Ansteuerung hochpräziser Analog-Digital-Wandler
Die Anforderungen an industrielle Anwendungen steigen ständig. Datenerfassungssysteme sind dabei ein Schlüsselelement. Sie dienen in der Regel zur Erfassung von Temperatur, Durchfluss, Füllstand, Druck und anderen physikalischen Größen, die dann in hochauflösende digitale Informationen umgewandelt und per Software zur Weiterverarbeitung weitergeleitet werden. Solche Systeme erfordern zunehmend mehr Präzision und höhere Geschwindigkeiten. Diese Datenerfassungssysteme bestehen zum Teil aus Analog-Digital-Wandlern (ADCs), deren Leistungsfähigkeit das System entscheidend prägt. Aber auch der Eingangstreiber des ADC hat Einfluß auf die Gesamtgenauigkeit. Der Treiber hat die Aufgabe, das Eingangssignal zu puffern und zu verstärken. Außerdem muß er das Eingangssignal verstärken oder ein volldifferenzielles Signal erzeugen, um den Eingangsspannungsbereich des ADC abzudecken und dessen Gleichtaktspannungsanforderungen zu erfüllen. Das ursprüngliche Signal darf dabei nicht verändert werden. Programmable Gain Instrumentation Amplifiers (PGIAs) werden häufig als Eingangstreiber eingesetzt. In diesem Artikel stellen wir eine abgestimmte Kombination aus Eingangstreiber und ADC vor, mit der sich extrem genaue Wandlungsergebnisse erzielen lassen und somit hochwertige Datenerfassungssysteme aufgebaut werden können.
Ein Beispiel für einen geeigneten PGIA für hochpräzise Datenerfassungssysteme ist der LTC6373IDFM#PBF. Er bietet neben volldifferenziellen Ausgängen eine hohe Gleichstromgenauigkeit, geringes Rauschen, geringe Verzerrung (siehe Abbildung 2) und eine hohe Bandbreite von 4 MHz bei einer Verstärkung von 16. Mit ihm können ADCs direkt angesteuert werden, weshalb er sich u.a. für zahlreiche Signalkonditionierungsanwendungen eignet.
Die Schaltung in Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für die Verwendung des LTC6373IDFM#PBF zur Ansteuerung eines Präzisions-ADCs – genauer gesagt des AD4020BCPZ-RL7CT-ND, eines 20-Bit-ADCs mit 1,8 MSPS (Mega Samples Per Second).
Abbildung 1. Beispiel für eine Schaltung zur Ansteuerung eines Präzisions-ADCs.
In der Schaltung ist der LTC6373IDFM#PBF am Eingang und am Ausgang gleichspannungs-gekoppelt, sodaß kein Übertrager zur Ansteuerung des ADC benötigt wird. Die Verstärkung kann über die Pins A2/A1/A0 zwischen 0,25 V/V und 16 V/V eingestellt werden. In Abbildung 1 wird der LTC6373IDFM#PBF in einer Konfiguration mit differentiellem Eingang und differentiellem Ausgang bei einer symmetrischen Versorgungsspannung von ±15 V verwendet. Alternativ können die Eingänge auch asymmetrisch betrieben werden, wenn ein differentieller Ausgang erforderlich ist.
In Abbildung 1 wird die Ausgangs-Gleichtaktspannung über den VOCM-Pin auf VREF/2 gesetzt. Dadurch wird eine Pegelverschiebung an den Ausgängen des LTC6373IDFM#PBF erreicht. Jeder der Ausgänge des LTC6373IDFM#PBF schwankt zwischen 0 V und VREF (phasenverschoben), sodaß an den ADC-Eingängen ein Differenzsignal mit einer Amplitude von 2× VREF anliegt. Das RC-Netzwerk zwischen den Ausgängen des LTC6373IDFM#PBF und den ADC-Eingängen bildet ein einpoliges Tiefpaßfilter, das Stromspitzen, die beim Schalten der Kondensatoren an den ADC-Eingängen entstehen, reduziert. Gleichzeitig begrenzt das Tiefpaßfilter das breitbandige Rauschen.
Abbildung 2 zeigt das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und den Klirrfaktor (THD) des LTC6373IDFM#PBF, der den SAR-ADC (Successive Approximation Register) AD4020BCPZ-RL7CT-ND (im High-Z-Modus) über seinen gesamten Eingangsspannungsbereich (10 V p-p) ansteuert. Die besten Ergebnisse werden mit einem Durchsatz von 1,8 MSPS und einem Filterwiderstand (RFILTER) von 442 Ω erzielt. Bei 1 MSPS oder 0,6 MSPS wird vom Hersteller ein RFILTER von 887 Ω empfohlen.
Der LTC6373IDFM#PBF kann die meisten SAR-ADCs mit Differenzeingängen ansteuern und benötigt keinen eigenen ADC-Treiber. In manchen Anwendungen kann es jedoch vorteilhaft sein, einen separaten ADC-Treiber zwischen dem LTC6373IDFM#PBF und dem Präzisions-ADC einzusetzen, um die Transienten des LTC6373IDFM#PBF zu vereinfachen und die Linearität der Signalkette zu verbessern.
Abbildung 2. SNR (links) und THD (rechts) für die Ansteuerung des AD4020BCPZ-RL7CT-ND mit dem LTC6373IDFM#PBF.
Fazit
Die in Abbildung 1 gezeigte Schaltung ist für schnelle, hochpräzise Datenerfassungssysteme optimiert. Mit den hervorragenden Eigenschaften des LTC6373IDFM#PBF kann so die volle Leistungsfähigkeit der angeschlossenen Sensoren ausgenutzt werden. Mit dem Online-Tool ADI Precision Studio und insbesondere dem darin enthaltenen ADC Driver Tool bietet Analog Devices Inc. zusätzliche Unterstützung beim Entwurf solcher Verstärkerstufen, Filter und Linearschaltungen. Weitere Informationen finden Sie unter tools.analog.com/de/precisionstudio.