Designs für niedrigen Stromverbrauch optimieren
Analoge Signale mit Ultra-Low-Power-Mikrocontrollern hochpräzise messen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Designs für niedrigen Stromverbrauch optimieren
Die Intersil-Bauteile, die für das Referenzdesign ausgewählt wurden, sind Chopper-stabilisierte Operationsverstärker (ISL28134) und Delta-Sigma-ADC (ISL26102/104). Die unten beispielhaft abgebildete Datenerfassungslösung, auch als „DAQ on Stick“ bekannt, verwendet die oben beschriebenen Verfahren, um geringstmögliches Rauschen für Präzisionsanwendungen zu realisieren. Die „DAQ on Stick“-Evaluierungsplattform beinhaltet eine Software mit grafischer Benutzeroberfläche, um die Verstärkung für unterschiedliche Sensoren wie zum Beispiel Druck-, Dehnungs-, Durchfluss-, AMR- und Ultraschallsensoren einzustellen. Zum Lieferumfang der Demo gehört auch ein Dehnungsmessstreifen-Sensor (mit Vishay-VPG-Präzisionswiderständen). Eine zusätzliche Schaltung dient dazu, den Anschluss verschiedener Sensoren und die Verstärkungsregelung zu ermöglichen. Diese Bauteile sind optional und können bei Bedarf entfernt werden, um das Design zu optimieren.
Intersil ist ein führender Anbieter im Bereich Chopper-stabilisierte Schaltungen. Der Chopper-stabilisierte Operationsverstärker ISL28134 verwendet moderne CMOS-Designtechniken, um eine äußerst niedrige Offset-Drift und geringes Rauschen bei mäßigem Eingangsstrom zu erzielen. Die komplexen Eingangsschaltungen, die für den Rail-to-Rail-Betrieb nötig sind, erhöhen häufig sowohl das Rauschen als auch den Stromverbrauch eines Operationsverstärkers. Beim ISL28134 ist dieser Eingangsstromaufwand minimal, und die verschiedenen Eingabegeräte werden so betrieben, dass sie einen Eingangsrauschwert von 8 nV/rt (Hz) erzielen. Dank des im Verstärker durchgängig umgesetzten Low-Power-Designs bleibt der gesamte Eingangsstrom bei 675 Mikroampere (typisch). Die Leistungsaufnahme kann weiter auf 1,7 mW reduziert werden, indem das Bauteil mit 2,5 V Eingangsspannung betrieben wird. Der einzigartige Vorteil der Chopper-stabilisierten Schaltung des ISL28134 ist das fast vollständige Fehlen von Funkelrauschen. Bei rauscharmen, sehr niederfrequenten Anwendungen wird das Gesamtrauschen für gewöhnlich durch 1/f-Rauschen dominiert. Jedoch wird die Chopper-Stabilisierung beim ISL28134 extensiv eingesetzt, sodass sich eine Eckfrequenz im 1/f-Rauschspektrum bei 0,005 Hz ergibt. Darüber hinaus verdeutlicht die Tatsache, dass der Graph 12 nV/√Hz bei 0,001 Hz (1.000 Sekunden) zeigt, die Stabilität des Low-Offset-Designs und seiner Performance. Die Daten für diesen Graphen wurden über mehrere Stunden erfasst; daher bedeutet der Wert von 0,001 Hz, dass der Offset sehr stabil ist. Der ISL28134 ist derzeit einer der besten „Zero Drift Offset“-Operationsverstärker seiner Klasse. Darüber hinaus setzt der Delta-Sigma-Wandler ISL26102 auch Chopping-Verfahren ein, um 1/f-Rauschen und Gleichspannungsfehler zu unterdrücken, wodurch die einzigartigen 1/f-Rauschwerte des ISL28134 erhalten bleiben. Dementsprechend stellt die Kombination des ISL28134 in einer differentiellen Konfiguration mit dem ISL26102 eine der besten Implementierungen für präzise und rauscharme Schaltungen dar, wie sie in Brückensensor- und Datenerfassungsanwendungen gängig sind.
Normalerweise müsste sich der Entwickler eines Datenerfassungssystems darum kümmern, dass die beiden ICs im Gleichtakt arbeiten, und darum die Taktgeberfrequenzen synchronisieren oder einen zusätzlichen Filter hinzufügen, um die störenden Ausgaben des Operationsverstärkers zu eliminieren. Beim ISL28134 ist keine derartige Komplexität nötig. Ein patentierter Filter senkt die Störungen durch die Taktfrequenz unter das Niveau des Ausgangsrauschens.
Untersuchen wir nun die Möglichkeiten der Datenerfassung mit Low-Power-Mikrocontrollern. Um bei Mikrocontrollern einen niedrigen Stromverbrauch zu erzielen, können Verfahren eingesetzt werden, bei denen Sensor- oder Datenerfassungseingaben periodisch abgetastet werden. Die neueren Mikrocontroller verfügen über fortschrittliche Funktionen, die stromsparendere Abtastmodi für Peripheriegeräte ermöglichen, während sich der Mikrocontroller in stromsparenden Modus befindet. Moderne Mikrocontroller haben zusätzliche Funktionen, die verschiedene Stromspar-Betriebsmodi für externe Schaltungen ermöglichen, während der Mikrocontroller im sparsamsten Betriebsmodi läuft, zum Beispiel mit einem Stopp- oder Ruhestrom von 0,6 uA oder bei Datenübertragung in Einzelschritten mit nur 45 uA/MHz. Damit ist der Boden bereitet, um periodische Abtastverfahren für analoge Frontend-Bauteile mit höherer Leistungsaufnahme zu entwickeln und den Stromverbrauch zwischen aktiven und Bereitschaftsmodi zu senken. Zum Beispiel kann der ISL28134 bis hinunter auf 1,7 mW (bei 2,5 V) im aktiven Betrieb bleiben, während sich der ISL26102 bei 10 μW im Standby-Betrieb befindet. Diese Verfahren ermöglichen eine schnellere und sicherere Reaktion für die Sensorabtastung bei niedrigsten Leistungsaufnahmen, und in Verbindung mit den Mikrocontrollern können Routinen für einen unabhängigen Betrieb von Peripheriegeräten während stromsparendster Betriebsmodi entwickelt werden.
Durch die Kombination der Stromsparfähigkeiten des Renesas RL78 und des Ultra Low Power EFM32 von Silicon Labs (ehemals: EnergyMicro) mit der Hochpräzisionskompetenz von Intersil im Analogbereich steht Kunden eine Komplettlösung zur Verfügung, mit der sie Handheld-Anwendungen mit geringer Leistungsaufnahme schnell und effizient auf den Markt bringen können. Die neue AFE-Mikrocontroller-Lösung ist für Industrie-, Medizin- und Datenerfassungsanwendungen konzipiert. Jede Lösung beinhaltet einen Sensor, Signalaufbereitungsschaltungen und einen Mikrocontroller.
Alison Evans ist European Technical Marketing bei Avnet Memec.
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