2 20-Bit-DACs für 21-Bit-Spannungsquelle
Neues Schaltungskonzept für höchste Präzision
Medizin-, Luft- und Raumfahrt- sowie Messtechnik erfordern höchste Präzision: Jede Nachkommastelle zählt. Da marktübliche DACs nur bis 20 Bit liefern, zeigt dieser Beitrag, wie sich zwei 20-Bit-DACs plus gut abgestimmte Signalkette zu einer 21-Bit-Quelle mit ±1 LSB Genauigkeit kombinieren lassen.
Die heute erhältlichen marktgängigen Digital/Analog-Wandler (DACs) haben eine maximale Auflösung von 20 Bit. Dies ist ein limitierender Faktor für einige Anwendungen, die eine höhere Genauigkeit erfordern. Diese Beschränkung lässt sich jedoch durch die Kombination von Hochleistungskomponenten in einer kontrollierten Umgebung aufheben. Anders ausgedrückt wird die Genauigkeit der Gesamtlösung von der Signalkette mit all ihren Komponenten in der Schaltung und deren Platzierung bestimmt.
Die in diesem Artikel gezeigte elektronische Schaltung veranschaulicht, wie man mit Kombinieren von Hochleistungskomponenten unter Beibehaltung ihrer individuellen Genauigkeit eine extrem genaue Spannungsquelle erzielen kann. Diese Schaltung nutzt den AD5791 von Analog Devices zusammen mit dem LTZ1000 und dem AD8675/AD8676, um 1 LSB INL (integrale Nichtlinearität) bei 21 Bit zu erreichen.
Typische Anwendungsfelder
Applikationen, die von dieser hohen Genauigkeit profitieren sind unter anderem medizinische Geräte, die damit sehr klare Bilder von kleinen anatomischen Strukturen liefern können. Diese Schaltung kann auch genaueres Mess- und Testequipment ermöglichen, was wiederum zu genauerer Fertigung von Produkten führt. Der Bereich an Anwendungen, in denen diese extrem genaue Spannungsquelle eingesetzt werden kann, ist umfangreich und kann als Sprungbrett für die Entwicklung neuer Produkte dienen, die derzeit noch durch die Genauigkeit der existierenden Halbleiterprodukte in ihrer Leistungsfähigkeit eingeschränkt sind.
Anwendungen, die eine Genauigkeit von 1 LSB bei 21 Bit oder 0,5 ppm INL, benötigen sind unter anderem folgende:
Forschung, Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt
•Medizinische Bildverarbeitungs- systeme
•Laser-Positioniersysteme •Vibrationssysteme
Test- und Messgeräte
•Automatische Testsysteme (ATE)
•Massenspektrometer
•Source-Measure-Units (SMUs)
•Datenerfassungssysteme/ Analysatoren
Industrieautomatisierung
•Halbleiterfertigungs-Equipment
•Prozessautomatisierung
•Stromversorgungssteuerung
•Fortschrittliche Roboter
In Test- und Messsystemen verbessern die Auflösung von 0,5 ppm und die hohe Genauigkeit des AD5791 die Genauigkeit des Gesamtsystems und seine Granularität, was eine exaktere Steuerung und Anregung von externen Quellen und Nano-Aktoren ermöglicht. In der industriellen Automatisierung bieten die 0,5-ppm-Auflösung und hohe Genauigkeit die Präzision, die nötig ist, um einen Aktor im Nanobereich zu bewegen, zu justieren oder zu positionieren.
