Processing bei Analog Devices in Greensboro / U.S.A.

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