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© Linear Technology Analysen | 02 Juli 2013

Industrielle Präzisionssysteme erfordern hohe Genauigkeit der Datenwandlung

Viele industrielle Systeme erfordern die Messung kritischer Parameter mit extrem hoher Genauigkeit. Beispiele dafür sind die Erdbebenüberwachung, die Suche nach neuen Energiequellen, das Messen des Luftstroms und die Halbleiterfertigung.


Application Note: M98

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In jedem dieser Fälle verschieben diese Systeme die Grenzen selbst der modernsten Signalverarbeitung nach oben und erfordern Genauigkeiten im Bereich von parts-per-million (ppm). Die Entwicklung solcher Systeme ist sehr anspruchsvoll, weil sie Sensoren mit großem Dynamikbereich, Regelschleifen hoher Ordnung und die Integrierten Schaltungen höchster Leitungsfähigkeit einschließen. Im Herzen vieler industrieller Präzisionssysteme ist der Analog/Digital-Wandler (ADC). Der ADC spielt eine Schlüsselrolle, da er Signale aus dem Analogbereich zur digitalen Signalverarbeitung in den digitalen Bereich umsetzt. Die Genauigkeit und Leistungsfähigkeit des ADC bestimmt häufig die Genauigkeit und Leistungsfähigkeit des Endsystems. Dieser Artikel diskutiert wie der technische Durchbruch bei der Leistungsfähigkeit der Datenwandlung eine neue Generation von preiswerten - aber sehr genauen industriellen Systemen ermöglicht. Anforderungen an industrielle Präzisionssysteme Industrielle Präzisionssysteme benötigen ADCs mit hoher Auflösung, um die analogen Signale der realen Umgebung zu digitalisieren. Exzellente DC-Spezifikationen (wie Offset, Verstärkung und Linearität) werden üblicherweise in der analogen Signalkette benötigt, den ADC und die unterstützende Signalaufbereitungsbeschaltung (wie Verstärker, Filter und Referenzen) eingeschlossen. Um eine Auflösung im ppm-Bereich zu erzielen, sind viele industrielle Präzisionssysteme digital kalibriert, um jegliche Offset- und Verstärkungsfehler auf Systemebene auszugleichen. Als ein Ergebnis ist die Systemgenauigkeit häufig von Fehlern eingeschränkt, die nicht durch seltene Kalibrierung beseitigt werden können und viele Systementwickler sind mehr mit der potenziellen Drift von Schlüsselparametern beschäftigt, als mit den statischen Werten. Präzise Systeme können beispielsweise nicht nur eine Genauigkeit im ppm-Bereich bei einer bestimmten Temperatur benötigen, sondern auch eine Drift im Bereich von Sub-ppm/°C über einen weiten Betriebstemperaturbereich. Die ADC-Linearität ist ein wichtiger Faktor für die Systemgenauigkeit insgesamt. Die Linearität des ADC wird von komplexen Interaktionen zwischen den analogen Eingangssignalen und dem internen Aufbau und der Architektur des ADCs bestimmt. Linearitätsfehler des ADC sind auf Systemebene extrem schwer zu kalibrieren, da solche Fehler wesentlich vom jeweiligen digitalen Code abhängen und sie zusätzlich eine wesentliche Funktion der Temperatur sein können. Die Linearität und Stabilität über die Temperatur sind deshalb wichtig für die Gesamtgenauigkeit von präzisen Systemen. Technischer Durchbruch bezüglich der Leistungsfähigkeit Um diese Designanforderungen erfüllen zu können, bietet eine neue Familie von 20-Bit-SAR-ADCs eine bisher unerreichte Leistungsfähigkeit und Genauigkeit, was die Entwicklung von extrem genauen industriellen Systemen ermöglicht. Der LTC2378-20 ist das Flaggschiff-Produkt einer Pin- und Software-kompatiblen SAR-ADC-Familie, die bis zu 20 Bit Auflösung ohne fehlende Codes und bis zu 104 dB SNR (signal-to-noise ratio) bei Abtastraten von 250 kS/s bis 2 MS/s als Eigenschaften aufweist. Die DC-Genauigkeit des LTC2378-20 ist besonders beeindruckend: Die INL-Fehler (integral nonlinearity) des ADC sind typisch unter 0,5 ppm und liegen garantiert unter 2 ppm für alle