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Datenwandler

Passt Ihr A/D-Wandler zum vorgesehenen Einsatzzweck?

| Autor: Kristin Rinortner

Passt Ihr A/D-Wandler zum vorgesehenen Einsatzzweck?
Passt Ihr A/D-Wandler zum vorgesehenen Einsatzzweck? (Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)

Welche SAR- und Delta-Sigma-A/D-Wandler eigen sich für Sensoren, die Temperaturen, Füllstände, Drücke, Durchflussraten, mechanische Wege und optische Ereignisse erfassen.

Thema dieses Artikels sind die Frequenzbereiche und die erforderlichen Auflösungen für verschiedene analoge Sensoren. Wir gehen dabei auf die gängigeren Sensor-Frequenzbereiche ein und untersuchen, wie sich SAR- und Delta-Sigma-A/D-Wandler mit ihren spezifischen Eigenschaften für Sensoren eignen, die Temperaturen, Füllstände, Drücke, Durchflussraten, mechanische Wege und optische Ereignisse erfassen können.

Messgrößen aus der realen Umwelt, beispielsweise Temperaturen, Drücke, Durchflussraten oder Licht, verlangen in der Regel einen speziellen Sensor, damit ein ökologischer Status oder dessen Veränderung korrekt erfasst werden kann. Sensoren sind in der Lage, diese physikalischen Größen in einen Widerstand, eine Spannung oder einen Strom umzuwandeln. Ihnen fehlt jedoch die Fähigkeit, die von ihnen ausgegebenen elektrischen Signale in eine digitale Information zu konvertieren, ganz zu schweigen von einer Verstärkung, Filterung, Offsetanpassung oder einer anderen Art elektrischer Signalaufbereitung.

Elektronikingeniure setzen verschiedene Bauelemente ein, um analoge Signale auf einen Pegel zu bringen, der sich für die nachfolgenden Verarbeitungsfunktionen eignet. Am Ende der Signalkette befindet sich meist ein A/D-Wandler, der die vom Sensor gelieferte Information in das abschließende digitale Resultat verwandelt.

Sensoren treffen auf die reale Welt

Die Temperatur ist die am häufigsten gemessene physikalische Größe. Das zu erfassende Temperaturspektrum reicht von den Bedingungen hier auf der Erde bis zu den extrem heißen oder kalten Umgebungen im Weltraum. Es gibt zahllose Sensoren, die auf absolute Temperaturen oder Temperaturänderungen ansprechen. Integrierte Silizium-Sensoren, Thermoelemente, Widerstandsthermometer (RTD, Resistive Temperature Devices), Thermistoren, Infrarot-Sensoren und Thermosäulen sind nur einige Beispiele.

 Bild 1: Rauschfreie Auflösung und Bandbreite verschiedener physikalischer Messgrößen Bild 1: Rauschfreie Auflösung und Bandbreite verschiedener physikalischer Messgrößen

Wie Bild 1 zeigt, ändert sich die tatsächliche Temperatur in verschiedenen Prüfumgebungen nur mit einer relativ geringen Rate (unter 10 Hz). Der Elektronik-Entwickler strebt allerdings einen Genauigkeitsbereich von wenigen Bit bis zu 20 Bit an. Wird eine rauschfreie Auflösung von 20 Bit verlangt, muss der im System verwendete Datenwandler nicht weniger als 220 (= 1.048.576) saubere, unveränderliche Datenbits liefern.

Drucksensoren erfassen den Druck von Luft oder Gasen. Eine Unterkategorie der Drucksensoren stellen die Kraftaufnehmer dar, die das Gewicht der unterschiedlichsten Objekte erfassen können und hier einen Bereich von mehreren Tonnen bis zum Gewicht einer Wimper (oder auch weniger) abdecken. Diese Sensoren kommen in der Regel in rautenförmigen, aus vier Elementen bestehenden Widerstandsnetzwerken zum Einsatz. Der Frequenzbereich dieser Sensoren ist größer als der von Temperatursensoren und reicht bis etwa 100 Hz.

