Wat doet een ADC (analoog digitaal converter)

Een Analoog Digitaal Converter (ADC) maakt van analoge signalen digitale getallen, welke kunnen worden opgeslagen als data, of verwerkt in software. De microfoon- of line-ingang van je geluidskaart bevat dus ook ADC’s.

Er zijn hoofdzakelijk twee belangrijke functies toegekend aan een ADC, namelijk samplen en kwantiseren. Over tijd worden samples genomen van het analoge signaal (zie hoofdstuk samplen). Dit zijn metingen van de spanningswaarde (zie hoofdstuk kwantiseren)

Samplen
Een ADC maakt een hoeveelheid aan metingen per seconde. Het gaat om duizenden- en soms zelfs miljoenen – per seconde. Dat heet de samplerate. Hij meet bij het maken van iedere sample de waarde van het analoge signaal en maakt daar een binair getal van. Dit samplen heet ook wel bemonsteren.

Hoe meer samples per seconde een ADC kan maken, hoe breedbandiger deze kan werken aan zijn analoge ingang. Immers: tijd is gerelateerd aan frequentie.

Belangrijk te weten is, dat je minimaal de dubbele hoeveelheid samples per seconde nodig hebt dan de hoogste gewenste analoge frequentie aan de analoge ingang (zie Nyquist-frequentie). Dit is nodig om het oorspronkelijke signaal weer te kunnen reconstrueren.

Verwarrend is wellicht, dat het aantal samples per seconde (de samplerate) ook met de eenheid Hz wordt aangegeven. Zie dit echter los van elkaar, ook al is er altijd een verband (de helft): 96kHz samplen betekent een beschikbare bandbreedte van 48kHz (signalen met frequenties van 0 tot 48 kHz in frequentie kunnen dan worden geregistreerd).

Nog een voorbeeld: een audio CD bevat audio wat gesampled is op 44,1 kHz, oftwel 44100 Hz. Dat zijn dus 44100 samples per seconde. Op een audio CD kunnen dus tonen vastgelegd worden met frequenties van 0 tot 22050 Hz. Aangezien dit stereo is, is het gesampled met 2 x 44,1 kHz.

Bitdiepte, kwantiseren
Een ADC is eigenlijk net een soort voltmeter: deze meet bij iedere sample (zie vorig hoofdstuk) het analoge signaalniveau, rond dit af (“kwantiseren“) en schrijft dit over tijd discreet weg als binaire getallen (digitaal).

Hoe breder het binaire getal, hoe nauwkeuriger de meting. De ADC hoeft dan namelijk minder sterk af te ronden (kwantiseren). Vergelijk dit met het display van een digitale voltmeter: meter 1 heeft een display met één getal achter de komma, meter 2 heeft een display met meerdere getallen achter de komma. Meter 2 kan veel kleinere variaties in spanning meten. Uberhaupt kan meter 2 veel kleinere voltages meten, omdat meter 1 pas wat gaat aangeven als de voltage een bepaalde waarde heeft overschreden. Deze nauwkeurigheid wordt in een ADC bepaald door de bitdiepte:  8, 14, 16, 24 bits, etc. Hoe meer bits per sample, hoe nauwkeuriger de stapjes en hoe groter het “dynamisch bereik” (zie hieronder). Het dynamisch bereik bepaald het maximale verschil tussen harde en zachte passages (bij geluid) of in geval van RF het verschil tussen sterke en zwakke signalen.

Waarom neemt het dynamisch bereik toe als de nauwkeurigheid van de meting beter kan worden geregistreerd? Dat komt door dat kwantiseren. Afronden van de gemeten waarden dus. De voltmeter met één cijfer achter de komma nemen we weer even als voorbeeld. Stel je wil 0,01V meten. Deze voltmeter geeft dan nog steeds 0,0 V aan op het display. Dan wil je 0,14 V meten. Het display geeft 0,1 V aan. Zie je steeds die afronding? Dat is kwantiseren. Dat zorgt binnen zwakke signalen voor ruis, vanwege de fluctuatie over tijd. De zogenaamde kwantisatieruis. Los van de onnauwkeurigheid ligt de ruisvloer dus hoger als de bitdiepte kleiner is. Daaronder kun je niet meer goed meten. Vandaar het verband met het dynamisch bereik. Door een simpele techniek kunnen de afrondingsfouten wat meer willekeurig worden gemaakt. De kwantisatieruis is dan minder aanwezig. Dat gebeurt binnen de ADC door een lichte ruis toe te voegen (“dithering”).

Dynamisch bereik bij de volgende bitdiepte:

• 8 bit – 48dB
• 12 bit – 72 dB
• 14 bit – 84dB
• 16 bit – 96 dB
• 24 bit – 144 dB

In het kort:
Een ADC converteert dus een analoog signaal door een bepaald aantal keren per seconde te samplen. Dit is de samplerate. Iedere sample wordt geregistreerd als een binair getal. Hoe breder het getal, hoe nauwkeuriger en dus hoe groter het dynamisch bereik. Dit heet bitdiepte en gaat gepaard met kwantiseren (afronden).

• De samplerate is gerelateerd aan tijd en daarmee dus ook aan de frequentie
• De bitdiepte is gerelateerd aan signaalniveau en daarmee indirect ook het volume, spanningswaarde, amplitude, etc.

DAC
Een DAC is een Digitaal Analoog converter. Deze werkt precies andersom aan een ADC. Deze reconstrueert het analoge signaal zo goed mogelijk uit de digitale getallen. De uitgang van je geluidskaart heeft dus een DAC.