Die Geschichte der Datenwandler

Ohne Datenwandler geht gar nichts

17. Oktober 2022, 8:00 Uhr | Von Walt Kester
Digitalisierung bietet bekanntermaßen viele Vorteile. Um aber diese Vorteile nutzen zu können, müssen analoge Signale erfasst und in digitale Signale umgewandelt werden
© BluePlanet Studio/stock.adobe.com und Analog Devices

Die Digitalisierung bietet bekanntermaßen viele Vorteile. Um aber diese Vorteile nutzen zu können, müssen analoge Signale erfasst und in digitale Signale umgewandelt werden. Heute kennt jeder den Satz »die Welt ist analog«; dass dahinter eine lange Historie steckt, zeigt folgender Beitrag.

Es ist schwierig, genau zu bestimmen, wann der erste Datenwandler hergestellt wurde oder welche Form er hatte. Einer der frühesten bekannten binären DACs ist nicht elektronisch, sondern hydraulisch. In der Türkei, genauer im Osmanischen Reich, gab es Probleme mit der öffentlichen Wasserversorgung, und es wurden ausgeklügelte Systeme zur Messung des Wassers gebaut. Ein Beispiel für einen Staudamm, bei dem dieses Messsystem zum Einsatz kam, war der im frühen 19. Jahrhundert in der Nähe von Istanbul errichtete Staudamm Mahmud II. Bei diesem System wurden Sammelbehälter verwendet, die mithilfe eines Überlaufs auf einer konstanten Tiefe gehalten wurden (was dem Referenzpotenzial entsprach). Der Wasserablauf aus dem Sammelbehälter wurde durch binär gewichtete Düsen unterschiedlicher Größe gesteuert, die unter der Wasseroberfläche lagen. Die Düsengrößen entsprachen Durchflüssen von binären Vielfachen und Anteilen einer Grundeinheit von 1 Lüle (= 36 l/min oder 52 m3/Tag). Dieses System entspricht funktionell einem 8-bit-DAC.

Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

Die Telekommunikation treibt die Entwicklung voran

Die wohl größte Antriebskraft für die Entwicklung elektronischer Datenwandler war im Laufe der Jahre der Bereich der Kommunikation. Der Telegraf führte zur Erfindung des Telefons und der anschließenden Gründung von Bell Systems. Die Verbreitung des Telegrafen und des Telefons und die rasche Nachfrage nach mehr Kapazität führten zu der Notwendigkeit, mehr als einen Kanal auf ein einziges Paar Kupferleitungen zu multiplexen. Während das Zeitmultiplexverfahren (Time Division Multiplexing, TDM) eine gewisse Popularität erlangte, war das Frequenzmultiplexverfahren (Frequency Division Multiplexing, FDM) unter Verwendung verschiedener trägerbasierter Systeme bei Weitem das erfolgreichste und am weitesten verbreitete Verfahren. Es war jedoch die Pulscodemodulation (PCM), die den Datenwandlern zum Durchbruch verhalf.

Die frühesten Vorschläge für den elektrischen Telegrafen stammen aus dem Jahr 1753, aber die meisten tatsächlichen Entwicklungen fanden zwischen 1825 und 1875 statt. Die Erfindung des Telefons im Jahr 1875 durch Alexander Graham Bell war wahrscheinlich das bedeutendste Ereignis in der gesamten Geschichte der Kommunikation. Interessant ist jedoch, dass Bell eigentlich mit einem Telegrafen-Multiplexsystem experimentierte, als er die Möglichkeit erkannte, die Stimme selbst als analoges Signal zu übertragen.

Die Entwicklung war bekanntermaßen ein Riesenerfolg, wodurch aber wieder der Bedarf entstand, die Kanalkapazität durch Multiplexing zu erhöhen. Das Zeitmultiplexverfahren für die Telegrafie wurde bereits 1853 entwickelt und 1875 in die Praxis umgesetzt, indem rotierende mechanische Kommutatoren als Multiplexer verwendet wurden. In einem Patent aus dem Jahr 1903 werden Experimente mit dieser Art von elektromechanischen rotierenden Kommutatoren beschrieben, um mehrere analoge Telefongespräche auf ein einziges Leitungspaar zu multiplexen.

