Wie Sie hochgenaue A/D-Wandler treiben

Die Leistungsfähigkeit von Datenerfassungssystemen bestimmen neben den A/D-Wandlern selbst vor allem die Eingangstreiber der ADCs. In diesem Tipp stellen wir eine aufeinander abgestimmte Kombination aus Eingangstreiber und ADC vor, mit der sich hoch genaue Wandlungsergebnisse erzielen lassen.

Die Anforderungen an industrielle Anwendungen nehmen stetig zu. Datenerfassungssysteme sind dabei ein zentrales Element. Sie werden meist dazu genutzt, verschiedene physikalische Größen wie Temperatur, Durchfluss, Füllstand oder Druck mittels entsprechender Sensoren aufzunehmen. Die Daten werden in hochaufgelöste, digitale Informationen gewandelt und weiter kommuniziert, so dass sie per Software verarbeitbar sind.

Derartige Systeme erfordern zunehmend mehr Präzision und höhere Geschwindigkeiten. Ein Teil dieser Datenerfassungssysteme bilden A/D-Wandler, deren Leistungsfähigkeit entscheidenden Einfluss auf das System hat. Aber auch der Eingangstreiber des ADCs beeinflusst die Gesamtgenauigkeit. Der Treiber puffert und verstärkt das Eingangssignal.

Zusätzlich muss der Treiber den Pegel anheben oder ein voll differentielles Signal erzeugen, um den Eingangsspannungsbereich des A/D-Wandlers abzudecken und dessen Gleichtaktanforderungen zu erfüllen. Dabei darf das Originalsignal nicht verändert werden. Als Eingangstreiber kommen oftmals programmierbare Instrumentenverstärker (PGIA) zum Einsatz.

In diesem Analog-Tipp stelle ich eine aufeinander abgestimmte Kombination aus Eingangstreiber und ADC vor, mit der sich extrem genaue Wandlungsergebnisse erzielen und somit qualitativ hochwertige Datenerfassungssysteme aufbauen lassen.

Programmierbare Instrumentenverstärker als Eingangstreiber

Ein geeigneter PGIA für hochgenaue Datenerfassungssysteme stellt beispielsweise der LTC6373 dar. Neben vollständig differenziellen Ausgängen bietet er eine hohe Gleichstromgenauigkeit, geringes Rauschen, eine geringe Verzerrung (siehe Bild 2) und eine hohe Bandbreite von 4 MHz bei einer 16-fachen Verstärkung. Mit ihm können A/D-Wandler direkt angesteuert werden, weshalb er sich u.a. für viele Signalkonditionierungsanwendungen eignet.

In der Schaltung von Bild 1 wird der LTC6373 sowohl am Eingang als auch am Ausgang DC-gekoppelt, wodurch kein Transformator zur Ansteuerung des ADCs erforderlich ist. Die Verstärkung kann über die Pins A2/A1/A0 zwischen 0,25 V/V und 16 V/V eingestellt werden. In Bild 1 wird der LTC6373 in einer Konfiguration von Differenzeingang zu Differenzausgang mit symmetrischer Versorgungsspannung von ±15 V verwendet. Alternativ können bei erforderlichem Differenzausgang die Eingänge auch unsymmetrisch betrieben werden.

In Bild 1 wird die Ausgangsgleichtaktspannung über den V_OCM-Pin auf U_REF/2 eingestellt. Dadurch wird eine Pegelverschiebung der Ausgänge des LTC6373 erreicht. In Bild 1 variiert jeder der Ausgänge des LTC6373 zwischen 0 V und U_REF (gegenphasig), so dass an den ADC-Eingängen ein Differenzsignal mit einer Amplitude von 2 x U_REF anliegt. Das RC-Netzwerk zwischen den Ausgängen des LTC6373 und den ADC-Eingängen bildet einen einpoligen Tiefpassfilter, der Stromspitzen, die beim Umschalten der Kapazitäten an den ADC-Eingängen aufkommen, verringert. Gleichzeitig begrenzt der Tiefpassfilter das Breitbandrauschen.

Bild 2 zeigt das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und die gesamte harmonische Verzerrung (THD) des LTC6373, die den AD4020 SAR-ADC (im Hoch-Z-Modus) über seinen kompletten Eingangsspannungsbereich (10 V_PP) ansteuern. Die besten Ergebnisse werden dabei bei einer Durchsatzrate von 1,8 MSample/s und einem Widerstandswert des Filters (R_Filter) mit 442 Ω erzielt. Bei 1 bzw. 0,6 MSample/s wird für R_Filter vom Hersteller ein Wert von 887 Ω empfohlen.

Der LTC6373 kann die meisten SAR-ADCs mit differenziellen Eingängen direkt ansteuern. Damit können Sie sich einen eigenen ADC-Treiber sparen. In einigen Anwendungen ist es jedoch vorteilhaft, einen separaten ADC-Treiber zwischen dem LTC6373 und dem Präzisions-ADC zu verwenden, um das Einschwingen des LTC6373 zu vereinfachen und die Linearität der Signalkette zu verbessern.

Fazit: Die in Bild 1 dargestellte Schaltung ist optimiert für schnelle, hochpräzise Datenerfassungssysteme. So lässt sich u.a. mit dem LTC6373 die volle Leistungsfähigkeit der angeschlossenen Sensorik ausschöpfen. Mit dem Online Tool ADI Precision Studio bzw. dem darin enthaltenen „ADC-Driver Tool“ bietet Analog Devices zusätzliche Hilfestellung beim Design derartiger Verstärkerstufen, Filter und linearen Schaltungen.

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

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