Spezifikationen von AD- und DA-Wandlern

Auflösung (resolution):

Unter der Auflösung eines Wandlers versteht man die Zahl der Stufen die ein DAC erzeugen kann, bzw. die Zahl der Spannungspegel, die ein ADC unterscheiden kann. Die Auflösung wird normalerweise als Logarithmus Dualis in Bit angegeben. Ein Wandler mit 10 Bit Auflösung kann also 1024 Stufen (=2¹⁰) unterscheiden. Achtung, die Angabe einer bestimmten Auflösung bedeutet nicht, dass der Wandler auch die der Auflösung entsprechende Genauigkeit aufweist.

In manchen Datenblättern wird die Auflösung auch als Kehrwert der Zahl der Stufen angegeben. In diesem Fall bedeutet z.B. eine Auflösung von 0.0244 % des full-scale-Bereichs, dass 100/0.0244 = 4096 Quantisierungsstufen möglich sind; der Wandler besitzt also eine Auflösung von 12 Bit.

Genauigkeit (accuracy):

Unter Genauigkeit eines Wandlers versteht man die Summe aller Fehler, die ein Wandler aufweist. Die Genauigkeit eines Wandlers wird jedoch nur in seltenen Fällen angegeben, da meist die Einzelfehler spezifiziert werden.

Quantisierungsfehler (quantizing error):

Der Quantisierungsfehler gibt die maximale Abweichung der Übertragungsfunktion eines AD-Wandlers von einer geraden Linie an. Der Quantisierungsfehler beträgt bei jedem ADC ±1/2 LSB und ist unvermeidlich.

Skalierungsfehler (gain/scale error):

Unter dem Skalierungsfehler versteht man die lineare Abweichung der Übertragungsfunktion, angegeben bei full-scale-Aussteuerung. Der Skalierungsfehler wird meist durch eine falsch eingestellte Referenzspannung oder einen falsch justierten Verstärker verursacht.

Offset-Fehler (offset error):

Der Offset-Fehler gibt die Abweichung der Übertragungsfunktion bei null Volt Eingangsspannung an. Ein Offset-Fehler wird normalerweise durch den Offset-Fehler eines Eingangsverstärkers oder eines Komparators verursacht. Er kann meist durch eine einfache Schaltungsmaßnahme auf null abgeglichen werden.

Linearität (linearity):

Unter Linearität (genauer: Nicht-Linearität) versteht man die maximale Abweichung der Übertragungsfunktion eines ADCs oder DACs von der linearen Idealkurve. Bei der Angabe der Linearität sind der Quantisierungsfehler, der Skalierungsfehler und der Offsetfehler herausgerechnet. Die Linearität wird in LSB angegeben und darf bei geforderter Monotonie der Übertragungsfunktion den Wert von ±1/2 LSB nicht überschreiten. Die Angabe der Linearität eines ADCs oder DACs ist ein wichtiges Kriterium für die Güte eines Bausteins, da dieser Fehler nicht korrigiert werden kann (siehe auch differentielle Linearität und Monotonie).

Differentielle Linearität (differential linearity):

Die differentielle Linearität beschreibt den maximalen Unterschied zwischen zwei benachbarten Digitalisierungsstufen abzüglich dem Idealwert von 1 LSB. Eine differentielle Linearität von ±1.5 LSB bedeutet also, dass zwischen zwei benachbarten Digitalisierungsstufen ein Unterschied von -0.5 bis +2.5 LSB sein kann. In diesem Falle wäre die Übertragungsfunktion nicht monoton. Die differentielle Linearität entspricht der ersten Ableitung der Übertragungsfunktion.

Monotonie:

Bei einer monotonen Übertragungsfunktion wechselt die erste Ableitung nie das Vorzeichen. Eine monotone Kurve ist also stetig steigend oder fallend. Die Monotonie eines ADCs oder DACs ist besonders bei Systemen wichtig, wo das Bauelement in Rückkopplungen eingesetzt wird (z.B. in Servoverstärkern oder Reglern). Bei fehlender Monotonie kann es zu Schwingungen in solchen Schaltungen kommen. Monotonie kann nur bei einer Linearität und einer differentiellen Linearität von ± 1/2 LSB garantiert werden.

Einschwingzeit (settling time):

Die Angabe einer Einschwingzeit gilt nur für DACs. Sie gibt die maximale Zeit an, die der Ausgang eines DACs benötigt, um nach einem Code-Wechsel auf den neuen Wert mit einer bestimmten Genauigkeit (meist 0.5 LSB) einzuschwingen.

Wandlungsgeschwindigkeit (conversion rate):

Die Wandlungsgeschwindigkeit gibt die Zahl der Konversionen pro Sekunde (DA der AD) an, die maximal erreicht werden können. Die Wandlungsgeschwindigkeit wird durch Verzögerungszeiten der internen Bauelemente und durch das Wandlungsprinzip bestimmt. Sie liegt zwischen einigen Konversionen pro Sekunde (integrierender ADC) und etwa 100 Millionen Konversionen pro Sekunde (Flash-ADC oder Video-DAC).