Analoge und digitale Signale

Ein Signal ist der zeitliche Verlauf einer physikalischen Größe, der eine Information trägt. In der Elektronik ist diese Größe fast immer eine elektrische Spannung oder ein elektrischer Strom. Auch Schalldruck am Mikrofon, Druck an einem Drucksensor oder Temperatur an einem Thermoelement gehören dazu — überall wird eine physikalische Größe in ein elektrisches Signal umgewandelt, damit sie messbar, übertragbar und weiterverarbeitbar wird.

Signale teilen sich grob in zwei Familien auf:

• Analoge Signale verlaufen kontinuierlich. Sie können zu jedem Zeitpunkt jeden Wert zwischen einem Minimum und einem Maximum annehmen.
• Digitale Signale verlaufen in Stufen. Sie nehmen nur bestimmte, festgelegte Werte an, häufig nur zwei (HIGH/LOW).

Der Unterschied klingt theoretisch, hat aber sehr praktische Konsequenzen: bei der Störsicherheit, bei der Übertragung über lange Leitungen, bei der Verarbeitung in Mikrocontrollern und SPS, und bei der Auswahl von Sensoren und Aktoren.

Ein analoges Signal verläuft sowohl in der Zeit als auch im Wert kontinuierlich. Es gibt keine kleinsten Schritte und keine festen Zustände — das Signal kann jederzeit jeden Wert innerhalb seines Bereichs annehmen. Eine Sinuskurve ist das Lehrbuch-Beispiel, in der Praxis sind die Verläufe meist unregelmäßiger.

Typische Kenngrößen analoger Signale sind die Amplitude (der maximale Ausschlag aus der Ruhelage), die Frequenz (Wiederholungen pro Sekunde in Hz), der Spannungs- oder Strombereich (in welchem Intervall liegt der Wert) und die Phase (zeitliche Verschiebung gegenüber einer Referenz).

Beispiele aus der Praxis:

• Ein Mikrofon erzeugt aus Schallwellen eine zeitlich veränderliche Spannung — exakt ein analoges Signal.
• Ein PT100-Temperatursensor ändert seinen Widerstand stufenlos mit der Temperatur. In Verbindung mit einer Auswerteschaltung kommt unterm Strich ein analoges Spannungssignal heraus.
• Ein Drucksensor in einer Hydraulikanlage liefert je nach Druck eine fließende Spannung oder einen fließenden Strom.

In der industriellen Automatisierung haben sich zwei analoge Normsignale durchgesetzt: 0–10 V als Spannungssignal und 4–20 mA als Stromsignal. Beide werden in Kapitel 6 detaillierter angeschaut.

Ein digitales Signal kennt nur bestimmte, festgelegte Werte. Der häufigste Fall ist das binäre Signal mit genau zwei Zuständen: eingeschaltet oder ausgeschaltet, HIGH oder LOW, 1 oder 0. Auf solche binären Signale baut die gesamte Digitaltechnik auf.

Zwischen den beiden Zuständen liegt ein verbotener Mittelbereich, der nicht eindeutig auszuwerten ist. Genau darin liegt die Stärke digitaler Signale: Solange ein Pegel klar im HIGH- oder im LOW-Bereich liegt, wird er sauber erkannt — auch wenn auf der Leitung Störungen unterwegs sind.

Wichtige Begriffe rund um digitale Signale: Mit Logikpegel sind die definierten Spannungsbereiche für HIGH und LOW gemeint. Eine Flanke ist der Übergang zwischen den Pegeln — eine steigende Flanke geht von LOW zu HIGH, eine fallende Flanke umgekehrt. Bei getakteten Signalen beschreibt die Periodendauer die Zeit eines vollständigen Zyklus, und die Bitrate bei der Datenübertragung die Zahl der Bits pro Sekunde.

Typische Logikpegel-Bereiche in der Praxis:

In Industrie-SPS wird in Europa fast überall mit 24-V-Pegel gearbeitet. Der breite verbotene Mittelbereich macht das Signal robust gegen Störspannungen.

Hinweis: Digital muss theoretisch nicht zwingend zwei Zustände bedeuten — denkbar sind auch mehrwertige Codierungen. Im Alltag der Mechatronik begegnet man aber fast ausschließlich binären Signalen, und mehrbittige Werte werden durch parallele oder serielle Bündel binärer Signale dargestellt.

Beide Signalformen haben ihren Platz, aber sie spielen ihre Stärken in unterschiedlichen Situationen aus.

Störsicherheit ist der zentrale Punkt. Wenn auf einer Signalleitung ein Störimpuls einkoppelt — durch einen schaltenden Schütz, durch einen Frequenzumrichter in der Nähe, durch ein langes parallel geführtes Kabel — verschiebt sich beim analogen Signal sofort der Messwert. Beim digitalen Signal muss die Störung erst den ganzen verbotenen Mittelbereich überwinden, um einen falschen Zustand auszulösen. Bis dahin bleibt der Pegel eindeutig erkennbar.

Auflösung klingt zunächst nach Vorteil für analog — und das stimmt theoretisch. Praktisch ist die Auflösung eines analogen Signals aber immer durch das Rauschen der Auswerteschaltung begrenzt. Ein 16-Bit-A/D-Wandler liefert oft eine feinere effektive Auflösung als das verrauschte analoge Original.

Sensoren liefern ihre Messwerte meistens analog. Verarbeitet werden sie heute fast immer digital — in einer SPS, einem Mikrocontroller oder einem PC. Der Übergang zwischen den beiden Welten heißt Analog-Digital-Wandlung (kurz A/D-Wandlung). Der Rückweg von digitalen Werten zu einem analogen Ausgangssignal ist die D/A-Wandlung. Beide werden in einem eigenen Beitrag im Detail behandelt — hier geht es um das Konzept dahinter.

