Die richtigen Komponenten für eine 7,5-stellige Messauflösung

Die Entwickler von Messgeräten stehen vor der Herausforderung, eine Auflösung von 7,5 Stellen in Hochleistungs-Datenerfassungssystemen zu erreichen, darunter Digitalmultimeter (DMM), Waagen und seismische Aufzeichnungsgeräte. Während Multislope-Analog/Digital-Wandler (ADCs) für Instrumente mit einer Auflösung von bis zu 6,5 Stellen verwendet werden, werden Designs mit höherer Auflösung aufgrund verschiedener Komponentenspezifikationen und Implementierungsprobleme schwieriger.

In diesem Artikel wird untersucht, wie sich die Spezifikationsbeschränkungen von analogen Präzisionskomponenten auf die erreichbare Auflösung des Instruments auswirken. Anschließend wird gezeigt, wie eine Auflösung von 7,5 Stellen durch die sorgfältige Auswahl von SAR-ADCs (Successive Approximation Register), hochpräzisen Spannungsreferenzen, angepassten Widerstandsnetzwerken und rauscharmen Verstärkern (LNAs) von Analog Devices erreicht werden kann.

Überblick über ein Digitalisierer-Frontend

Digitale Präzisionsinstrumente, wie z. B. DMMs, verwenden ein Frontend, das analoge Spannungen in digitale Werte umwandelt. Das Herzstück des Frontends ist der ADC (Abbildung 1). Die meisten ADCs haben einen festen Eingangsspannungsbereich, so dass die Eingangssignale verstärkt oder abgeschwächt werden müssen, um diesem Bereich zu entsprechen. Dazu sind Verstärker und Dämpfungswiderstände erforderlich. Wenn ein SAR-ADC verwendet wird, ist auch eine präzise Spannungsreferenz erforderlich. Bei der Auswahl all dieser Komponenten muss auf geringes Rauschen, geringe DC-Drift und stabile Verstärkung geachtet werden, um die Genauigkeit des Gesamtsystems zu maximieren.

Abbildung 1: Das Blockdiagramm zeigt ein digitales Frontend für ein hochpräzises Instrument, dessen Herzstück ein ADC ist. (Bildquelle: ADI)

Auswahl des richtigen ADC

Der erste Schritt bei der Auswahl eines ADC ist die Bestimmung der erforderlichen Spannungsauflösung. Bei einem Messgerät wie einem DMM wird sie normalerweise in Stellen (Digits) angegeben. Ein typisches Tisch-DMM hat eine Auflösung von 6,5 Stellen. Das bedeutet, dass es sechs Dezimalstellen (0 bis 9) plus eine halbe Stelle mit den Werten 0 oder 1 gibt. Der unskalierte Auslesebereich erstreckt sich von +1.999.999 bis -1.999.999 Zählungen, was allgemein als Auflösung von 4.000.000 Zählungen bezeichnet wird.

Die Zählung für ein binäres Gerät ist einfach zwei hoch der Anzahl der Bits. Die Anzahl der Ziffern und die Anzahl der Bits können gegeneinander aufgetragen werden (Abbildung 2), aber sie stimmen nicht als ganzzahlige Vielfache voneinander überein.

Abbildung 2: Dargestellt ist die Anzahl der Ziffern in Abhängigkeit von der Anzahl der Bits, die sowohl für ganzzahlige Bitzahlen als auch für die Anzahl der angezeigten Ziffern berechnet wurden. (Bildquelle: Art Pini)

Das gemeinsame Element bei diesen Berechnungen ist die Anzahl der diskreten Werte, die das Gerät darstellt. Die Anzahl der Ziffern für eine bestimmte Anzahl ist einfach log₁₀(Zählwert). Die äquivalente Anzahl von Bits eines bestimmten Zählwerts ist log₁₀(Zählwert)/log₁₀(2) oder Stellen/log₁₀(2). Die Zahl 4.000.000 entspricht also einer Zahl von 21,932 Bit.

Ein Wort zur Auflösung und Genauigkeit

Sowohl die Anzahl der Stellen als auch die Anzahl der Bits beziehen sich auf die Spannungsauflösung des Geräts. Ein 6,5-stelliges DMM im 10-Volt-Bereich kann Spannungen von -10 V bis +10 V in 4.000.000 Zählwerten messen. Das bedeutet, dass jeder Schritt 5 µV beträgt. Dabei handelt es sich um die Auflösung des Geräts, nicht um die Genauigkeit der Messung. Die Genauigkeit ist ein Maß dafür, wie nahe der gemessene Wert am wahren Wert liegt. Viele Faktoren beeinflussen die Messgenauigkeit, darunter Rauschen, Offsetfehler, Verstärkungsfehler und Nichtlinearität. All diese Unsicherheitsquellen entstehen in den Frontend-Komponenten des Geräts.