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Eigenschaften des AD5791
Der AD5791 ist ein Einfach-20-Bit-D/A-Wandler mit einem bipolaren ungepufferten Spannungsausgang. Er besitzt eine relative Genauigkeitsspezifikation (integrale Nichtlinearität = INL) von ±1 LSB und garantiert einen monotonen Betrieb mit einer differenziellen Nichtlinearität (DNL) von ±1 LSB. Weitere wichtige Parameter sind eine Temperaturdrift von 0,05 ppm/°C, ein Spitze-Spitze-Rauschen von 0,1 ppm und eine Langzeitstabilität von unter 1 ppm. Die interne Architektur dieser integrierten Schaltung ist ein R-2R-Digital/Analog-Wandler, aufgebaut mit Dünnfilm-Widerstandsmatchingtechniken. Er arbeitet an einer bipolaren Versorgung von bis zu 33 V und kann von einer positiven Referenz im Bereich von +5 V bis VDD -2,5 V und von einer negativen Referenz im Bereich von VSS +2,5 V und 0 V betrieben werden. Er hat eine serielle Dreidrahtschnittstelle, die mit Taktraten von bis zu 35 MHz arbeitet und damit kompatibel zu SPI- (Standard Serial Peripheral Interface), Quad-SPI-, Microwire- und DSP-Schnittstellenstandards ist.
Die Spannungsreferenz LTZ1000 als Präzisionsbasis
Der LTZ1000 ist eine sehr stabile, temperaturkontrollierbare Referenz. Sie liefert 7,2 V am Ausgang mit nur 1,2 µVpp Spitzenrauschen und einer Langzeitstabilität von 2 μV/√kHr sowie einer Temperaturdrift von 0,05 ppm/°C. Das Bauteil enthält eine Buried-Zener-Referenz, einen Heizwiderstand zur Temperaturstabilisierung und einen Temperatur-Messwiderstand. Externe Komponenten werden eingesetzt, um zur Stabilisierung die Betriebsströme und die Temperatur der Referenz einzustellen, wodurch eine maximale Flexibilität erzielt und die beste Langzeitstabilität und bestes Rauschverhalten sichergestellt werden. Diese Spannungsreferenz, mit Temperaturstabilisierung, ist nahezu unempfindlich gegenüber externen Temperaturschwankungen.
Präzisions-Operationsverstärker AD8675/AD8676
Für die Operationsverstärker wurde ein OPV mit geringem Offset, geringem Rauschen und geringer Drift benötigt. Die Operationsverstärker AD8675/8676 wurden wegen ihrer präzisen Rail-to-Rail Fähigkeiten ausgewählt. Sie bieten einen extrem geringen Offset von 12 µV, eine Drift von 0,6 µV/°C, ein Spannungsrauschen von 2,8 nV/√Hz bei 1 kHz und Eingangsströme (Bias Current) von 2 nA über den gesamten Betriebstemperaturbereich.
Prinzip der 21-Bit-Erzeugung mit zwei 20-Bit-DACs
Das Arbeitsprinzip zum Generieren eines 21-Bit-D/A-Wandlers mit 20-Bit-D/A-Wandlern basiert auf einem Widerstandsteiler. Die Ausgangsimpedanz des AD5791 beträgt 3,4 kΩ. Verbindet man zwei Ausgänge von zweien dieser ICs miteinander, wird die resultierende Schaltung zu einem Widerstandsteiler. Beträgt der Code-Unterschied zwischen den beiden D/A-Wandlern nur 1 LSB, ist die Ausgangsspannung des D/A-Wandler-Widerstandsteilers die Hälfte dieser Spannungsdifferenz, entsprechend einem halben LSB. In anderen Worten ausgedrückt, diese Konfiguration ermöglicht es durch das Parallelschalten der Ausgänge von zwei 20-Bit-D/A-Wandlern einen resultierenden 21-Bit-D/A-Wandler aufzubauen. Den Schaltplan zeigt Bild 1. Die Spannungsreferenzen VREFP und VREFN sind auf +10 V bzw. -10 V eingestellt, damit kann der Ausgangsspannungsbereich von VOUT auf jeden Wert in diesem Spannungsbereich programmiert werden.
Versuchsaufbau und Messbedingungen
Für die in diesem Artikel beschriebenen Messungen wurden als Hardware zwei handelsübliche AD5791-Evaluierungs-Boards benutzt (Bestellnummer EVAL-AD5791). Diese Platinen teilen sich die gleiche Spannungsreferenz, das LTZ1000-Modul, das nur auf einem Evaluierungs-Board montiert ist. Die Verbindung der Referenz mit den beiden Platinen erfolgt über drei verdrillte Leitungen. Zusätzlich wird ein weiterer Draht benutzt, um die Ausgänge der beiden D/A-Wandler miteinander zu verbinden. Die in diesem Artikel demonstrierte Leistungsfähigkeit kann weiter verbessert werden, wenn man die beiden AD5791-D/A-Wandler auf dieselbe Platine montiert, was kurze Verbindungen zwischen Komponenten über optimierte Leiterplattenbahnen ergibt.
