Analogtipp Was Multiplex-ADCs für industrielle Anwendungen bringen

Multiplex-ADCs vereinfachen in modernen Produktionsanlagen durch die hohe Genauigkeit und die höhere Integration das Systemdesign, indem sie eine höhere Kanalzahl, eine tiefere Signalkettenintegration, Flexibilität und Robustheit bieten.

In modernen Produktionsanlagen wird zur Anlagensteuerung eine SPS verwendet, die über analoge Eingangsmodule Daten verschiedener Sensoren verarbeitet. Die Umgebung ist durch elektrisches Rauschen und starke elektromagnetische Störungen gekennzeichnet.

Eine hohe Kanalzahl für die analogen Spannungseingänge einer SPS kann gut mit einem A/D-Wandler erzielt werden, der elf einseitige oder sechs differenzielle Eingänge mit Puffern hat. Single-Ended- oder differenzielle Eingänge bieten eine einfache Schnittstelle zu verschiedenen Sensoren.

Darüber hinaus ist es für Strommessungen mit einem externen Messwiderstand sinnvoll, einigen dieser Kanäle niedrigere Eingangsbereiche zuzuweisen. In modernen Multiplexer-ADCs wie der Familie AD411x sind solche Messwiderstände in den Baustein integriert.

Die Integration passiver Komponenten in AFEs, wie genaue driftarme, angepasste 1-MOhm- und 10-MOhm-Spannungsteiler mit der iPassives-Technologie macht die Auswahl teurer externer Komponenten überflüssig und führt zu Einsparungen bei Leiterplattenfläche, Gewicht und Größe der Lösung.

Das macht einen Multiplex-ADC aus

Die neuesten Multiplex-ADCs wie der AD4116 verfügen über einen rauscharmen 24-Bit-Sigma-Delta A/D-Wandler mit geringem Stromverbrauch, der ein analoges Frontend mit sehr hoher Impedanz integriert. Bild 1 zeigt das Blockschaltbild. Für eine größtmögliche Flexibilität können die Eingänge unabhängig voneinander konfiguriert werden, bei jedem Setup können der Puffer aktivieren oder deaktiviert, Verstärkungs- und Offsetkorrekturen vorgenommen sowie der Filtertyp, die Ausgangsdatenrate (ODR) und die Referenzquelle ausgewählt werden.

Die Multiplex-ADCs sind mit drei Referenzquellenoptionen sehr vielseitig: eine interne driftarme 2,5-V-Quelle, eine externe Referenz über differenzielle Ref+- und Ref–-Pins oder die Verwendung einer analogen Stromversorgung (AVDD-AVSS). Für eine externe Referenz verfügen solche ADCs über echte Rail-to-Rail-Präzisions-Präzisionsverstärkungspuffer an beiden Referenzeingängen. Diese Puffer mit hoher Eingangsimpedanz ermöglichen den direkten Anschluss hochohmiger externer Quellen an diese Eingänge. Der Benutzer kann zudem die Taktquelle aus einem internen Oszillator, einem externen Quarz oder einer externen Uhr auswählen.

Robustes Design

Auf der analogen Seite ist der Eingang eines gemultiplexten A/D-Wandlers entscheidend für die Robustheit, da er externe Spannungen von Peripheriegeräten empfängt. Mit einer einzigen 5-V-Versorgung deckt ein moderner Multiplex-A/D-Wandler Eingangsbereiche bis zu ±20 V ab.

Dank der absoluten Maximalwerte von ±65 V kann der Baustein Eingangsspannungen jenseits dieser Spannungen aufnehmen, ohne das Gerät zu beschädigen. In diesem Eingangsbereich ist die Genauigkeit jedoch nicht garantiert. Eine externe Schutzdiode wie die in Bild 2 gezeigte TVS schützt den A/D-Wandler über die absoluten Höchstwerte hinaus. Auf der digitalen Seite verstärkt die CRC-Prüfsumme die Robustheit der Schnittstelle.

Der RC-Tiefpassfilter an den Eingängen des ADC in Bild 2 hilft sowohl beim Anti-Aliasing als auch bei der Rauschfilterung. Ein wichtiger Punkt ist der Filterwiderstand in Reihe mit der Eingangsimpedanz des A/D-Wandlers. Dieser Widerstand beeinflusst das interne Spannungsteilerverhältnis, was zu einem Verstärkungsfehler führt.

Bei einer sehr hohen Eingangsimpedanz wie 10 MOhm des ADC ist der Spannungsteilungsfehler jedoch sehr klein. Wird beispielsweise ein 180-Ohm-Widerstand verwendet, beträgt der Fehler nur etwa 0,0018 %. Außerdem kann dieser Fehler durch eine Systemkalibrierung oder Verstärkungseinstellungen behoben werden. Ersteres kann im Kalibrierungsmodus der ADCs durchgeführt werden.  (kr)

* Hakan Unlue ist Senior Field Applications Engineer bei Analog Devices in Stuttgart.

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