Ein typisches 7,5-stelliges DMM mit seinem 10V-Bereich hat eine 24-Stunden-Genauigkeit von 8 ppm (parts per million) des gemessenen Wertes plus einer Unsicherheit von 2 ppm für den gewählten Bereich (8+2). Die angegebene Langzeitgenauigkeit über 1 Jahr kann ±(16+2) ppm betragen. Die ADC-Linearität muss im Bereich von 1,5 ppm liegen, und der Temperaturfehler muss so niedrig wie 5 ±1 ppm pro °C (ppm/°C) sein.

Um dieses Genauigkeitsniveau zu erreichen, müssen die kurz- und langfristigen Fehlerquellen der erforderlichen Komponenten bekannt sein.

ADCs für hochpräzise digitale Frontends

Abbildung 1 zeigt ein typisches digitales Frontend. Es verwendet einen 24-Bit-SAR-ADC mit hoher Auflösung und moderater Geschwindigkeit. SAR-ADCs leiten das Eingangssignal an einen Komparator weiter. Der andere Zweig des Komparators erhält eine Schätzspannung von einem Digital/Analog-Wandler (DAC), der vom SAR gesteuert wird. Das Register hat so viele Stufen wie die Anzahl der Bits des ADC. Er beginnt mit der Erzeugung einer Schätzspannung bei der Hälfte des ADC-Spannungsbereichs. Der Komparator ermittelt, ob die Eingangsspannung höher oder niedriger als die referenzbasierte Schätzspannung ist. Ist der Schätzwert kleiner als der Eingangswert, wird eine „1“ im Registerbit gespeichert; andernfalls wird eine „0“ gespeichert.

Das Register durchläuft seine Zustände sequentiell, indem es die Schätzspannung in binären Schritten absenkt. Wenn die geschätzte Spannung so nahe wie möglich am Eingangssignal liegt, stoppt der Prozess, und das Register enthält den digitalen Code, der der Eingangsspannung entspricht. Der ADC gibt dann ein Signal zum Abschluss der Umwandlung aus, um den Binärcode zu lesen.

Beachten Sie, dass der SAR-ADC eine präzise und stabile Spannungsreferenz benötigt, um seinen DAC zu steuern. Bei einem Mehrbereichsmessgerät ist auch eine Signalkonditionierung erforderlich, um sicherzustellen, dass der ADC-Eingang so nahe wie möglich am vollen Skalenbereich des ADC liegt, ohne diesen zu überschreiten.

Der AD4630-24BBCZ-RL von Analog Devices ist eine gute Wahl für ein 7,5-stelliges digitales Frontend. Dieser zweikanalige 24-Bit-SAR-ADC arbeitet mit 2 Megasamples pro Sekunde (MS/s) und unterstützt den Betrieb mit referenzbezogenen oder Differenzsignalen. Dieser ADC verwendet eine 5V-Referenzspannung und weist eine typische Linearität von 0,1 ppm (0,9 ppm max) auf. Er enthält einen Block-Mittelungsfilter mit programmierbarem Dezimierungsverhältnis, der das Rauschen deutlich reduziert und den Dynamikbereich bei niedrigen Ausgaberaten auf 153 Dezibel (dB) erweitert. Durch Blockmittelung wird ein eingangsbezogenes Rauschen von 98 nV effektiv bei einer Ausgangsdatenrate von 60 Hertz (Hz) erreicht, was zu einer rauschbegrenzten effektiven Auflösung von 7,7 Stellen führt, wenn sie sich auf den Vollausschlag des Eingangs bezieht.

Die Spannungsreferenz

Da der SAR-ADC seine Ausgabe auf Vergleichen der Eingangsspannung mit Spannungspegeln basiert, die aus der Referenzspannung abgeleitet werden, ist er in hohem Maße von der Genauigkeit, Stabilität und dem Rauschpegel dieser Referenz abhängig. Zur Unterstützung der Stabilität erzielt die Burried-Zener-Referenztechnologie eine sehr stabile Durchbruchspannung, indem das Bauelement tief im Siliziumsubstrat ausgebildet wird. Auf diese Weise wird es von Oberflächenverschmutzung isoliert, thermische Effekte werden reduziert und es ist weniger empfindlich gegenüber Stress und Feuchtigkeit. Eine höhere Stabilität der Referenzspannung kann durch eine interne Heizung erreicht werden, wodurch die Auswirkungen von Änderungen der Umgebungstemperatur weiter minimiert werden.

Die in Abbildung 1 verwendete Spannungsreferenz ist ein ADR1001AEZ (Abbildung 3). Dabei handelt es sich um eine ofengesteuerte, Burried-Zener-Komponente, die die Heizungssteuerung, die Referenzquelle, den Ausgangspufferverstärker und die gesamte zugehörige Signalkonditionierung in einem einzigen Gehäuse integriert, was den Designprozess vereinfacht und die Montagefläche reduziert.