Temperatur-, Druck- und Audiosensoren (Mikrofone) erfassen im Prinzip den Fluss von Flüssigkeiten oder Gasen. Wie Bild 1 verdeutlicht, laufen die physikalischen Änderungen in Gasen oder Flüssigkeiten relativ langsam ab, was die Anforderungen an die Zahl der rauschfreien Bits entschärft.

Die von den soeben angeführten Sensoren ausgegebene Information kann als Widerstand, Spannung oder Strom vorliegen. In den meisten Fällen jedoch erzeugen die Sensoren schwache elektrische Signale, die unter Umständen eine weitergehende Signalaufbereitung erfordern.

Betrachtet man in Bild 1 den Bereich mit den größeren Bandbreiten, so stellen Schaltungen zum Erfassen von mechanischen Wegen, Näherungen oder Licht geringere Anforderungen an die Genauigkeit. Lichtsensor-Anwendungen wiederum können geringe Frequenzen im Verbund mit einer großen Zahl rauschfreier Bits erfordern (z.B. in Anwendungen der Medizintechnik beim Scannen) oder nach einer hochfrequenten digitalen Erfassung verlangen (z.B. Barcode-Scanner). Der Signalpfad eines Fotodetektors setzt für hohe Frequenzen geeignete Wandler wie z.B. SAR-ADCs (Successive Approximation Register) oder schnelle Delta-Sigma-Wandler (ΔΣ) voraus.

Wenn ein Systementwickler eine fertig aufbereitete digitale Entsprechung der jeweiligen physikalischen Größe benötigt, werden die Sensorschaltungen an ihrem Ende mit SAR- oder Delta-Sigma-ADCs bestückt. Der nächste Abschnitt dieses Artikels geht genauer auf beide Bauarten ein.

Verbindung zwischen Sensor und A/D-Wandler

 Bild 2: Auflösung und Umwandlungsrate von Delta-Sigma- und SAR-A/D-Wandlern Bild 2: Auflösung und Umwandlungsrate von Delta-Sigma- und SAR-A/D-Wandlern

Die gängigsten A/D-Wandler für die Frequenzen der eben beschriebenen Sensoren sind der SAR- und der Delta-Sigma-ADC. Auflösung und Umwandlungsrate beider A/D-Wandler Bauarten sind in Bild 2 dargestellt. Delta-Sigma-Wandler, die bei niedrigeren Frequenzen bis etwa 10 kHz eingesetzt werden, sind den meisten Ingenieuren wegen ihrer extrem hohen Auflösung bekannt.

Delta-Sigma-ADCs ermitteln ihr digitales Ausgangswort durch Überabtastung des analogen Eingangssignals. Der eingangsseitige Delta-Sigma-Modulator erzeugt durch Oversampling des Analogsignals einen digitalen 1-Bit-Datenstrom. Ein digitales Filter extrahiert hieraus die Daten und wandelt sie in ein aus mehreren Bits bestehendes Ausgangswort um.

Delta-Sigma-Wandler können Ausgangsworte mit Auflösungen von 16 bis 24 Bit erzeugen, was zweifellos beeindruckend ist. Zu den Vorteilen des Delta-Sigma-Wandlers gehören die geringe Leistungsaufnahme, die extrem hohe Auflösung und die hohe Stabilität verbunden mit einem günstigen Preis. Die allgemeine Leistungsfähigkeit des Delta-Sigma-ADC gibt Entwicklern die Möglichkeit, die Zahl der analogen Signalaufbereitungs-Chips vor dem ADC-Eingang zu reduzieren. Als Nachteil dieses Wandlertyps ist anzuführen, dass er meist langsam ist. Bei einigen Wandlern ist die Latenz größer als null Zyklen.

Ein SAR-ADC dagegen nimmt gewissermaßen eine Momentaufnahme des analogen Signals auf. Ist die Signalprobe erfasst, ermittelt der Wandler das zugehörige digitale Ausgangswort mithilfe eines internen, iterativen Prozesses. Die Ausgangs-Auflösung eines SAR-ADC liegt in der Regel zwischen 8 und 18 Bit.