Mitte der 1920er-Jahre untersuchte Harry Nyquist die Signalisierung in der Telegrafie mit dem Ziel, die maximale Signalisierungsrate zu finden, die über einen Kanal mit einer bestimmten Bandbreite verwendet werden kann. Er kam damals zur Schlussfolgerung, dass, wenn ein Signal doppelt so schnell abgetastet wird wie die höchste Signalfrequenz, die Abtastungen dann alle Informationen des ursprünglichen Signals enthalten.

Kommerzielle Datenwandler in den 1950er-Jahren

Bis Mitte der 1950er-Jahre wurden Datenwandler vor allem für Spezialanwendungen entwickelt und eingesetzt, z. B. für die Arbeit von Bell Systems an PCM oder für die Nachrichtenverschlüsselungssysteme des Zweiten Weltkriegs. Aufgrund der Vakuumröhrentechnologie waren die Wandler sehr teuer, sperrig und verbrauchten viel Strom. Es gab praktisch keine kommerzielle Nutzung dieser Geräte.

Der AD4630 ist ein 24-bit-SAR-ADC mit 2 MSamples/s
Der AD4630 ist ein 24-bit-SAR-ADC mit 2 MSamples/s.
© Analog Devices

Das änderte sich mit dem Aufkommen von digitalen Computern; sie trieben die kommerzielle Entwicklung von Datenwandlern voran. Die Entwicklung von ENIAC begann 1942 und wurde im Februar 1946 der Öffentlichkeit vorgestellt. ENIAC wiederum führte zur Entwicklung des ersten kommerziell erhältlichen Digitalcomputers, des UNIVAC, der im Juni 1951 zum ersten Mal an das United States Census Bureau ausgeliefert wurde. Auch wenn militärische Anwendungen zunächst hinter der Entwicklung der Digitalcomputer standen, wurden im Laufe der Zeit die Möglichkeiten anderer Anwendungen im Bereich der Datenanalyse und der industriellen Prozesssteuerung erkannt. Dies führte zu einem allgemeineren Interesse an der digitalen Verarbeitung und damit dem Bedarf an Datenwandlern. 1953 gründete Bernard M. Gordon, ein Pionier auf dem Gebiet der Datenkonvertierung, in seinem Keller in Concord, MA, ein Unternehmen namens Epsco Engineering. Gordon hatte zuvor an dem UNIVAC-Computer gearbeitet und erkannte den Bedarf an kommerziellen Datenkonvertern.

Im Jahr 1954 stellte Epsco einen 11-bit-ADC mit 50 kSamples/s auf Vakuumröhrenbasis vor. Es wird angenommen, dass dieser Wandler das erste kommerzielle Angebot eines solchen Geräts war. Der »Datrac«-Wandler von Epsco verbrauchte 500 Watt, war für den Rack-Einbau konzipiert (19“ × 15“ × 26“) und wurde für 8.000 bis 9.000 Dollar verkauft. Der Datrac war der erste kommerziell angebotene ADC, der die Architektur der sukzessiven Approximation nutzte, und Gordon erhielt ein Patent auf die Logik, die zur Durchführung des Umwandlungsalgorithmus erforderlich war. Da er über eine Abtast- und Haltefunktion verfügte, war der Epsco Datrac der erste kommerzielle ADC, der sich für die Digitalisierung von Wechsel-stromwellenformen wie z. B. Sprache eignete. Im gleichen Zeitraum stellten aber auch andere Unternehmen ADCs mit geringerer Geschwindigkeit her, die sich für digitale Voltmeter-Messanwendungen eigneten, und es gab Angebote für optische Wandler auf der Grundlage codierter Scheiben zur Messung der Winkelposition von Wellen in der Avionik. Die Wandler von Mitte bis Ende der 1950er-Jahre verwendeten eine Kombination aus Vakuumröhren, Festkörperdioden und Transistoren, um den Umwandlungsprozess zu realisieren.

Mehr über Datenwandler

Der Beitrag beruht auf Auszügen aus dem Data Conversion Handbook, Kapitel 1, von Walt Kester, Analog Devices. Leser, die sich ausführlicher über die hier geschilderten Entwicklungen informieren möchten, können das gesamte Handbuch (in englischer Sprache) hier abrufen: www.analog.com/media/en/training-seminars/design-handbooks/Data-Conversion-Handbook/Chapter1.pdf

 


  1. Ohne Datenwandler geht gar nichts
  2. A/D-Wandler waren einmal richtig teuer

Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

Analog Devices GmbH