Minimierung von Stör- und Temperatureinflüssen
Während der Aufnahme von Linearitätsdaten werden die Ergebnisse bei niedrigen Frequenzen von externem abgestrahltem Rauschen (unter 1 MHz) beeinflusst. Dieses Rauschen kommt primär durch die enge Anordnung der zum Testen benutzten Platinen zur Stromversorgung und weiteren nahestehenden Instrumente. Um dieses Rauschen zu mindern, wurde die gesamte Hardware in ein EMI-dichtes (elektromagnetische Interferenz = EMI) Gehäuse verpackt, das die zu testende Hardware effektiv vor extern abgestrahltem Rauschen abschirmte. Das verwendete Gehäuse zeigt Bild 2.
Änderungen der Umgebungstemperatur können die Messungen ebenfalls beeinflussen. Die Stabilität der Spannungsreferenz kann beeinflusst werden, wenn sie nicht bei konstanter Umgebungstemperatur betrieben wird. Der LTZ1000 löst dieses Problem. Die Spannungsreferenz enthält einen internen Widerstand, und mit Einsatz externer Komponenten und einer Rückkoppelschleife regelt er die Temperatur des Chips. Die interne Temperatur der Komponente bleibt konstant und stellt damit sicher, dass Veränderungen der externen Umgebungstemperatur keine Auswirkungen auf die Stabilität des Spannungsausgangs haben.
Aktive Komponenten, einschließlich der Stromversorgungen, können Änderungen in den Ausgangsspannungen der Versorgungen verursachen und damit die Ausgangsspannung des D/A-Wandlers beeinflussen. Dieser Einfluss der Variation der Stromversorgung ist in den DCPSRR-Spezifikationen des D/A-Wandlers abgebildet. Die für die Referenzen benutzten Operationsverstärker und Ausgangs-Buffer zeigen ebenfalls eine Temperaturabhängigkeit.
Für Anwendungen mit sehr hoher Genauigkeit muss besonderes Augenmerk auf der Auswahl der Widerstände liegen. Es ist wichtig, Widerstände mit einem kleinen Temperaturkoeffizienten auszuwählen, idealerweise mit rund 0,01 %, und – wenn möglich – das System bei einer konstanten Temperatur zu betreiben, um Widerstandsänderungen zu minimieren.
Änderungen der externen Temperatur des Spannungsreferenz-ICs resultieren wegen der Drift aufgrund des Temperaturkoeffizienten in Schwankungen der Ausgangsspannung. Die Auswirkungen dieser Schwankungen auf die integrale Nichtlinearität (INL) ist in Bild 3 illustriert. Die Messkurve der INL wurde mit der Spannungsreferenz ADR445 bei Raumtemperatur und ohne das EMI-dichte Gehäuse aufgenommen. Das für den Test verwendete Board enthielt Widerstände mit einem typischen Temperaturkoeffizienten von 3 ppm/K. Die erkennbaren Sprünge in der INL können Temperaturänderungen im Raum zugeschrieben werden, wie z.B. der Anzahl anwesender Menschen im Raum und der Taktung der Klimaanlage. Die Messungen wurden über einen Zeitraum von etwa 24 Stunden durchgeführt.
Um die Temperaturänderungen während des Tests zu minimieren, gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie der Einsatz eines Temperiergerätes, das während der Dauer des gesamten Tests eine sehr stabile Temperatur erzeugen kann. Um dies einfach zu halten, wurde dasselbe EMI-dichte Gehäuse, das zum Abschirmen der Boards gegenüber externem abgestrahltem Rauschen verwendet wurde, genutzt, um eine relativ stabile Temperatur während des Testens beizubehalten. Die Verlustleistung der Platinen wurde mit unter 0,5 W berechnet, was in einem Temperaturbereich von +25 bis +30 °C innerhalb des EMI-dichten Gehäuses während der gesamten Dauer des Tests resultierte.
