Digital-Analog-Umsetzer (DAU) - Teil 2

Umsetzung digitaler in analoge Signale

Wie der Name schon sagt, ist die Aufgabe von Digital-Analog-Umsetzern, digitale Signale in analoge Signale umzusetzen. Sie werden in verschiedensten Gebieten unseres alltäglichen Lebens eingesetzt.

Digital-Analog-Umsetzer – Anwendungsgebiete:

  • Audiotechnik:
    Digital-Analog-Umsetzer befinden sich in Musikwiedergabegeräten und PC-Soundkarten, um digitale Signale auf CDs oder als MP3-Dateien über Lautsprecher wiederzugeben.

  • Videotechnik:
    Um digitale Signale auf einem (PC-)Bildschirm anzeigen zu können, müssen sie durch, dem Arbeitsspeicher (RAMDAC) angegliederte, Schaltungen gewandelt werden.

  • Nachrichtentechnik:
    Bei der Erzeugung von Sendesignalen in Mobilfunkgeräten ist eine sehr schnelle Umsetzung von digitalen zu analogen Signalen notwendig.

Außerdem werden Digital-Analog-Umsetzer zur Steuerung vieler technischer Geräte mit elektromechanischen oder elektrochemischen Aktanten und als digitale Potentiometer bzw. Multiplizierer, etwa zur Lautstärkeregelung an TV-Geräten, genutzt.

Digital-Analog-Umsetzer – Funktion:

Ein Digital-Analog-Umsetzer ist kein umgedrehter Analog-Digital-Umsetzer. Ein einmal quantisiertes, zeit- und wertdiskretes Digitalsignal kann nie wieder hundertprozentig in das ursprüngliche Analogsignal zurückgewandelt werden.

Das liegt daran, dass ein Analogsignal zeit- und wertkontiniuierlich ist, die Amplitude also zu jedem beliebigen Zeitpunkt des Signals gemessen werden kann. Ein Digitalsignal hingegen ist auf bestimmte Abtastpunkte reduziert: Es können also Aussagen über den Zustand des Signals zum jeweiligen Zeitpunkt gemacht werden, allerdings nicht über den Zustand des Signals zwischen den einzelnen Abtastpunkten.

Digital-Analog-Umsetzer – Signalwandlung:

Ein Eingangsregister hält den Wert beim Ausgang des Signals aus einem Abtastpunkt bis zum nächsten fest. Dadurch entstehen mehrere mögliche Verläufe eines analogen, also zeit- und wertkontiniuierlichen, Signals. Da dem Verfahren des Digital-Analog-Umsetzers ausschließlich die digitalen Abtastpunkte zur Verfügung stehen, können unterschiedliche Verläufe entstehen. Unerwünschte Frequenzen im hohen Bereich können mit Hilfe, von auf das analoge Signal angewandten Anti-Aliasing-Filtern, eliminiert werden.

Auch durch Quantisierungsstufen, d.h. die Einteilung des Signals in Abtastpunkte, treten Verzerrungen des Signals auf. Dies kommt durch das Phänomen der einhüllenden Betragskurven, der so genannten Sampling- bzw. Kardinalsreihe, der sinc-Funktion zustande. Da die hierdurch entstehenden Abweichungen oft eher in tiefen Frequenzbereichen liegen, können sie mit Hilfe von Tiefpassfiltern gemindert bzw. eliminiert werden. Eine Quantisierungsstufe kann je nach Art des Signals einen oder mehrere Abtastpunkte umfassen. Liegt die Verzerrung jedoch unterhalb des Filterspektrums, entsteht das wohl bekannte Quantisierungsrauschen.

Spezifische Ursachen für Messwertfehler

Neben dem Nullpunktfehler, Verstärkungsfehler und Nichtlinearitätsfehler, sind für den Digital-Analog-Umsetzer einige weitere, spezifische Gründe für eine Abweichung von Ideal und Realität anführbar:

Steigen die Eingangsgrößen Schritt für Schritt, so kann es, je nachdem, welches Realisierungsverfahren genutzt wird, zur Verkleinerung von Ausgangsgrößen kommen. Hier spricht man von Stufungsfehlern. Je mehr Binärstellen es gibt, desto wahrscheinlicher ist das Eintreten dieses Fehlers.

Auch zeitliche Schwankungen, so genannte Jitter, haben beträchtlichen Einfluss auf das Ausgangssignal.

Klassifizierung für Digital-Analog-Umsetzer nach Realisierungsverfahren

Direktes Verfahren:

In einem Spannungsteiler befindet sich für jede Quantisierungsstufe genau 1 Widerstand. Alle Widerstände sind gleich gewichtet und werden ihrer Quantisierungsstufe mit Hilfe eines so genannte 1-aus-n-Schalters zugeordnet. Auch wenn dieses Verfahren am schnellsten zu realisieren ist, steigt der Aufwand mit zunehmender Signalauflösung sehr stark. Ein bekanntes Beispiel stellt der 8-Bit Umsetzer mit seinen 256 Widerständen und 272 Schaltern dar.

Paralleles Verfahren:

Ein digitales Signal besteht logischerweise aus Binärstellen. Die Anzahl der Widerstände beim Parallelen Verfahren entspricht der Anzahl der Binärstellen des Signals. Dabei werden die einzelnen Widerstände nach der Wertigkeit ihrer zugehörigen Binärstelle gewichtet. Für jedes Bit in der Darstellung des digitalen Signals wird ein Schalter benötigt. Die verschiedenwertigen Ströme werden je nachdem, ob sie 0 oder 1 betragen, auf eine (Sammel-)Leitung geschaltet, oder abgeleitet. Alle zugeschalteten Stromflüsse werden mit Hilfe eines Operationsverstärkers in Spannung umgewandelt.

1-Bit-Umsetzer:

Bei diesem Verfahren des Digital-Analog-Umsetzers wird das Signal mit Hilfe von Zeitstufen erzeugt. Dabei entspricht die Gesamtzahl der Zeitstufen der Zahl der Quantisierungsstufen. Es wird nur ein einziger Schalter genutzt, der durch das digitale Signal an- bzw. ausgeschaltet wird, womit die Abtastfrequenz festgelegt wird. Das endgültige Signal ist also der arithmetische Mittelwert der auf diese Weise an- bzw. ausgeschalteten Spannung.

Da das Verfahren sowohl das Zählen der Zeitstufen als auch die Bildung des Mittelwert erfordert, ist es zwar sehr zeitaufwendig, lässt sich allerdings recht einfach und preiswert realisieren. Es wird oft als integrierte Schaltung bei Mikroprozessoren eingesetzt.

Klassifizierung von Digital-Analog-Umsetzern nach Beschaltung

Digitale Ansteuerung:

Eine weitere Art der Klassifizierung ist die Art, wie das Digitalsignal in den Digital-Analog-Umsetzer geführt wird. Das geschieht entweder parallel, mit je einem Bit pro Anschlussleitung, oder seriell, mit nur einer Datenleitung. Dabei ist das Eingangssignal meist elektrische Spannung mit standardisierter Darstellung. Um die Gültigkeit der zugeführten Daten zu verifizieren wird hierbei eine zusätzliche Steuerleitung verwendet.

Analoge Ausgabe:

Auch kann man die Ausgabe des Analogsignals zur Einordnung von Digital-Analog-Umsetzern verwenden. So kann das Signal entweder als Strom (voltage output DAC) oder als Spannung (current output DAC) zur Verfügung gestellt werden. Meistens wird nach der Verarbeitung noch eine Verstärkungsschaltung benötigt, um das gewandelte Signal aufzubereiten.