Durch Auswahl der richtigen Bauteile
So lässt sich eine 7,5-stellige Messauflösung realisieren
Wer eine 7,5-stellige Messauflösung in einem Datenerfassungssystem realisieren will, stößt oft an Grenzen unzureichend abgestimmter Frontend-Konzepte. Abhilfe schafft die gezielte Kombination aus SAR-ADCs, präzisen Spannungsreferenzen, angepassten Widerstandsnetzwerken und rauscharmen Verstärkern.
Digitale Messgeräte wie Digitalmultimeter (DMM) verwenden ein Frontend, das analoge Spannungen in digitale Werte umwandelt. Herzstück des Frontends ist der ADC (Bild 1). Die meisten ADCs haben einen festen Eingangsspannungsbereich, so dass die Eingangssignale verstärkt oder abgeschwächt werden müssen, um diesem Bereich zu entsprechen. Dazu sind Verstärker und Dämpfungswiderstände nötig. Wenn ein SAR-ADC verwendet wird, ist auch eine präzise Spannungsreferenz erforderlich. Bei der Auswahl all dieser Komponenten muss auf geringes Rauschen, geringe DC-Drift und stabile Verstärkung geachtet werden, um die Genauigkeit des Gesamtsystems zu maximieren.
Auswahl des passenden ADCs
Der erste Schritt bei der Auswahl eines ADCs ist die Bestimmung der erforderlichen Spannungsauflösung. Bei einem Messgerät wie einem DMM wird sie normalerweise in Stellen (Digits) angegeben. Ein typisches Tisch-DMM hat eine Auflösung von 6,5 Stellen. Das heißt, es gibt sechs Dezimalstellen (0 bis 9) plus eine halbe Stelle mit den Werten 0 oder 1. Der unskalierte Auslesebereich erstreckt sich von +1.999.999 bis -1.999.999 Zählungen, was allgemein als Auflösung von 4.000.000 Zählungen bezeichnet wird. Die Zählung für ein binäres Gerät ergibt sich aus zwei hoch der Anzahl der Bits. Die Anzahl der Ziffern und die Anzahl der Bits können gegeneinander aufgetragen werden (Bild 2), aber sie stimmen nicht als ganzzahlige Vielfache voneinander überein. Das gemeinsame Element bei diesen Berechnungen ist die Anzahl der diskreten Werte, die das Gerät darstellt. Die Anzahl der Ziffern für eine bestimmte Anzahl ist einfach log10(Zählwert). Die äquivalente Anzahl von Bits eines bestimmten Zählwerts ist log10(Zählwert)/log10(2) oder Stellen/log10(2). Die Zahl 4.000.000 entspricht also einer Zahl von 21,932 Bit.
Bild 2. Dargestellt ist die Anzahl der Ziffern in Abhängigkeit von der Anzahl der Bits, die sowohl für ganzzahlige Bitzahlen als auch für die Anzahl der angezeigten Ziffern berechnet wurden.
Auflösung und Genauigkeit
Sowohl die Anzahl der Stellen als auch die der Bits bezieht sich auf die Spannungsauflösung des Geräts. Ein 6,5-stelliges DMM im 10-Volt-Bereich kann Spannungen von -10 V bis +10 V in 4.000.000 Zählwerten messen. Das heißt, jeder Schritt beträgt 5 µV. Dabei handelt es sich um die Auflösung des Geräts, nicht um die Genauigkeit der Messung. Die Genauigkeit ist ein Maß dafür, wie nah der gemessene Wert am wahren Wert liegt. Viele Faktoren beeinflussen die Messgenauigkeit, darunter Rauschen, Offsetfehler, Verstärkungsfehler und Nichtlinearität. All diese Unsicherheitsquellen entstehen in den Frontend-Komponenten des Geräts.
Ein typisches 7,5-stelliges DMM mit seinem 10-V-Bereich hat eine 24-Stunden-Genauigkeit von 8 ppm (parts per million) des gemessenen Wertes plus einer Unsicherheit von 2 ppm für den gewählten Bereich (8+2). Die angegebene Langzeitgenauigkeit über 1 Jahr kann ±(16+2) ppm betragen. Die ADC-Linearität muss im Bereich von 1,5 ppm liegen, und der Temperaturfehler muss so niedrig wie 5 ±1 ppm pro °C (ppm/°C) sein. Um dieses Genauigkeitsniveau zu erreichen, müssen die kurz- und langfristigen Fehlerquellen der erforderlichen Komponenten bekannt sein.
