Analogwandler

Ein Blick in die Vergangenheit der Datenwandler

| Autor / Redakteur: Richard Oed * / Richard Oed

Entwicklungsprozess: Von den ersten, noch extrem teuren Datenwandlern bis zum massenhaften Einsatz war es ein langer Weg.
Entwicklungsprozess: Von den ersten, noch extrem teuren Datenwandlern bis zum massenhaften Einsatz war es ein langer Weg. (Bild: © peter knechtges/Fotolia.com)

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Erstmals vor über 95 Jahren beschrieb Paul M. Rainey einen 5-Bit Datenwandler. Anschließend revolutionierte die Elektronenröhre die Wandlertechnik, bis sie vom integrierten Schaltkreis abgelöst wurde.

Wann genau der erste Datenwandler gebaut wurde, wie er aussah und welche technischen Daten er aufzuweisen hatte, ist unbekannt. Bekannt ist, dass der Telegraf der Auslöser für die Entwicklung der elektronischen Wandler war. Durch seine zunehmende Popularität wurde eine höhere Kapazität notwendig, die man durch das Multiplexen mehrerer Kanäle auf der Zweidrahtleitung erreichen wollte.

Bell Labs experimentierte mit verschiedenen Verfahren wie dem Time Division Multiplexing (TDM), das schon 1853 in einem Patent von M. B. Farmer beschrieben wurde und durch Jean-Maurice-Émile Baudot 1875 praktisch umgesetzt wurde, oder Frequency Division Multiplexing (FDM), das eine relativ große Verbreitung fand. Diese Verfahren kamen alle noch ohne Datenwandler aus, erst die ebenfalls in der Telegrafie eingesetzte Pulse Code Modulation (PCM) machte diese notwendig.

Die Puls Code Modulation machte Wandler notwendig

Zum ersten Mal wurde im Jahr 1921 ein Datenwandler erwähnt. Der bei Western Electric arbeitende Paul M. Rainey beschrieb in seinem Patent, welches er für ein „Facsimile Telegraph System“ zur Übertragung von Bildern erhalten hatte, einen 5-Bit Flash-Converter (U.S. Patent Nr. 1,608,527). Das Patent beschränkte sich dabei nicht nur auf den Wandler, sondern detaillierteauch Konzepte für die Quantisierung, die serielle Kommunikation und die Rekonstruktion über einen D/A Wandler.

Ende der 1920er- und in den 1930er-Jahren erhielt die Entwicklung von Datenwandlern durch die Einführung der Elektronenröhre einen großen Schub. Alec Harley Reeves beschrieb in seinem 1939 eingereichten, aber erst 1942 erteilten bahnbrechenden Patent (U.S. Patent Nr. 2,272,070) einen 5-Bit A/D-Wandler nach dem Zählverfahren, der mit einer Abtastrate von 6 kSample/s arbeitete.

In diesem Patent formulierte er auch einen ähnlich funktionierenden D/A-Wandler mit nachgeschaltetem Tiefpassfilter zur vollständigen Rekonstruktion des Signals.

Die Elektronenröhre brachte den Fortschritt

Im Jahr 1947 wurde erstmals ein noch auf der Vakuumröhre basierender 5-Bit SAR-Wandler erwähnt und die Entwicklung der Elektronenstrahl-Kodierröhre machte dann höhere Wortbreiten und Abtastraten möglich. Damit wurde 1948 erstmalig ein 7-Bit Wandler mit einer Abtastrate von 96 kSample/s aufgebaut. Durch den Einsatz des Gray-Codes zur Fehlererkennung konnte der Fehler auf maximal 0,5 LSB beschränkt werden.

Aufgrund der Einschränkungen der frühen Datenwandler, wie Gewicht, Größe und Stromverbrauch, fanden sie keine weite Verbreitung und waren speziellen Anwendungen, wie der Telekommunikation und der Militärtechnik, vorbehalten. Erst 1954 stellte die von Bernard M. Gordon gegründete Firma Epsco Engineering einen noch auf der Vakuumröhre basierenden 11-Bit 50 kSamples/s Successive Approximation Register ADC vor, der damit als erster kommerziell verfügbarer Datenwandler gilt. Er wog 70 kg, verbrauchte 500 W und kostete zwischen 8000 und 9000 US-Dollar. In den Jahren danach kamen dann mehrere Firmen, wie beispielsweise Epsco, Non-Linear Systems oder auch Adage, mit ihren vor allem in Voltmetern eingesetzten Produkten auf den Markt.

In den 1960er-Jahren erhielt die Entwicklung von Hochgeschwindigkeitswandlern durch das Anti-Ballistic Missile (ABM) System der amerikanischen Regierung großen Auftrieb. Die Bell Labs entwickelten dafür einen 8-Bit 10 MSamples/s ADC, der 1966 von den beiden Entwicklern dieses Wandlers durch die von ihnen gegründete Firma Computer Labs kommerzialisiert wurde, wobei ein Wandler um die 10000 US-Dollar kostete. Durch die sich stetig vergrößernden Absatzmöglichkeiten drängten immer mehr Firmen auf den Markt, wie, um nur einige zu nennen, Analogic, Pastoriza Electronics, Burr-Brown, Beckman Instruments, Texas Instruments oder Zeltex.

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