Was sind Datenwandler?

Datenwandler sind in zwei verschiedenen Ausführungen erhältlich, die weiter unten genauer beschrieben werden. Allgemein ausgedrückt ist ein Datenwandler ein Gerät, das analoge Signale in digitale Daten umwandelt oder umgekehrt. Dabei werden Geräte, die analoge Signale in digitale umwandeln, oftmals als ADC bezeichnet. Geräte, die digitale Signale in analoge umwandeln, werden hingegen als DAC bezeichnet.

Datenwandler sind in vielen verschiedenen Architekturen erhältlich und werden für eine Vielzahl unterschiedlichster Anwendungen eingesetzt.

 

Wofür werden Datenwandler verwendet?

DAC- und ADC-Geräte verfügen jeweils über ihre eigenen Anwendungsbereiche, sind jedoch gleichermaßen bedeutend für das digitale Zeitalter. Mit ihnen werden viele der modernen Luxusgüter überhaupt erst möglich, zudem spielen sie eine wichtige Rolle in den Bereichen Wissenschaft, Telekommunikation und mehr.

Digital-Analog-Wandler kommen hauptsächlich in Audio- und Video-Anwendungen zum Einsatz. Sie werden mitunter auch in mechanischen Anwendungen verwendet, ihr Nutzen für A/V-Anwendungen zeigt jedoch sehr deutlich, welche Vorteile diese Geräte durch das Umwandeln analoger Signale in digitale Information bieten.

Bei Musikgeräten, die digitale Medien verwenden – sprich: bei dem Großteil solcher Geräte auf dem heutigen Markt – machen Digital-Analog-Wandler es überhaupt erst möglich, die Musik tatsächlich zu hören. Die Musik ist dabei in digitalem Format abgespeichert, was über den unten näher beschriebenen Analog-Digital-Wandler erfolgte. Diese digitale Information – eine Reihe an Einsen und Nullen – wird dann aufgegriffen und zurück in ein analoges Signal umgewandelt; das Ergebnis ist die Spannung, die durch die Lautsprecher läuft und den Sound erzeugt.

Darüber hinaus spielen diese Geräte auch in der VoIP-Technologie eine wichtige Rolle. VoIP-Technologie greift analoge Information auf – beispielsweise das Geräusch der Stimme eines Sprechers – tastet sie ab und wandelt sie dann in digitale Information um. Diese digitale Information wird über ein entsprechendes Kabel weitergeleitet. Noch bevor der Zuhörer die Stimme hören kann, wird sie von einem DAC dekodiert, sodass die Stimme des Sprechers über das Kabel erzeugt wird.

DAC-Technologie wird auch im Bereich Video-Technologie eingesetzt, ist hier inzwischen jedoch weniger weit verbreitet als früher. Heutzutage verfügen die meisten Bildschirme über digitale Eingänge, sodass die digitalen Daten nicht länger in analoge Information umgewandelt werden müssen. Sollte ein Bildschirm jedoch lediglich über analoge Eingänge verfügen, wird ein DAC benötigt, um die jeweiligen Informationen von einer Form in die andere umzuwandeln.

Analog-Digital-Wandler drehen die oben beschriebenen Vorgänge – wie sollte es auch anders sein – um, werden jedoch auch für viele andere Anwendungen eingesetzt. Im Bereich Musik werden ADC-Geräte oftmals bei Aufnahmevorgängen verwendet. Damit die Musik auf einer CD oder einem anderen digitalen Format gespeichert werden kann, muss das Audiosignal zunächst abgetastet und in numerische Daten umgewandelt werden, die dann in dem gewünschten Format abgespeichert werden können. Ein ADC bietet genau diese Funktion.

Ein besonders wichtiger Faktor von ADC-Geräten ist die Abtastrate. Diese beschreibt, wie präzise ein ADC das analoge Signal in digitaler Form wiedergeben kann. Je höher die Abtastrate, desto besser.

ADC-Geräte können mitunter sehr schnell arbeiten, was insbesondere für Anwendungen im Bereich Signalverarbeitung sehr wichtig sein kann. Auch wissenschaftliche Instrumente, darunter Oszilloskopen und Mikrocontroller, verfügen oftmals über ein solches Gerät. Darüber hinaus kommen ADC-Wandler auch in Anwendungen zum Einsatz, bei denen ein bestimmtes Signal–beispielsweise ein Fernseh- oder Radiosignal–in digitale Form umgewandelt wird, zum Beispiel für TV Tuner-Cards und Software-gestützte Radiogeräte.