ADCs für hochpräzise digitale Frontends
Bild 1 zeigt ein typisches digitales Frontend. Es verwendet einen 24-Bit-SAR-ADC mit hoher Auflösung und moderater Geschwindigkeit. SAR-ADCs leiten das Eingangssignal an einen Komparator weiter. Der andere Zweig des Komparators erhält eine Schätzspannung von einem Digital/Analog-Wandler (DAC), der vom SAR gesteuert wird. Das Register hat so viele Stufen wie die Anzahl der Bits des ADC. Er beginnt mit der Erzeugung einer Schätzspannung bei der Hälfte des ADC-Spannungsbereichs. Der Komparator ermittelt, ob die Eingangsspannung höher oder niedriger ist als die referenzbasierte Schätzspannung. Ist der Schätzwert kleiner als der Eingangswert, wird eine »1« m Registerbit gespeichert, andernfalls eine »0«.
Das Register durchläuft seine Zustände sequenziell, indem es die Schätzspannung in binären Schritten absenkt. Wenn die geschätzte Spannung so nahe wie möglich am Eingangssignal liegt, stoppt der Prozess und das Register enthält den digitalen Code, der der Eingangsspannung entspricht. Der ADC gibt dann ein Signal zum Abschluss der Umwandlung aus, um den Binärcode zu lesen. Wichtig ist, dass der SAR-ADC eine präzise und stabile Spannungsreferenz braucht, um seinen DAC zu steuern. Bei einem Mehrbereichsmessgerät ist auch eine Signalkonditionierung nötig, um sicherzustellen, dass der ADC-Eingang so nah wie möglich am vollen Skalenbereich des ADCs liegt, ohne diesen zu überschreiten.
Der AD4630-24BBCZ-RL von Analog Devices ist eine gute Wahl für ein 7,5-stelliges digitales Frontend. Dieser zweikanalige 24-Bit-SAR-ADC arbeitet mit 2 MSamples/s und unterstützt den Betrieb mit referenzbezogenen oder Differenzsignalen. Dieser ADC verwendet eine 5-V-Referenzspannung und weist eine typische Linearität von 0,1 ppm (0,9 ppm maximal) auf. Er enthält einen Block-Mittelungsfilter mit programmierbarem Dezimierungsverhältnis, der das Rauschen deutlich reduziert und den Dynamikbereich bei niedrigen Ausgaberaten auf 153 dB erweitert. Durch Blockmittelung wird ein eingangsbezogenes Rauschen von 98 nV effektiv bei einer Ausgangsdatenrate von 60 Hz erreicht, was zu einer rauschbegrenzten effektiven Auflösung von 7,7 Stellen führt, wenn sie sich auf den Vollausschlag des Eingangs bezieht.
Bild 3. Das Funktionsblockdiagramm des ADR1001AEZ zeigt die Heizungssteuerung (links), die Referenzquelle (Mitte) und den Ausgangspufferverstärker (rechts).
Die Spannungsreferenz
Weil der SAR-ADC seine Ausgabe auf Vergleichen der Eingangsspannung mit Spannungspegeln aufbaut, die aus der Referenzspannung abgeleitet werden, ist er in hohem Maße abhängig von der Genauigkeit, Stabilität und dem Rauschpegel dieser Referenz. Zur Unterstützung der Stabilität erzielt die Buried-Zener-Referenztechnologie eine sehr stabile Durchbruchspannung, indem das Bauelement tief im Siliziumsubstrat ausgebildet wird. So wird es von Oberflächenverschmutzung isoliert, thermische Effekte werden reduziert und es ist weniger empfindlich gegenüber Stress und Feuchtigkeit. Eine höhere Stabilität der Referenzspannung lässt sich durch eine interne Heizung erreichen, wodurch die Auswirkungen von Änderungen der Umgebungstemperatur weiter minimiert werden.