Programmierung der beiden DACs für 21-Bit-Auflösung
Hat man alle Elemente identifiziert, die die Ausgangsspannung der Signalkette eines D/A-Wandlers beeinflussen können, ist es der nächste Schritt, die beiden D/A-Wandler so zu programmieren, dass man effektiv einen 21-Bit-D/A-Wandler realisiert. Aus digitaler Perspektive, wenn man mit einem vorgegebenen 21-Bit-Code umgeht, muss der D/A-Wandler-Code in zwei Hälften aufgeteilt werden. Ist der originale Code geradzahlig, ist der Rest der Division Null. Ist der originale Code ungerade, ist der Rest der Division eine Eins. In diesem Fall sollte der eine D/A-Wandler mit dem Ergebnis der Division und der andere D/A-Wandler mit dem geteilten Code plus Eins programmiert werden. Ein Beispiel dafür zeigt Tabelle 1.
Erweiterungsmöglichkeiten bis 22 Bit
Dieses Konzept lässt sich durch Teilen der LSB-Größe des AD5791 noch erweitern. Für einen 22-Bit-D/A-Wandler können z.B. die Ausgänge von vier D/A-Wandlern parallelgeschaltet werden. Aus Sicht der Leistungsfähigkeit ist dabei das Hauptproblem das Rauschen. Im Besonderen beträgt die LSB-Größe für einen 20-V-Spannungshub 4,77 µV. Im Rahmen dieses Artikels wurde jedoch keine Messung dazu durchgeführt. Um eine solche Schaltung zu evaluieren, wäre eine spezielle Platine mit vier D/A-Wandlern nötig.
Messergebnisse
Bild 4 zeigt das INL-Verhalten der beiden D/A-Wandler AD5791, so verschaltet, dass sie eine Genauigkeit von 21 Bit INL erreichen. Die Ergebnisse zeigen eine INL unter ± 1 LSB, was auch das Ziel dieser Untersuchung war. Die Ergebnisse wurden unter kontrollierten Bedingungen erzielt, wobei der gesamte Messaufbau in einem EMI-dichten Gehäuse untergebracht war.
Bild 5 illustriert die DNL (differentielle Nichtlinearität) für die 21-Bit-Konfiguration und demonstriert ihre Monotonie. Die DNL-Ergebnisse zeigen eine diskrete Anzahl von gültigen DNL-Codes. Dies kommt von den Limitierungen des eingesetzten DVM, (Digitalvoltmeter), da man beachten muss, dass die LSB-Größe der 21-Bit-Konfiguration nur 9,53 µV beträgt.
Diese Ergebnisse wurden mit einem 8½-stelligen Digitalvoltmeter 3458A und einer Standard-Laborstromversorgung erzielt. Die Spannungsmessungen wurden in einem Zeitfenster von 20 ms durchgeführt, was der Frequenz des Stromversorgungsnetzes in Europa von 50 Hz entspricht, wo die Messungen auch erfolgten.
Zusammenfassung und Ausblick
Das Kombinieren von zwei 20-Bit-D/A-Wandlern AD5791 ermöglicht es, einen 21-Bit-D/A-Wandler mit 1 LSB INL aufzubauen. Es ist dabei jedoch wichtig, die gesamte Signalkette zu beachten, um Genauigkeitsfehler zu vermeiden. Auch können externe Einflussfaktoren wie Temperatur und elektromagnetische Interferenzen die Genauigkeit der Ausgabe des Systems beeinflussen.
Für weiterführende Arbeiten ist es empfehlenswert, die Schaltung auf nur einer Platine aufzubauen, um die Signalintegrität zu verbessern und das Einkoppeln von externem Rauschen zu minimieren. Zusätzlich zu INL- und DNL-Messungen ist es empfehlenswert, andere Parameter – wie etwa Rauschzahlen – zu messen, um die Charakterisierung des Systems auszuweiten. Um dies zu vereinfachen wird der Einsatz einer neuen, speziell dafür geeigneten Platine empfohlen.
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