ADC-Technologie wird zudem weitläufig in wissenschaftlichen Instrumenten aller Art verwendet. So dienen sie beispielsweise der Verarbeitung von Signalen in manchen Radarsystemen. Ebenso können sie die als analoges Signal empfangenen Informationen quantisieren–darunter Helligkeit, Temperatur, elektrische Daten und ähnliches. Diese Informationen werden von Sensoren gelesen, die ein analoges Ausgangssignal erzeugen. Dieses wird wiederum in digitale Form umgewandelt, die dann von dem Bediener abgelesen werden kann. Bei Geräten dieser Art wird das analoge Signal zudem oftmals mit einem Verstärker aufgewertet.

 

Inwiefern unterscheiden sich Digital-Analog-Wandler und Analog-Digital-Wandler voneinander?

DAC und ADC unterscheiden sich insofern voneinander, als dass ein DAC digitale Signale in analoge umwandelt, während ein ADC analoge Signale in digitale umwandelt. In der Praxis ist jedoch ein noch bedeutenderer Unterschied auszumachen.

Ein Digital-Analog-Wandler beginnt mit Daten, die vollständig und umfassend verstanden sind. Diese Daten werden von einer Reihe an Einsen und Nullen dargestellt, dazu sind alle Parameter definiert. Der Wandler nimmt diese Daten auf und wandelt sie in ein analoges Signal um. Da digitale Daten endlos kopiert werden können, ohne sich zu verändern – zumindest solange sie nicht verfälscht sind –, bietet ein DAC den Vorteil, stets bei einem bekannten Satz an Werten zu beginnen, die schlichtweg in ein analoges Signal umgewandelt werden.

Im Gegensatz dazu ist die Arbeit von einem ADC bedeutend schwieriger. Analoge Signale können ganz zufällig ausfallen. Ein solches Signal ist in aller Regel fortlaufend und mit Modulationen ausgestattet, die allesamt abgetastet und in digitale Daten umgewandelt werden müssen. Die Rate, mit der ein ADC abtasten kann, bestimmt ebenso wie die Auflösung dieser Abtastung – sprich: wie fein die Unterschiede zwischen einer Periode des Signals und der nächsten von dem ADC ausgelesen werden können – die Qualität der digitalen Informationen, die das ADC erzeugt. Ein ADC ist ein komplexes Gerät, das neben Signalaufbereitung auch andere Methoden zur Verbesserung der verarbeiteten Informationen zu berücksichtigen hat, um ein besseres digitales Abbild des ausgelesenen analogen Signals zu erschaffen.

 

Wie funktioniert ein Digital-Analog-Wandler?

Ein Digital-Analog-Wandler startet mit einer binären Nummer. Diese ist ein abstrakter Wert und könnte sich auf alles Mögliche beziehen. Das Gerät greift diese Information auf und wandelt sie über die verschiedenen Schaltkreise innerhalb des Geräts in ein analoges Signal um, das durch Lautsprecher oder ähnliche Geräte geleitet werden kann, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen: Audiosignale, Videosignale, usw.

Hierfür werden die Nummern in Impulse umgewandelt. Diese Impulse werden im Anschluss durch einen sogenannten Wiederaufbaufilter geleitet. In einem solchen Filter werden die Lücken in den Daten – die selbst bei den höchsten Abtastraten noch auftreten – aufgefüllt, um ein noch präziseres Ergebnis zu erschaffen.

Im Idealfall verlaufen die Abweichungen des von dem DAC erzeugten Signals sehr fließend und natürlich. Dies ist insbesondere für die Bereiche Musik und Video von Bedeutung, da geringe Abtastraten und mangelhafte Audio-Umwandlung zu einem abgehackten Sound mit geringer Klangtreue bzw. zu Unebenheiten in den Farbtönen und anderen Aspekten des Videos führen können.

 

Wie funktioniert ein Analog-Digital-Wandler?

