Signale von Differenzialtransformatoren
Rauscharmer digitaler AM-Demodulator
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Auswirkungen einer analogen Eingangsstufe
Das Gesamtrauschen der analogen Eingangsstufe, das Funkelrauschen und thermisches Rauschen enthalten kann, lässt sich in der Analyse als zusätzliche Rauschquelle berücksichtigen [3]. Wegen des nachgeschalteten Bandpass können die Anforderungen an die Rauscheigenschaften der analogen Eingangsstufe auf ein gewisses Maß reduziert werden.
Beispiel:
Angenommen ein Differenzialtransformator mit einem linearen Messbereich von 10 cm erzeugt an seinem Ausgang eine Amplitude von 1 V. Angenommen sei ferner, dass die analoge Eingangsstufe einschließlich der verstärkungsbestimmenden Widerstände ein auf den Eingang bezogenes äquivalentes Rauschen eE von 1 µVeff hat – bei 20 kHz Bandbreite und einer Verstärkung von 1 V/V.
Für dieses Beispiel sei außerdem ein 3-bit-ADU mit fS = 1 MHz, fT = 5 kHz und B = 20 Hz angenommen. Gemäß Gleichung 10 beträgt der erreichbare Signal-Rauschabstand des ADU somit 93 dB. Ausgehend von einem Aussteuerungsbereich des ADU von 1 V, berechnet sich das äquivalente Quantisierungsrauschen des ADU wie folgt:
Damit lässt sich mit der folgenden Gleichung das Rauschen des Gesamtsystems berechnen:
Dies wiederum impliziert den folgenden Signal-Rauschabstand für das Gesamtsystem:
Die effektive Auflösung der Analog-Digital-Umsetzung beträgt somit:
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Aus dieser Auflösung von 15,4 bit ergibt sich für den im Beispiel angenommenen Differenzialtransformator eine Positionsmessgenauigkeit von 10 cm / 215,4 = 23 µm.
Das beschriebene Verfahren zur Amplitudendemodulation zeigt, dass Entwickler die Parameter des Bandpass problemlos feinabstimmen können, um die Leistungsfähigkeit der Positionsmessung flexibel anzupassen und zu verbessern. Im Gegensatz zur bisher üblichen Vorgehensweise, bei der die analogen und digitalen Schaltungen getrennt voneinander entwickelt werden, handelt es sich bei der beschriebenen Anordnung um einen integrierten Ansatz, beim dem das komplette System entsprechend dem neuesten Stand der Technik betrachtet wird.
Literatur
[1] Matlack, J.: Modern LVDTs in New Applications in the Air, Ground and Sea. Sensors Online, 1. September 2010, www.sensorsmag.com/components/modern-lvdts-new-applications-air-ground-and-sea.
[2] Vemuri, A. T.: Dealing with nonlinearity in LVDT position sensors. Texas Instruments, Analog Applications Journal, 3. Quartal 2014, S. 13–16, www.ti.com/lit/an/slyt582/slyt582.pdf.
[3] Baker, B. C.: Matching the noise performance of the operational amplifier to the ADC. Texas Instruments, Analog Applications Journal, 2. Quartal 2006, S. 5–9, www.ti.com/lit/an/slyt237/slyt237.pdf.
[4] PGA970 LVDT Sensor Signal Conditioner. Texas Instruments, Datenblatt, Januar 2016, www.ti.com/lit/ds/symlink/pga970.pdf.
Die Autoren
Arun Vemuri, Ph.D.
ist als Systemarchitekt bei Texas Instruments verantwortlich für die Definition von ICs zur Sensorsignalverarbeitung, die in Automobilen und in der Industrie eingesetzt werden. Vemuri erhielt seinen Doktortitel in Elektrotechnik von der Universität von Cincinnati, Ohio. Für den Master-Abschluss studierte er Systemwissenschaft am Indian Institute of Science (IISc) in Bangalore, Indien, und das Bacherlor-Studium in Elektrotechnik absolvierte er am Indian Institute of Technology (IIT) in Roorkee, Indien.
asktexas@ti.com
Hector Torres, B. Sc.
ist ein Senior Member Technical Staff bei Texas Instruments in Dallas, Texas, und leitet den Bereich IC-Entwicklung für die Luft- und Raumfahrttechnik sowie Wehrtechnik. Er hat 18 Jahre Erfahrung im Bereich integrierter Schaltungen,
vorwiegend als Entwickler von Analogschaltungen auf Transistorebene. Torres hält sechs US-Patente und ist als Miterfinder an fünf weiteren beteiligt. Er hat einen Bachelor Abschluss in Elektrotechnik von der Universität von Puerto Rico in Mayaguez, Puerto Rico.
asktexas@ti.com
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