Analog/Digital-Umsetzer Viele Bits, schnell, rauschfrei

Zum Digitalisieren haben Digitalfilter vorallem in Multiplex-Schaltungen großen Einfluss.
Zum Digitalisieren haben Digitalfilter vorallem in Multiplex-Schaltungen großen Einfluss.

Zum Digitalisieren analoger Messwerte genügt eine hohe Anzahl an Bits allein nicht. Das Eingangssignal muss auch rauschfrei und schnell in Bits umgesetzt werden. Bei Delta-Sigma-ADUs haben Digitalfilter einen großen Einfluss auf das Rauschen und die Abtastrate, vor allem in Multiplex-Schaltungen.

Mit seiner neuesten Familie präziser Delta-Sigma-Analog/Digital-Umsetzer bietet Analog Devices erstmals einen ADU mit einem echten rauschfreien 24-bit-Ausgang an. Die ADUs der AD7175-Reihe (Bild 1) eignen sich mit ihrem weiten Dynamikbereich besonders für rauschempfindliche Messtechnikschaltungen.

Sie reduzieren oder eliminieren das Rauschen vorgeschalteter Verstärker in den Signalaufbereitungsstufen und lassen sich auch bei hohen Taktfrequenzen betreiben – und bieten kürzere Einschwingzeiten als bisherige ADUs. Dies verkürzt die Reaktionszeit auf Eingangssignaländerungen in Regelschleifenschaltungen und erlaubt es, mehr Kanäle mit höheren Abtast- und Datenraten parallel zu betreiben. In den ADU-ICs sind auch Verstärker mit Rail-to-Rail-Eingängen integriert. Die einzelnen Versionen der AD7175-Reihe unterscheiden sich in der Zahl der Eingangskanäle, in der Abtastfrequenz, im Rauschen und in der Leistungsaufnahme (Tabelle 1).

Zum AD7175-2 hat Analog Devices das Programm EVAL+ zur Unterstützung bei der Evaluierung entwickelt. Es wird auf den Internetseiten von Analog Devices angeboten und kann zur Konfiguration, zur Analyse und zur Auswahl von ADUs verwendet werden. Kombiniert mit dem Evaluation Kit bietet die Software EVAL+ die Funktionen eines Standard-Evaluation-Board. Ohne Hardware arbeitet das Programm mit einem Funktionsmodell des ADU, damit der Entwickler die für seine Anwendung am besten geeignete Konfiguration finden kann.

Überlegungen hinsichtlich ­Rauschen und Bandbreite

Am Beispiel des A/D-Umsetzers AD7175 lässt sich zeigen, wie sich das Quantisierungsrauschen von Delta-Sigma-ADUs mit Hilfe digitaler Filterung eliminieren lässt. Das Diagramm in Bild 2 zeigt das Modulatorrauschen über der Frequenz für den AD7175 von 0 Hz bis fMOD/2 (4 MHz). Der Modulator des AD7175 tastet mit einer Frequenz von 8 MHz (fMOD) ab. Er basiert auf einer MASH-Architektur (Multi-Stage Noise Shaping Modulator), die so ausgelegt ist, dass sie einen Anstieg des Modulatorrauschens von 80 dB/Dekade liefert. Thermisches Rauschen ist für das Grundrauschen im genutzten Frequenzband verantwortlich – bevor der Punkt auf der Frequenzachse erreicht wird, an dem der Anstieg des Modulatorrauschens beginnt. In diesem Diagramm weist das niedrige Grundrauschen auf den hohen Dynamikbereich des ADU bei Signalen mit geringer Bandbreite hin. Der hohe Dynamikbereich und die Fähigkeit des AD7175, das Grundrauschen niedrig zu halten, führt zu einer höheren Empfindlichkeit, die der Schaltungsentwickler nutzen kann, um kleinere Signalamplituden abzutasten.