Ein Analog-Digital-Wandler ist ein sehr komplexer Apparat. Bei dem Vorgang zum Wandeln des Signals werden kleine Datenmengen – sogenannte Stichproben – eines analogen Signals aufgegriffen. Diese Stichproben werden dann in diskrete Werte umgewandelt – die Einsen und Nullen –, die verwendet werden, um ein digitales Abbild des aufgegriffenen analogen Signals abzuspeichern oder um diese Daten an ein Display weiterzuleiten.

Bei analogen Signalen ist die Auflösung ein wesentlicher Punkt um zu bestimmen, wie präzise das Gerät das Signal in digitaler Form abbildet.

Die immerwährende Herausforderung eines ADC besteht darin, dass ein analoges Signal im Prinzip die Möglichkeit hat, eine unendliche Menge an Spannungsänderungen innerhalb des Signals aufzuweisen. Dabei nimmt ein ADC das aufgenommene Signal als Stichprobe auf und vergleicht es mit einer Referenzspannung. Diese wird speziell für die eigentliche Wandlung von analog zu digital verwendet.

Ein weiterer wichtiger Aspekt von ADC Geräten ist der sogenannte Quantisierungsfehler. Dabei handelt es sich um ein unvermeidbares Problem der ADC Technologie. Da lediglich Teile des analogen Signals aufgenommen und umgewandelt werden, gehen bestimmte andere Teile des Signals bei der Wandlung verloren. Die hochwertigste ADC Technologie verliert nur noch einen sehr kleinen Teil, verzeichnet dennoch nach wie vor Verluste.

Sobald ein ADC-Gerät das analoge Signal abgetastet hat, greift es eine Stichprobe auf und nimmt sie in digitaler Form auf. Dabei wächst das digitale Signal sozusagen, wenn ein weiterer Teil des Signals abgetastet und in binäre Zahlen umgewandelt wird.

 

Welche Arten von Datenwandlern gibt es? Wie funktionieren die verschiedenen Arten und wofür werden sie verwendet?

 

Analog-Front-End-ICs

Hierbei handelt es sich um integrierte Schaltkreise, die speziell für bestimmte Technologien entwickelt worden sind. Zu ihren Anwendungsbereichen zählen Digitalkameras, Scanner, Infrarot-Bildgebungstechnologie, Spracherkennungstechnologie und vieles mehr.

 

Audio und Video Encoder und Decoder

Hierbei handelt es sich um die ADC-Geräte, die das analoge Signal von Mikrofonen, Kameras und ähnlichen Geräten aufgreifen und es in eine digitale Form umwandeln, die dann von digitalen Geräten verwendet werden kann. Hierfür muss es zunächst von dem integrierten Decoder dekodiert werden.

 

Audio-ADCs

Audio ADCs zählen zu den am weitesten verbreiteten Wandlern überhaupt. Diese Geräte greifen das analoge Signal von einem Mikrofon oder ähnlichem Audio Equipment auf und wandeln es in digitale Information um, die von Sensoren, Aufnahmegeräten und vielem mehr verwendet werden kann.

 

DACs Audio

Um die Informationen zu dekodieren, die zuvor von einem analogen Audiosignal in ein digitales Format umgewandelt wurden, wird ein DAC benötigt. Dabei handelt es sich um sehr weit verbreitete DAC Geräte, die in CD-Playern und jedem anderen Gerät zum Einsatz kommen, die digital gespeicherte Audio-Information in ein analoges Format umwandelt.

 

Decoder ICs Audio

Decoder ICs Audio greifen das digitale Abbild eines Audiosignals auf und dekodieren es, sodass es in ein Audiosignal umgewandelt werden kann. Dabei enthält der IC sämtliche Schaltkreise, die für diesen Prozess erforderlich sind.

 

Encoder ICs Audio

Encoder ICs Audio enthalten sämtliche Schaltkreise, die nach dem Abtasten zur Codierung eines Audiosignals in digitaler Form erforderlich sind. Sie kommen in vielen verschiedenen Anwendungen zum Einsatz – von der Umwandlung von Stimmen in ein digitales Format zur Spracherkennung bis hin zur Umwandlung von Audio-Musikdaten in ein digitales Format.

