Linear Technology
Schneller präziser A/D-Wandler
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Frei von Störfrequenzen
Bei Delta-Sigma-Wandlern ist der Ausgang nicht direkt nutzbar: Auflösung und Signal/Rausch-Abstand sind gering. Zur Signalverbarbeitung im Quantisierungsrauschen eines Delta-Sigma-Wandlers werden unterschiedliche Techniken eingesetzt. Frequenzverschiebung zur einfacheren Filterung, Tiefpassfilter um nutzbare Wandlungsprodukte der relevanten Frequenzen zu erhalten. Dies erzeugt Störfrequenzen im Ausgangsspektrum. Kleine Amplituden sind bei solchen Störungen schwer auflösbar.
In der SAR-Architektur entfallen diese Signalverarbeitungsartefakte. Allerdings ist deren DC-Übertragungsfunktion im Bereich von 16 bit bis 18 bit unterbrochen. Die Linearcharakteristiken von LTC2508-32 und LTC2512-24 erlauben die verlustfreie Nutzung der gefilterten Ausgangsdaten über den vollen Dynamikbereich hinweg. Die spektrale Rauschdichte von 22 nVRMS/√Hz des LTC2508-32 (bei 24 bit oder 32 bit Auflösung) ist geringer als bei Wandlern des Wettbewerbs (Bild 1). Im Gegensatz zu Delta-Sigma-Wandlern, ist der SAR-Ausgang frei von Störfrequenzen und ohne weitere Signalverarbeitung für die Endanwendung nutzbar. Die »Spread-Sync«-Architektur des LTC2508-32 zeichnet sich durch Balance zwischen Sperrbandunterdrückung und Einschwingzeit aus. Die Ebenheit des 0,001-dB-Durchlassbereichs erstreckt sich beim LTC2512-24 weit über die halbe Nyquist-Zone hinaus. Die Übertragungszone und die Sperrdämpfung der LTC2512-24-Filter sind weniger aggressiv als bei vielen Delta-Sigma-Wandler-Filtern: Das begünstigt schnelleres Einschwingen und weniger Artefakte im Zeitbereich.
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Die vier Pin-wählbaren Dezimierungsfilter des LTC2508-32 zeigt Tabelle 1: Der Entwickler optimiert zwischen Rauschen und Bandbreite. In jeder Konfiguration ist das Digitalfilter ein Tiefpass-FIR-Filter (Finite Impulse Response) linearen Phasenganges. Der Ausgang des Digitalfilters wird dann um den entsprechenden Tastfaktor dezimiert. Die resultierende Ausgangsdatenrate (fO) entspricht dem fSMPL/DF-Wert. Die –3-dB-Bandbreite verhält sich umgekehrt proportional zum gewählten DF-Wert. Jede Konfiguration bietet minimal 80 dB Dämpfung für Frequenzen zwischen fO/2 und fSMPL – fO/2. Mit Vervierfachung des Dezimierungsfaktors erhöht sich der Dynamikbereich des Wandlers um rund 6 dB: Der Dynamikbereich misst z. B. 131 dB bei Dezimierungsfaktor 256 und 145 dB bei Dezimierungsfaktor 16384, also effektiv 24 bit. Das Wandlerergebnis hängt nicht mehr vom Quantisierungsrauschen ab, die Wandler-Bitrate übersteigt die effektive Bitzahl. Bei 32 bit Ausgangswort kann der LTC2508-32 die gefilterten Daten mit ganzen Bit-Zahlen repräsentieren.
Der Ausgang des LTC2508-32 schwingt unabhängig vom Dezimierungsfaktor immer innerhalb von zehn Ausgangsabtastungen ein. Erhöhung des Dezimierungsfaktors verringert die Bandbreite, was das Rauschen begrenzt und den Dynamikbereich vergrößert. Bei Dezimierungsfaktor 256 zählt die –3-dB-Bandbreite des gefilterten Ausgangs 480 Hz, was eine Ausgangsdatenrate von 3906 S/s bedeutet. Beim größten Dezimierungsfaktor von 16384 liegt die –3-dB-Bandbreite nahe an 7,5 Hz: Die beste Rauschfilterung resultiert in der langsamsten Ausgangsdatenrate von 61 S/s.
Der LTC2508-32 bietet zwei Datenausgangsströme, die digital gefilterte 32-bit-Version des Eingangssignals und den latenzfrei zusammengefassten 22-bit-Ausgang direkt vom Eingangs-SAR-Wandler. Das latenzfreie Ausgangswort besteht aus 14-bit-codiertem differenziellen Eingang und 8-bit-codierter Eingangs-Gleichtaktspannung. Der latenzfreie Ausgang ist für Steuerungsanwendungen und sofortige Lastantwort geeignet. Ebenso taugt er zur Signal- und Systemanalyse, z. B. um übermäßig verrauschte oder oszillierende Signale aufzulösen, die durch das digitale Filter verdeckt werden. Diese Information kann in Kombination mit dem 8-bit-Wert der Gleichtaktspannung zur Zustandsüberwachung genutzt werden: Änderungen der Gleichtaktspannung signalisieren Probleme der angeschlossenen Elektronik.
Der LTC2512-24 verhält sich mit vier Pin-wählbaren Dezimierungsfiltern (Tabelle 2) zum LTC2508-32 ähnlich. Bild 2 zeigt den Amplitudengang des digitalen Filters von DC bis zur Ausgangsdatenrate. Dezimierungsfaktoren von 4 bis 32 werden unterstützt, der Dynamikbereich nimmt mit jeder DF-Dopplung um 3 dB zu und die Ausgangsarchitektur ist wie beim LTC2508-32. Der Ausgang schwingt immer nach 35 Ausgangsabtastungen ein.
Der LTC2512-24 ist gut geeignet, wenn ein Wandler extrem kleine Signalpegel nahe am Rauschen erkennen muss (Seismologie, Öl- und Gas-Exploration). Die größere Bandbreite und der flache Durchlassbereich sind für medizinische Geräte wie EKGs nützlich, die hohen Dynamikbereich des gefilterten Ausgangs fordern und den latenzfreien Ausgang für Echtzeitinformationen nutzen. Die Wandler sind ideal für jede Präzisionsanwendung, in der eine Regelschleife schnell auf solche Ausgangsänderungen reagieren muss, die bei langsam gefilterten Ausgang nicht zu erkennen wären.
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