Codes über den gesamten Betriebstemperaturbereich von – 40 °C bis + 95 °C. Der Offset-Fehler beträgt 13 ppm (maximal) mit einer Drift von 0,007 ppm/°C und der Verstärkungsfehler liegt bei 10 ppm mit 0,05 ppm°C Temperaturdrift. Diese herausragende Leistungsfähigkeit wird erreicht bei sehr geringer Leistungsaufnahme von 5,3 mW bei einer Abtastrate von 250 KS/s und bis zu 21 mW bei 1 MS/s. Jeder Baustein der Familie ist in einem kleinen MSOP-16- oder DFN-16-Gehäuse lieferbar. Bild 1 zeigt die Eigenschaften der neuen ADC-Familie im Überblick. Eigenschaften von SAR-ADCs SAR-ADCs sind charakterisiert durch ihre Fähigkeit, einen präzisen zeitlichen Schnappschuss eines analogen Eingangssignals aufnehmen zu können, und die Analog/Digital-Wandlung innerhalb eines Taktzyklus durchzuführen. SAR-ADCs übertreffen einen „Start-and-Go“-Betrieb und sind einfach einzusetzen, weil das Wandlungsergebnis sofort innerhalb desselben Taktzyklus verfügbar ist. Die Fähigkeit, genaue Wandlungsergebnisse ohne Zykluslatenz, selbst nach langen Ruheperioden, zu generieren, eignet SAR-ADCs ideal für viele Präzisionsanwendungen wie Sensoren, Regelschleifen, Datenerfassung und automatische Testsysteme. Andere ADC-Typen wie Delta-Sigma- und Pipelined-ADCs benötigen mehrere Taktzyklen, um eine einzige Datenwandlung zu vollenden. Schaltungsarchitektur Die garantierte Linearität und Genauigkeit im ppm-Bereich des LTC2378-20 ist Bahn brechend für viele industrielle Präzisionssysteme. Der LTC2378-20 wurde mit einer proprietären Architektur entwickelt, die die Linearität sicherstellt und die Empfindlichkeit auf Temperaturänderungen und weiteren Betriebsbedingungen minimiert. Als Resultat ist eine bisher unerreichte INL-Spezifikation von 2 ppm über den gesamten Betriebstemperaturbereich garantiert. Der SAR-ADC-Algorithmus basiert auf einem Prinzip der binären Suche. Der Analogeingang wird über einen Kondensator abgetastet und sequenziell mit Teilen der Referenzspannung verglichen, die vom SAR-Algorithmus ausgewählt werden. Der SAR-ADC enthält drei wesentliche Komponenten: einen Kondensator basierenden Digital/Analog-Wandler (CDAC), eine schnelle, rauscharme Komparatorschaltung und ein Register für die schrittweise Annäherung (successive approximation). Die INLEigenschaften eines konventionellen SAR-ADCs können begrenzt sein durch die limitierte Anpassung an die Genauigkeit von einzelnen Kondensatoren im CDAC und viele Präzisions-SAR-DACs verwenden analoge oder digitale Trimm-Techniken, um die Genauigkeit anzupassen. Wenn aber die Temperatur variiert und Stress auf die Gehäuse oder die Leiterplatte wirkt, verschlechtert sich die Anpassung des CDAC-Kondensators immer und kann die Linearität des ADCs einschränken.
{{functions.webify.editors-note}} Teile 2 und 3 der Application Note finden Sie in der Box in der rechten oberen Ecke des Artikels.
Der LTC2378-20 erreicht seine besondere INL-Leistungsfähigkeit durch das Implementieren einer proprietären Architektur, die die INL unabhängig von der Fehlanpassung des CDAC-Kondensators macht, wodurch er ungewöhnlich robust für die Art der Temperaturvariationen und Stresseffekte wird, wie sie in der rauen industriellen Umgebung vorherrschen. Außerdem ist die Komparatorschaltung so entwickelt, damit sie sorgfältig die Geschwindigkeit, Leistungsverbrauch und Rauschen ausbalanciert, so dass der LTC2378-20 ein bislang unerreichtes Signal-Rauschverhältnis von 104 dB erreicht und dabei nur 21 mW bei 1 MS/s Abtastrate aufnimmt, und das ohne jegliche Zykluslatenz. Der Leistungsverbrauch der SAR-ADC-Familie LTC2378-20-Familie ist proportional zur Abtastrate, so dass sie nur wenige Mikrowatt benötigen, wenn sie bei 1 kS/s arbeiten. ----- Grafiken: © Linear Technology
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2019.06.25 20:13 V13.3.22-1