 

Kapazitäts-Digital-Wandler

Diese Wandler kommen hauptsächlich in verschiedenen Instrumenten zum Einsatz und greifen dabei Messwerte der Kapazität – in analoger Form – auf, um sie in digitales Format umzuwandeln, das der Bediener ablesen kann. Sie eignen sich gleichermaßen für Verbrauchergeräte wie für industrielle Anwendungen.

 

Datenerfassungssysteme

Datenerfassungssysteme sind darauf ausgelegt, verschiedene Variablen wie Sound, Licht, Druck, Spannung, Stromstärke und so weiter zu messen. Sie beinhalten sämtliche Geräte für die jeweiligen Messungen, die ICs zur Verarbeitung und viele weitere Komponenten. Der IC wird darüber hinaus auch manchmal unter diesem Namen angeboten.

 

Digital-Potenziometer

Diese Geräte werden auf dieselbe Weise eingesetzt wie ihre analogen Pendants. Sie können Schaltkreise abgleichen sowie mit Computern und anderen Geräten interagieren.

 

Leistungsmess-ICs

Hierbei handelt es sich um integrierte Schaltkreise, die sämtliche Funktionen zur Aufnahme von digitalen Leistungsmessungen bieten. Sie werden je nach Auflösung, Konversionsrate, Stiftzahl und anderen Variablen unterteilt.

 

A/D-Wandler

Diese Geräte können analoge Signale von einer Vielzahl verschiedenster Quellen in digitale Daten umwandeln, die dann je nach Bedarf sortiert und manipuliert werden können. Sie sind mit vielen verschiedenen Stiftzahlen und in ebenso vielen Designs erhältlich.

 

D/A-Wandler

Diese Wandler können in viele verschiedene Aufbauten integriert werden, um digitale Informationen in ein analoges Signal umzuwandeln. Auch sie sind in vielen verschiedenen Designs erhältlich.

 

Resolver/Digital Wandler

Resolver greifen Informationen von mechanischen Geräten auf, beispielsweise die Position einer Welle, und wandeln sie in ein digitales Format um. Sie können darüber hinaus auch Daten wie Geschwindigkeit und Winkelposition verarbeiten.

 

Sample & Hold Schaltungen

Diese Komponenten können eine variable Spannung von einem analogen Signal aufnehmen und sie auf einer bestimmten Stufe halten.

 

Sample Rate Wandler

Digitale Informationen werden aufgenommen, indem sie mit einer bestimmten Rate abgetastet werden. Diese Geräte können eine Abtastrate in eine andere umwandeln.

 

Touchscreen-Controller

Diese Geräte kommen gleichermaßen in resistiven und kapazitiven Bildschirmen zum Einsatz. Dabei wandeln sie den Druck und die Bewegungen des Bedieners auf dem Bildschirm in Signale um, die das Gerät dann verarbeiten kann.

 

Touchscreen-Digitalisierer

Mit diesen Geräten können analoge Signale von dem Finger eines Bedieners auf einem Touchscreen aufgegriffen und in digitale Daten umgewandelt werden, die im Anschluss von dem Gerät selbst interpretiert werden können.

 

Video-A/D-Wandler

Diese Wandler sind sehr geläufige Komponenten, die ein analoges Signal von einer Videoquelle aufgreifen und es in digitale Daten umwandeln. Sie sind Audio ADCs sehr ähnlich; zudem wird ihre Leistung von Abtastraten und anderen Größen bestimmt.

 

Video-D/A-Wandler

Diese Geräte werden allgemein in Monitoren und Bildschirmen mit analogem Eingang verwendet. Dabei greifen sie das digitale Videosignal auf und wandeln es in ein Format um, das von dem jeweiligen Gerät verwendet werden kann.

 

Video Decoder ICs

Hierbei handelt es sich um die integrierten Schaltkreise, die für Dekodierung digitaler Videodaten in ein analoges Signal verantwortlich sind.

 

Video Encoder ICs

Diese integrierten Schaltkreise wandeln die Daten von Videoquellen um und encodieren es in digitaler Form, sodass sie ohne Probleme gespeichert und kopiert werden können.

 

Frequenz-Spannungs-Wandler

Diese Geräte können eine Spannung aufnehmen und sie in eine entsprechende Frequenz umwandeln – oder umgekehrt. Sie sind in synchroner, asynchroner und nicht-synchroner Form erhältlich.

Quelle: /web/c/semiconductors/data-converters/