Die A/D-Wandlung passiert in zwei Schritten:

• Abtastung (Sampling). Das analoge Signal wird in regelmäßigen Zeitabständen gemessen. Die zeitliche Diskretisierung ergibt eine Folge von Momentaufnahmen. Wie schnell wird abgetastet? Das gibt die Abtastfrequenz an, in Samples pro Sekunde.
• Quantisierung. Jeder Abtastwert wird einer endlichen Zahl von Stufen zugeordnet. Eine analoge Spannung von 3,4172 V wird also auf den nächstgelegenen Stufenwert gerundet. Die Bit-Tiefe legt fest, in wie vielen Stufen das Signal zerlegt wird.

Ein 8-Bit-Wandler zerlegt einen Eingangsbereich von 0–10 V in 256 Stufen, ein Schritt entspricht also etwa 39 mV. Ein 12-Bit-Wandler kommt im gleichen Bereich schon auf 4096 Stufen und damit knapp 2,5 mV pro Schritt — deutlich feiner.

Das Abtasttheorem

Bei der Abtastung gibt es eine zentrale Regel — das Abtasttheorem, oft auch Nyquist-Shannon-Theorem genannt: Die Abtastfrequenz muss mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste im Signal vorkommende Frequenz.

Will man also ein analoges Signal mit Frequenzanteilen bis 1 kHz korrekt erfassen, muss mit mindestens 2 kHz abgetastet werden. In der Praxis nimmt man deutlich mehr, oft das Fünf- bis Zehnfache, um sicher zu sein.

Wird zu langsam abgetastet, entsteht Aliasing: Das digitalisierte Signal wirkt, als hätte das Original eine andere, niedrigere Frequenz. Aus einem schnellen Schwingen wird scheinbar ein langsames — der Messwert ist völlig falsch. Aus diesem Grund schalten gute A/D-Wandler vor dem Eingang einen Anti-Aliasing-Filter (Tiefpass), der zu hohe Frequenzen vorab dämpft.

In der Automatisierungstechnik haben sich einige wenige Standard-Signale durchgesetzt — sowohl für digitale als auch für analoge Pegel. Wer diese kennt, kann den größten Teil eines beliebigen Schaltschranks zumindest grob nachvollziehen.

Digitale 24-V-Signale

Bei nahezu jeder SPS-Anwendung in Europa kommt für binäre Ein- und Ausgänge die Spannung 24 V Gleichspannung zum Einsatz: Taster, Endschalter, Näherungsschalter und Lichtschranken am Eingang, Magnetventile, Signallampen und Relais am Ausgang. Der breite verbotene Mittelbereich macht das Signal robust, und 24 V ist niedrig genug, um in Schaltschränken ohne besondere Schutzmaßnahmen verlegt zu werden.

Analoges 0–10-V-Signal

Spannungssignale 0–10 V sind in der Steuerungstechnik weit verbreitet, vor allem bei kurzen Verbindungen innerhalb einer Maschine. Sie sind einfach zu erzeugen und mit einem Multimeter direkt nachzumessen. Schwäche: Über lange Leitungen verfälscht der Leitungswiderstand das Signal, und Einstreuungen aus benachbarten Stromkabeln können den Wert ebenfalls verschieben.

Wichtig im Fehlerfall: Ein 0–10-V-Signal von 0 V kann zwei völlig unterschiedliche Dinge bedeuten — entweder ist der Messwert tatsächlich am unteren Bereichsende, oder es liegt ein Drahtbruch vor und die Leitung führt einfach keine Spannung mehr. Beide Fälle erzeugen am Empfänger 0 V. Eine sichere Fehlererkennung ist allein aus dem Spannungssignal nicht möglich.

Analoge 4–20-mA-Stromschleife

Hier liegt der entscheidende Vorteil der Stromschleife: Statt einer Spannung wird ein eingeprägter Strom übertragen, der durch die ganze Schleife konstant fließt. Der Wertebereich beginnt nicht bei 0 mA, sondern bei 4 mA. Diesen Versatz nennt man Live Zero.

• 4 mA entspricht dem unteren Bereichsende des Messwerts (z. B. 0 °C)
• 20 mA entspricht dem oberen Bereichsende (z. B. 100 °C)
• 0 mA kommt im Normalbetrieb nicht vor

Genau das ist der Trick zur Drahtbrucherkennung: Wird die Leitung beschädigt oder ein Stecker locker, fließen 0 mA. Die Auswerteelektronik erkennt das sofort als Fehlerzustand und kann eine Warnung auslösen — etwas, was beim 0–10-V-System grundsätzlich nicht geht, weil 0 V dort ein gültiger Messwert ist.

Dazu kommt: Ein eingeprägter Strom hängt nicht vom Leitungswiderstand ab. Solange die Stromquelle ihren Sollwert halten kann, kommt am Empfänger dasselbe Strom an, egal ob die Leitung 5 oder 500 Meter lang ist. Für Anlagen mit langen Verbindungswegen ist 4–20 mA daher die erste Wahl.

Vergleich der beiden analogen Standards:

Umrechnung
Aus dem gemessenen Strom lässt sich der physikalische Messwert linear berechnen:

Sensoranschluss in der Praxis

Wie ein Sensor genau an die SPS angeschlossen wird — 2-Leiter, 3-Leiter, 4-Leiter, PNP oder NPN — ist ein Themenkreis für sich und wird in einem eigenen Beitrag detailliert behandelt. Wichtig zu wissen: Die hier vorgestellten Signalformen sind unabhängig von der Anschlussart und treffen auf alle gängigen Sensor-Bauformen zu.