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© Linear Technology Analysen | 02 Juli 2013

Teil 3: Vereinfachen

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

Hier finden Sie die Links weiteren Teilen der Application Note.

Vereinfachen und Reduzieren der Elemente der Signalkette Der Einsatz eines hoch auflösenden ADCs kann zu einem verbluffenden Vorteil führen: die Vereinfachung der analogen Signalkette. Ein höher auflösender ADC kann die Notwendigkeit für analoge Signalkonditionierungs-Funktionsblöcke reduzieren oder gar ganz eliminieren. Da analoge Funktionen sehr häufig Nichtlinearität, Drift und weitere Fehlerquellen aufweisen, ist das Design des Endsystems sowohl einfacher, als auch genauer. Sensoren mit einem weiten Dynamikbereich sind oft mit Verstärkern variabler Verstärkung kombiniert, um eine ausreichende Messauflösung über den gesamten Eingangsbereich des Sensors zu erzielen. Ein optischer Leistungssensor kann z.B. einen nutzbaren Bereich haben, der sechs Messdekaden von Nanowatt (nW) bis Milliwatt (mW) überspannt. Eine herkömmliche Methode ist es, einen logarithmischen Verstärker zu verwenden, um das Signal mit hohem Dynamikbereich auf den kleineren Eingangsbereich eines ADC anzupassen. Die Verstärkung ist hoch bei kleinen Eingangsamplituden und wird geringer bei höheren Eingangsamplituden. Der Nachteil dieser Methode ist, dass die analogen Log-Funktionen eine Drift haben und die Bandbreite mit dem Eingang variiert. Thermische Flussmeter sind ein weiteres Beispiel von nichtlinearen Sensoren, die traditionell eine variable Verstärkung benötigen. Geringe thermische Flüsse besitzen eine höhere Empfindlichkeit, was in einer höheren Auflösung für den angezeigten Messwert resultiert, während große thermische Flüsse eine geringere Auflösung und Empfindlichkeit aufweisen. Der LTC2378-20 besitzt einen Dynamikbereich bezüglich des Rauschens von über fünf Dekaden und bietet sechs Dekaden an DC-Genauigkeit (1 ppm), was ganz allgemein ausreichend ist, solche Signale direkt zu digitalisieren. Digitale Signalverarbeitungstechniken können verwendet werden, um den Dynamikbereich des Rauschens durch Reduzieren der Bandbreite zu erweitern, oder um eine Log-Funktion (z.B. eine einfache Verschiebung des digitalen Codes nach rechts oder links) zu implementieren, oder die Nichtlinearität von Sensoren zu kompensieren. Verstärker mit programmierbarer Verstärkung (programmable gain amplifiers = PGAs) und abgestufte Dämpfungsglieder sind weitere Methoden, einen großen Dynamikbereich in einem System mit einem ADC geringer Auflösung zu erzielen. Ein Voltmeter mit automatisch umschaltenden Messbereich ist hierfür ein Beispiel; das Messgerät beginnt in seinem empfindlichsten Messbereich und schaltet zu einem größeren Bereich (häufig 10x größer), wenn der Eingang die Grenze des kleiner Bereichs überschreitet. Es gibt jedoch eine Unstetigkeit, wenn der Bereich umgeschaltet wird. Idealerweise sollten 100 Prozent des einen Bereichs exakt 10 Prozent des nächst größeren Bereichs entsprechen, aber es gibt immer einige Fehler. Noch einmal: die hervorragende Linearität und der hervorragende Dynamikbereich des LTC2378-20 erlauben es, dass mehrere Bereiche kombiniert werden, was Unstetigkeiten, die mit geschalteten Bereichen zusammenhängen eliminiert. Regelsystem Die Latenz ist ein Schlüsselparameter für ADCs, die in Mixed-Mode-Regelsystemen eingesetzt werden, weil eine zu große Latenz Instabilität hervorrufen kann. Delta-Sigma-ADCs mit einer Linearität im ppm-Bereich sind verfügbar, können aber nur in sehr langsamen Steuerungssystemen mit kleiner Regelbandbreite eingesetzt werden. Die Eigenschaft der Latenzfreiheit (no cycle latency) des LTC2378-20, erlaubt es, zusammen mit seiner hervorragenden Linearität, eine kostengünstige Implementierung von wesentlich schnelleren extrem genauen Mixed-Mode-Regelungssystemen. Die Regelungsbandbreite eines Steuerungssystems ist abhängig von seiner Rauschbandbreite und ist nur der Rauschanteil innerhalb des Bandes des ADCs, das zum gesamten Rauschen des Steuerungssystems beiträgt. Der LTC2378-20 bietet 104 dB SNR eingeschlossen, dass sein auf den Eingang bezogenes Rauschen mit einer „Power-Spectral-Density“ (PSD) des Rauschens von nur 31,5 nV/rtHz bei einer Abtastrate von 1 MS/s korrespondiert. Wenn er also entsprechend in einem 1-MS/s-Steuerungssystem mit einer Regelungsbandbreite von 10 kHz eingesetzt ist, beträgt das In-Band-Rauschen nur 31,5 nV/rtHz * 10 kHz = 3,2 µV, was einem Dynamikbereich von 121 dB entspricht. In diesem Beispiel ist die Rauschauflösung von 3,2 µV in etwa die gleiche wie die durch die Nichtlinearität induzierte Ungenauigkeit von nur +/- 0,5 ppm * 10 V = +/- 5 µV. Das Regelungssystem mittelt das Rauschen effektiv über 1 MS/s/(2 * 10 kHz) = 50 Abtastungen, um damit einen Rauschpegel im ppm-Bereich und eine hohe Linearität zu erzielen. Die Leistung ist unabhängig davon, ob die Mittelung mit einem digitalen Filter (Controller) oder von einer analogen Komponente, die die Bandbreite begrenzt, durchgeführt wird. Bild 3 zeigt ein Mixed-Mode-Regelsystem in dem die Bandbreite limitiert ist, teilweise durch die Masse eines Schwungrades.
{{functions.webify.editors-note}} Teile 1 und 2 der Application Note finden Sie in der Box in der rechten oberen Ecke des Artikels.
Zusammenfassung Die Entwicklungen von industriellen Präzisionssystemen haben nun eine neue Wahlmöglichkeit, die Leistung der Signalkette zu steigern. Der 20-Bit-SAR-ADC LTC2378-20 bietet eine bislang unerreicht hohe Genauigkeit (INL garantiert 2 ppm) und geringes Rauschen (104 dB SNR) bei einer hohen Wandlungsrate (1 MS/s) und geringer Leitungsaufnahme (21 mW). Diese Kombination von hoher Genauigkeit, geringem Rauschen und praktisch ohne Latenz macht den LTC2378-20 besonders geeignet für den Einsatz in präzisen Mess- und Regelsystemen, womit eine neue Generation von sehr genauen, flexiblen und preisgünstigen industriellen Präzisionssystemen möglich wird. ----- Autoren: Atsushi Kawamoto (Design Manager), Jesper Steensgaard (Staff Scientist), Mark Thoren (Staff Scientist) und Heemin Yang (Design Section Leader) bei © Linear Technology Corporation
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2019.06.25 20:13 V13.3.22-2