Flexibles analoges Front-End mit hohem Dynamikbereich für die Signalkonditionierung in der Industrie (Bild: ADI)

Vierkanalige Eingangsstufe für Signale mit großem Dynamikbereich

In vielen Industrieanwendungen sind flexible, mehrkanalige analoge Eingangsschaltungen erforderlich, um Signale mit großem Dynamikbereich – von einigen mVss bis 20 Vss – zu verarbeiten. Die hier beschriebene Schaltung erledigt die erforderliche Signalaufbereitung und Pegelanpassung und erreicht zugleich einen hohen Dynamikbereich mit dem programmierbaren Verstärker (PGA) im hochauflösenden A/D-Wandler.

Typischerweise sind in Prozesssteuerungen und in der Industrieautomatisierung Dämpfung und Pegelanpassung erforderlich, um Eingangssignale mit einer Spanne von ±10 V mit modernen Niedervolt-A/D-Wandlern zu verarbeiten. Bei kleinen Signalen ist eine Verstärkung erforderlich, um den Dynamikbereich des ADC zu nutzen. Daher ist eine Schaltung mit programmierbarer Verstärkung wünschenswert, wenn sich das Eingangssignal über einen großen Bereich erstreckt.

Zusätzlich können kleine Signale große Gleichtaktspannungshübe haben. Deshalb ist eine hohe Gleichtaktunterdrückung (Common-Mode Rejection Ratio, CMRR) erforderlich. Die Schaltung bietet auch eine Eingangsstruktur mit hoher Impedanz. Dies ist wünschenswert in Anwendungen, die eine hohe Quellenimpedanz haben und bei denen eine hohe Impedanz erforderlich ist, damit die analoge Eingangsstufe einwandfrei funktioniert.

 Bild 1: Flexibles analoges Front-End mit hohem Dynamikbereich für die Signalkonditionierung in der Industrie (Bild: ADI) Bild 1: Flexibles analoges Front-End mit hohem Dynamikbereich für die Signalkonditionierung in der Industrie (Bild: ADI)

Die Schaltung in Bild 1 erfüllt alle genannten Anforderungen und bietet eine programmierbare Verstärkung, hohe Gleichttaktunterdrückung und hohe Eingangsimpedanz. Das Eingangssignal durchläuft den vierkanaligen Multiplexer ADG1409 und gelangt dann in den preiswerten Instrumentenverstärker AD8226 mit großem Eingangsbereich. Der AD8226 bietet eine CMRR bis 80 dB sowie eine sehr hohe Eingangsimpedanz (800 MΩ Differential Mode und 400 MΩ Common Mode). Durch den großen Eingangsbereich und einen Rail-to-Rail-Ausgang kann der AD8226 den gesamten Versorgungsspannungsbereich nutzen.

Der AD8475 ist ein komplett differenzieller, dämpfender Verstärker mit integrierten Präzisionswiderständen zur Einstellung der Verstärkung. Das Bauteil bietet eine genaue Dämpfung (G = 0,4 oder G = 0,8), Gleichtakt-Pegelanpassung und massebezogene/differenzielle Wandlung. Er ist als einfach handhabbarer, komplett integrierter Präzisionsverstärkerblock, ausgeführt, der Signale mit Pegeln bis ±10 V an einer unipolaren Versorgungsspannung verarbeitet. Daher eignet er sich zur Dämpfung von Signalen vom AD8226 bis 20 Vss. Zugleich wird eine hohe CMRR beibehalten. Ein differenzieller Ausgang kann den differenziellen Eingang am A/D-Wandler treiben.

Der AD7192 ist ein 24 Bit Sigma-Delta ADC mit internem PGA. Die integrierte rauscharme Verstärkungsstufe (G = 1, 8, 16, 32, 64 oder 128) bewirkt, dass Signale mit großer und kleiner Amplitude direkt an den A/D-Wandler angelegt werden können.

In Kombination mit den genannten Bauteilen bietet die Schaltung eine sehr gute Leistungsfähigkeit und eine einfache Konfiguration für Signale mit sich ändernden Amplituden. Das gemessene Rauschen (Spitze/Spitze) dieser Schaltung liegt bei 3,9 μV. Das effektive Rauschen beträgt 860 nV. Dies korrespondiert mit einer Spitze/Spitze (rauschfreier Code) Auflösung von 20 Bit und einer effektiven Auflösung von 23 Bit. Die Schaltung ist in den Bereichen Fertigungsautomatisierung, Prozesssteuerung und Messtechnik sowie in Medizingeräten einsetzbar.

Der Autor: Michael Hu, Applikationsingenieur bei Analog Devices.

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