Analogtipp Stromsparende A/D-Wandlung bei hochgenauen Messungen

Von Thomas Brand *

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Sigma-Delta ADC mit vorgeschaltetem PGA oder doch lieber SAR-A/D-Wandler? Wie lässt sich bei hochgenauen Messungen eine stromsparende A/D-Wandlung am besten realisieren? Im Analogtipp finden Sie die Antwort und einen Vergleich der beiden Methoden.

Bild 1: 
Vereinfachte Darstellung einer Brückenmessschaltung in Verbindung mit einem Instrumentenverstärker und SAR-ADC.
Bild 1: 
Vereinfachte Darstellung einer Brückenmessschaltung in Verbindung mit einem Instrumentenverstärker und SAR-ADC.
(Bild: ADI )

Eine typische Applikation in der Elektrotechnik erfasst physikalische Größen durch Sensoren und leitet sie anschließend zur Weiterverarbeitung an einen Mikrocontroller weiter. Hierzu müssen die analogen Sensor-Ausgangssignale in digitale Signale durch A/D-Wandler (ADC) konvertiert werden. In präzisen Anwendungen werden entweder SAR-ADCs oder Sigma-Delta-ADCs eingesetzt.

Signalwandlung mittels Sigma-Delta-ADC

Ein Sigma-Delta-ADC weist gegenüber SAR-ADCs gewisse Vorteile auf. So ist die Auflösung bei Sigma-Delta-Wandlern höher. Auch werden häufig programmierbare Verstärker (PGAs) und Universal-Ein-/Ausgänge (engl. General Purpose Input-Output, GPIO) mit integriert.

Dies macht Sigma-Delta-ADCs speziell bei hoch präzisen Anwendungen in der Signalkonditionierung und Messtechnik beliebter. Allerdings ziehen Sigma-Delta-ADCs aufgrund der hohen, festen Überabtastrate oftmals mehr Strom, der bei batteriebetriebenen Anwendungen zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Anwendung führt.

Bei sehr kleinen Eingangsspannungen im Millivolt-Bereich muss diese Eingangsspannung zunächst verstärkt werden, damit der A/D-Wandler besser damit arbeiten kann. Hierzu wird ein PGA als analoges Front-End (AFE) benötigt. Um eine Kleinspannung mit einer Ausgangsspannung von 10 mV, beispielsweise aus einer Brückenschaltung, an einen Delta-Sigma-ADC mit 2,5-V-Eingangsbereich anzuschließen, muss der PGA eine Verstärkung von 250 haben.

Dies führt jedoch zu einem zusätzlichen Rauschen am ADC-Eingang, da auch die Rauschspannung mit verstärkt wird. Die effektive Auflösung eines 24-Bit-Sigma-Delta-ADC reduziert sich dabei drastisch auf eine Genauigkeit von 12 Bit. Ein weiterer Nachteil von Sigma-Delta ADCs sind die meist höheren Kosten aufgrund der internen Komplexität des A/D-Wandlers.

Stromsparender: SAR-ADC in Kombination mit einem Instrumentenverstärker

Eine von der Genauigkeit vergleichbare, jedoch günstigere und stromsparendere Möglichkeit bietet ein SAR-ADC in Verbindung mit einem Instrumentenverstärker (Bild 1). Die Funktionsweise von SAR-ADCs teilt sich in zwei Phasen, die Datenerfassung und die Wandlung des analogen Eingangssignals in ein digitales Ausgangssignal.

Während der Datenerfassungsphase ist der Stromverbrauch sehr gering, wohingegen die Stromaufnahme während der Wandlungsphase am höchsten ist. Dementsprechend ist der Stromverbrauch auch von der Wandlungsrate abhängig – je geringer die Wandlungsgeschwindigkeit, desto geringer ist der Stromverbrauch.

SAR-ADCs in Kombination mit einem stromsparenden Instrumentenverstärker benötigen beispielsweise bei einer Wandlungsrate von 1 kSample/s einen Strom von ungefähr 100 µA. Im Vergleich benötigt ein Sigma-Delta-ADC mit PGA in etwa einen Strom von 300 µA, was bei einer entsprechend geringen Abtastrate klare Vorteile für die SAR-ADC-InAmp-Kombination bietet.

Bei stromsparenden Applikationen für träge Messungen, d.h. Messungen, bei denen sich die Messgrößen nur langsam ändern (wie beispielsweise die Temperaturmessung), sollten Sie somit mit einer geringen Wandlungsrate arbeiten, um die Stromaufnahme und damit die Verluste entsprechend gering zu halten.

ADC-Verluste bei verschiedenen Abtastraten

Bild 2: Verlustleistung des AD4003 in Abhängigkeit der Abtastrate.
Bild 2: Verlustleistung des AD4003 in Abhängigkeit der Abtastrate.
(Bild: ADI )

Bild 2 zeigt die Verluste bei verschiedenen Abtastraten am Beipsiel des AD4003. Bei 1 kSample/s beträgt die Verlustleistung ca. 10 µW, wohingegen sie bei 1 MSample/s bereits auf 10 mW ansteigt. Was die effektive Genauigkeit der SAR-ADC-InAmp-Kombination angeht, ist hier der Verstärker der limitierende Faktor.

Mit einem modernen, leistungsstarken und rauscharmen externen Instrumentenverstärker beträgt die effektive Genauigkeit 14 bis 16 Bit, was eine ähnliche bzw. bessere Genauigkeit als die Kombination aus 24 Bit-Sigma-Delta-ADC und PGA bietet. Wie bereits erwähnt beträgt hierbei die effektive Genauigkeit 12 Bit.

Fazit: Zur Signalwandlung bei hochpräzisen Messungen eigenen sich sowohl Sigma-Delta-ADCs mit vorgeschaltetem PGA, als auch SAR-ADCs mit Instrumentenverstärker. Beide Lösungen bieten eine ähnlich hohe Genauigkeit. Für stromsparende oder batteriebetriebene Messanwendungen ist jedoch die Kombination aus SAR-ADC und Instrumentenverstärker besser, da diese einen reduzierten Stromverbrauch und geringere Kosten bietet.

Ferner schränkt ein PGA mit hoher Verstärkung häufig dessen Leistungsfähigkeit ein, da auch das Rauschen mit verstärkt wird. Die bessere Wahl bei Messungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen ist daher ein stromsparender, rauscharmer, hochpräziser Instrumentenverstärker in Kombination mit einem SAR-ADC.

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* Thomas Brand arbeitet als Field Application Engineer bei Analog Devices in München.

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