Die in Bild 1 verwendete Spannungsreferenz ist ein ADR1001AEZ (Bild 3), eine ofengesteuerte, auf einer Buried Zener Diode basierende Präzisionsspannungsreferenz, die die Heizungssteuerung, die Referenzquelle, den Ausgangspufferverstärker und die gesamte zugehörige Signalkonditionierung in einem einzigen Gehäuse integriert, was den Designprozess vereinfacht und die Montagefläche reduziert. Die nominale Ausgangsspannung des ADR1001AEZ beträgt 6,6 V, präzisionsgetrimmt auf 5 V ±0,25 %, mit einem Nennausgangsstrom von 10 mA. Die auf dem Chip integrierte Heizung sorgt für einen Temperaturkoeffizienten von weniger als 0,2 ppm/°C. Das 5-V-Ausgangsrauschen (0,1 bis 10 Hz) beträgt 0,13 ppm Spitze-Spitze (p-p), was einem Wert von 0,65 mV Spitze-Spitze entspricht.
Bild 4. Diagramm der Rauschwellenform von 0,1 Hz bis 10 Hz eines ADA4523-1-Verstärkers von Analog Devices.
Verstärker für 7,5-stellige Auflösung
Der Eingangsverstärker des digitalen Frontends skaliert in Verbindung mit dem angepassten Widerstandsnetzwerk das Eingangssignal so, dass es der spezifizierten Eingangsspannung des ADCs entspricht. Dieser Verstärker, der je nach Bedarf Verstärkung oder Dämpfung bietet, muss eine geringe Spannungsdrift und ein geringes Rauschen aufweisen, um die gewünschte 7,5-stellige Auflösung zu erreichen. Für diese Aufgabe ist der Chopper-stabilisierte ADA4523-1 eine gute Wahl – ein rauscharmer, driftfreier Rail-to-Rail-Verstärker mit ±4 µV (max.) Offsetspannung über einen Betriebstemperaturbereich von -40 bis +125 °C bei 5 V. Eine geringe DC-Drift wird durch eine selbstkalibrierende Schaltung gewährleistet, die die Offsetspannungsdrift mit der Temperatur unter 0,01 µV pro °C (µV/°C) hält. Der ADA4523-1 hat ein Gleichtaktunterdrückungsverhältnis von 160 dB (typisch) und einen Rauschpegel von 88 nV Spitze-Spitze (typisch) von 0,1 bis 10 Hz (Bild 4).
Bild 5. Diagramm eines Differenzverstärkers mit einer Verstärkung von vier unter Verwendung des LT5400-7 von Analog Devices.
Auswahl des passenden Widerstandsnetzwerks
Ein angepasstes Widerstandsnetzwerk ist ein einzelnes Paket, das mehrere Widerstände mit angepassten elektrischen Eigenschaften enthält, z. B. Widerstandswert, Toleranz und Temperaturkoeffizient. Der absolute Widerstand ist nicht entscheidend, aber die Werte sind genau aufeinander abgestimmt und lassen sich über einen großen Temperaturbereich verfolgen, so dass die Widerstandsverhältnisse konstant bleiben.
Der LT5400BIMS8E-7 (Bild 5) beispielsweise ist ein Array mit vier Widerständen, das zwei 1,25-kΩ-Widerstände und zwei 5-kΩ-Widerstände enthält, was wiederum ein Verhältnis von 4:1 und eine Verstärkung von vier ergibt. Diese Widerstände haben eine nominale Widerstandstoleranz von ±15 %, aber die Widerstandsverhältnisse sind auf ±0,025 % abgestimmt. Aufgrund des gemeinsamen Gehäuses ist das Widerstandsverhältnis 4:1 temperaturabhängig, mit einem Temperaturkoeffizienten von ±25 ppm/°C. Die Drift der Widerstandsverhältnisse mit der Temperatur beträgt ±0,2 ppm/°C.
Eine geringe Temperaturdrift ist wichtig, weil die Verstärkung des Verstärkers durch das Verhältnis von R1 zu R2 und R4 zu R3 bestimmt wird. Die Widerstandsanpassung stabilisiert die Verstärkung jeder Verstärkerhälfte und stellt sicher, dass die Verstärkungen beider Hälften übereinstimmen, wodurch ein hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) erhalten bleibt.
Fazit
Auch wenn es eine Herausforderung sein mag, eine 7,5-stellige Auflösung in Hochleistungs-Datenerfassungssystemen zu erzielen, ist dies mit den richtigen Komponenten möglich. Hochpräzise Komponenten von Analog Devices mit geringer Nichtlinearität und geringer Offset-Drift – wie etwa der ADC AD4630-24BBCZ-RL, die Präzisionsspannungsreferenz ADR1001AEZ, der Verstärker ADA4523-1 und das angepasste Widerstandsnetzwerk LT5400BIMS8E-7 – vereinfachen das Hochleistungs-Frontend-Design.