Abbildung 3: Ein Funktionsblockdiagramm des ADR1001AEZ zeigt die Heizungssteuerung (links), die Referenzquelle (Mitte) und den Ausgangspufferverstärker (rechts). (Bildquelle: ADI)

Die nominale Ausgangsspannung des ADR1001AEZ beträgt 6,6 V, präzisionsgetrimmt auf 5 V ±0,25%, mit einem Nennausgangsstrom von 10 mA. Die auf dem Chip integrierte Heizung sorgt für einen Temperaturkoeffizienten von weniger als 0,2 ppm/°C. Das 5V-Ausgangsrauschen (0,1 bis 10 Hz) beträgt 0,13 ppm Spitze-Spitze (p-p), was einem Wert von 0,65 mV Spitze-Spitze entspricht.

Verstärker für 7,5-stellige Auflösung

Der Eingangsverstärker des digitalen Frontends skaliert in Verbindung mit dem angepassten Widerstandsnetzwerk das Eingangssignal so, dass es der spezifizierten Eingangsspannung des ADCs entspricht. Dieser Verstärker, der je nach Bedarf Verstärkung oder Dämpfung bietet, muss eine geringe Spannungsdrift und ein geringes Rauschen aufweisen, um die gewünschte 7,5-stellige Auflösung zu erreichen. Für diese Aufgabe ist der Chopper-stabilisierte ADA4523-1 eine gute Wahl. Dies ist ein rauscharmer, driftfreier Rail-to-Rail-Verstärker mit einer Offsetspannung von ±4 µV (max.) über einen Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +125°C bei 5 V. Eine geringe DC-Drift wird durch eine selbstkalibrierende Schaltung gewährleistet, die die Offsetspannungsdrift mit der Temperatur unter 0,01 µV pro °C (µV/°C) hält.

Der ADA4523-1 hat ein Gleichtaktunterdrückungsverhältnis von 160 dB (typisch) und einen Rauschpegel von 88 nV Spitze-Spitze (typisch) von 0,1 bis 10 Hz (Abbildung 4).

Abbildung 4: Dargestellt ist die Rauschwellenform von 0,1 Hz bis 10 Hz eines typischen ADA4523-1-Verstärkers. (Bildquelle: ADI)

Auswahl des passenden Widerstandsnetzwerks

Ein angepasstes Widerstandsnetzwerk ist ein einzelnes Paket, das mehrere Widerstände mit angepassten elektrischen Eigenschaften enthält, z. B. Widerstandswert, Toleranz und Temperaturkoeffizient. Der absolute Widerstand ist nicht entscheidend, aber die Werte sind genau aufeinander abgestimmt und lassen sich über einen großen Temperaturbereich verfolgen, so dass die Widerstandsverhältnisse konstant bleiben.

Der LT5400BIMS8E-7 (Abbildung 5) ist beispielsweise ein Array mit vier Widerständen, das zwei 1,25kΩ-Widerstände und zwei 5kΩ-Widerstände enthält, was ein Verhältnis von 4:1 und eine Verstärkung von vier ergibt. Diese Widerstände haben eine nominale Widerstandstoleranz von ±15%, aber die Widerstandsverhältnisse sind auf ±0,025% abgestimmt. Aufgrund des gemeinsamen Gehäuses ist das Widerstandsverhältnis 4:1 temperaturabhängig, mit einem Temperaturkoeffizienten von ±25 ppm/°C. Die Drift der Widerstandsverhältnisse mit der Temperatur beträgt ±0,2 ppm/°C.

Abbildung 5: Die Abbildung zeigt einen Differenzverstärker mit einer Verstärkung von vier unter Verwendung des LT5400-7 (Bildquelle: ADI).

Eine geringe Temperaturdrift ist wichtig, da die Verstärkung des Verstärkers durch das Verhältnis von R1 zu R2 und R4 zu R3 bestimmt wird. Die Widerstandsanpassung stabilisiert die Verstärkung jeder Verstärkerhälfte und stellt sicher, dass die Verstärkungen der beiden Hälften übereinstimmen, wodurch ein hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) erhalten bleibt.

Fazit

Auch wenn es für Geräteentwickler eine Herausforderung sein mag, eine 7,5-stellige Auflösung in Hochleistungs-Datenerfassungssystemen zu erreichen, ist es mit den richtigen Komponenten möglich, diese effektiv zu implementieren. Wie gezeigt, vereinfachen hochpräzise Komponenten mit geringer Nichtlinearität und geringer Offset-Drift von Analog Devices, wie z. B. der ADC AD4630-24BBCZ-RL, die Präzisionsspannungsreferenz ADR1001AEZ, der Verstärker ADA4523-1 und das angepasste Widerstandsnetzwerk LT5400BIMS8E-7, das Hochleistungs-Frontend-Design.