Die minimale Oversampling-Rate des ADU sowie die Ordnung und Grenzfrequenz des Digitalfilters tragen dazu bei, dass das Quantisierungsrauschen nicht der begrenzende Faktor für das ADU-Rauschen ist. Das Filter muss in der Lage sein, das Rauschen ausreichend zu dämpfen. Außerdem muss es eine ausreichende Steilheit aufweisen, um dem Anstieg des Quantisierungsrauschens entgegenwirken zu können. Der Faktor für die Überabtastung des AD7175 beträgt mindestens 32. Bei der fMOD von 8 MHz ergibt sich somit eine maximale Frequenz für die Daten am Ausgang (fA) von 250 kHz.

 

Der AD7175 bietet eine Reihe verschiedener Filtertypen, die der Anwender wählen kann (Bild 3). Bei einer Datenfrequenz von 250 kHz ist das Filter des AD7175 vom Typ Sinc5+Sinc direkt als ein Sinc5-Pfad mit einer Grenzfrequenz von ~0,2 × fA (50 kHz) konfiguriert. Beim Sinc-Filter handelt es sich um einen Gleitender-Mittelwert-Tiefpass mit einem Sin(x)/x-Verlauf. Es wird üblicherweise als Sinc-Filter bezeichnet. Das Filter besteht aus einer Reihe von Integratoren, einem Schalter, der als Dezimationsfilter die Abtastrate reduziert, gefolgt von einer Reihe von Differenziatoren.

Bild 4 zeigt den Frequenzgang der Sinc-Filter dritter und fünfter Ordnung zum Vergleich – beide Filter arbeiten mit einem Abtastratenreduktionsfaktor von 32 für den AD7175. In diesem Fall liefern beide Filter Daten am Ausgang mit einer Frequenz von 250 kHz. Die Filterordnung bestimmt sowohl die Filtersteilheit als auch die Grenzfrequenz. Ein Sincn-Filter wird einen Frequenzgang mit einer Steilheit von –n × 20 dB/Dekade haben. Der steilere Dämpfungsanstieg führt zu einer niedrigeren Grenzfrequenz. Der wesentliche Nachteil verschiedener Filterordnungen besteht in der Einschwingzeit des Filters.

Das Sinc5-Filter weist eine Dämpfung von 100 dB pro Dekade auf. Dies bedeutet, dass die Dämpfung des Sinc5-Filters und die Grenzfrequenz mehr als ausreichend sind, um das Modulatorrauschen zu eliminieren (Bild 2). Im Gegensatz dazu sind bei einem Wechsel auf ein Sinc3-Filter bei einer fA von 250 kHz die Dämpfung sowie die Grenzfrequenz nicht ausreichend, um das Modulatorrauschen zu eliminieren. Die Rauschzahlen im Datenblatt des AD7175 [1] bei einer fA von 250 kHz und 125 kHz zeigen dies. Nur wenn die Frequenz der Datenausgabe auf 62,5 kHz und niedriger eingestellt wird, filtert das Sinc3-Filter das Quantisierungsrauschen des ADU-Ergebnisses komplett.

Zusätzlich zum Dämpfen des Quantisierungsrauschens kann das Digitalfilter auch verwendet werden, um die Bandbreite zu begrenzen und so das Rauschen zu reduzieren. Dies erfolgt durch eine höhere Dezimation der Abtastrate. Im Falle des Sinc5+Sinc-Filters bedeutet eine höhere Überabtastung, dass die Daten am Ausgang des Sinc-Filters fünfter Ordnung gemittelt werden. Durch die Mittelwertbildung des anfänglichen Ergebnisses kann der Schaltungsentwickler aus einer Reihe verschiedener Ausgangsdatenraten sowie Frequenzen und Bandbreiten wählen und das Rauschverhalten verbessern (Bild 2). Eine Mittelwertbildung des Sinc5-Filterergebnisses führt bei der Ausgangsdatenfrequenz (fA) und Vielfachen davon zu Nullstellen erster Ordnung, die vom Dämpfungsverlauf des Sinc5-Filters überlagert werden. Die Nullstellen im Dämpfungsverlauf des Sinc-Filters dienen normalerweise dazu, Störsignale bei bekannten Frequenzen zu unterdrücken. Dabei wird die Datenfrequenz strategisch so gewählt, dass sie mit der Frequenz des Störsignals zusammenfällt. Ein klassisches Beispiel dafür ist die Unterdrückung der Netzfrequenz bei 50 und 60 Hz.