Man nutzt SAR-Wandler, deren Auflösung im mittleren bis hohen Bereich anzusiedeln ist, für mäßig schnelle Umwandlungen. Die größte Verbreitung haben SAR-Wandler in universellen Schaltungen, in denen analoge Signale zu digitalisieren sind. In ihrer Auflösung sind SAR-Wandler den Delta-Sigma-Wandlern meist unterlegen. Allerdings zeichnen sich SAR-ADCs beim Betrieb mit hoher Geschwindigkeit durch eine Latenz von null Zyklen aus (d.h. sie schwingen in einem einzigen Zyklus auf den Endwert ein). Man verwendet SAR-Wandler in vielen Datenerfassungs-Applikationen wie etwa Regelungen, bei der Stromversorgungs-Überwachung und bei der Analyse geringer bis mittlerer Frequenzen.

SAR-Wandler arbeiten mit einer Latenz von null Zyklen und erreichen eine hohe statische und dynamische Genauigkeit. Wandler dieser Art bewähren sich bestens in Low-Power-Anwendungen, denn sie fallen automatisch in eine Stromspar-Betriebsart, wenn kein analoges Signal digitalisiert wird. Die höchste Abtastrate eines SAR-Wandlers beträgt heute rund 5 MHz. Damit füllt diese Wandlerbauart hervorragend die Lücke zwischen dem Delta-Sigma-Wandler und den schnelleren Wandlertypen wie dem Pipeline-Wandler.

 Welche Wandlerbauart eignet sich für welche Anwendung?

 Tabelle 1: Umwandlungsrate und Auflösung von SAR- und Delta-Sigma-Wandlern Tabelle 1: Umwandlungsrate und Auflösung von SAR- und Delta-Sigma-Wandlern

Bei der Auswahl des richtigen A/D-Wandlers für Ihre Anwendung könnte Tabelle 1 hilfreich sein. Darin werden Familien von SAR- und Delta-Sigma-Wandlern hinsichtlich ihrer Umwandlungsrate und Auflösung verglichen.

Die maximale Umwandlungsrate der auf dem heutigen Markt angebotenen SAR-Wandler beträgt ca. 5 MSample/s, und sie werden mit Auflösungen bis zu 18 Bit angeboten. Die Mehrzahl der in der gesamten Industrie eingesetzten SAR-ADCs aber hat Auflösungen von 8 bis 12 Bit. Die Umwandlungsrate von Delta-Sigma-Wandlern ist in der Regel kleiner als 625 kSample/s. Bei dieser Geschwindigkeit können Wandler mit einer Auflösung bis zu 24 Bit hergestellt werden. Delta-Sigma-Wandler mit Umwandlungsraten bis zu 10 MSample/s erreichen die Auflösung von 24 Bit dagegen nicht.

 Tabelle 2: Ranking verschiedener Eigenschaften von SAR- und Delta-Sigma-A/D-Wandlern Tabelle 2: Ranking verschiedener Eigenschaften von SAR- und Delta-Sigma-A/D-Wandlern

In Tabelle 2 findet sich eine Wertung der beiden Wandler-Topologien in Bezug auf Durchsatz, Auflösung, Latenz und Stromverbrauch.

Aus Tabelle 2 ist zu entnehmen, dass SAR-Wandler hinsichtlich Durchsatz (Geschwindigkeit), Latenz, Multiplex-Fähigkeit und Stromverbrauch vorn liegen. Die Überlegenheit des Delta-Sigma-Wandlers gegenüber dem SAR-Wandler beschränkt sich auf die Auflösung.

Beim Messung von Temperaturen, Drücken oder optischen Größen sollte man bedenken, dass die SAR- und die Delta-Sigma-Bauart die bevorzugten Wandlerarchitekturen sind.

Von Bonnie C. Baker, Texas Instruments.

Literatur

[1] Baker, B.: “Temperature Sensing Technologies,” Application note (DS00679A), Microchip Technology, 1998

[2] “Understanding data converters,” Application Report (SLAA013), Texas Instruments, 1995.

[3] Baker, B.: “A Baker's Dozen: Real analog solutions for digital designers.” Burlington, MA: Elsevier/Newnes, 2005.

 

 

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