Auf diese Bits kann man verzichten!

Angenommen eine qualitativ hochwertige Wägezelle besitzt eine Ausgangs-Übertragungsfunktion von 2 mV/V. Sie liefert also pro Volt Anregungsspannung ±2 mV Ausgangssignal. Bei einer Anregungsspannung von 4,096 V und voller Sensorauslenkung ergibt sich eine maximale Ausgangsspannung von ±8,192 mV.

In einer 12-Bit-Anwendung – beispielsweise einer Haushalts-Personenwaage – könnte die Hälfte des Endwertes einem Gewichtsmessbereich von Null bis 113 kg entsprechen. Soll die Waage eine Auflösung von 113 g erreichen, so werden dafür 1000 Ausgangsmesspunkte benötigt. Um nun ein Tausendstel des vollen Messbereichs aufzulösen, muss eine Änderung der Sensorausgangsspannung um 8,192 µV erkannt werden können. Dies ist möglich, wenn man dafür sorgt, dass der Spitze-Spitze-Wert des Sensorrauschens für 99,999 % der Zeit geringer als 8,192 µV ist (unter Ansatz eines Crest-Faktors von 4.4, siehe [1]). Mit dieser Definition entspricht ein LSB (Least Significant Bit) auf der Sensorseite einer Spannung von 8,192 μV oder 931 nV (eff).

Bild 1: 12-Bit-Wägezellensystem mit einer Genauigkeit von 113 g Bild 1: 12-Bit-Wägezellensystem mit einer Genauigkeit von 113 g

Die Wägezellen-Messbrücke in Bild 1 wird mit einer Spannung von 4,096 V angeregt. Der Instrumentenverstärker INA326 verstärkt die Spannung der Lastzelle mit einem Faktor von 250 V/V. Somit erzeugt das System bei Vollausschlag eine Spannung von 250 x ±8,192 mV = ±2,048 V. Der 12-Bit-Wandler ADS7822 digitalisiert das Analogsignal.

Dieses 12-Bit-Wandlersystem benötigt ein aktives analoges Filter, das hier mit einem OPA333 aufgebaut ist. Der Zweck dieses Tiefpassfilters ist in erster Linie, die hochfrequenten Signalkomponenten am Eingang des A/D-Wandlers zu unterdrücken [2]. Da die Wägezelle in unserer Schaltung quasi im DC-Bereich arbeitet, begrenzen wir die Bandbreite auf 10 Hz. Die Bauelemente in Bild 1 kosten hierbei weniger als 6,00 US-Dollar.

Sehen wir uns nun zum Vergleich eine Wägezellenmessung mit einem 24-Bit-System an. In Bild 2 können wir das Wägezellensignal einfach über ein Tiefpassfilter erster Ordnung dem Delta-Sigma-A/D-Wandler zuführen. Das Tiefpassfilter erster Ordnung in dieser Schaltung eliminiert hochfrequentes Rauschen im Bereich um die Abtastfrequenz des Wandlers [3]. Den Widerstandsanteil des R-C-Filters steuert der Sensor bei.

Bild 2: 24-Bit-Wägezellensystem mit einer Genauigkeit besser als 113 g Bild 2: 24-Bit-Wägezellensystem mit einer Genauigkeit besser als 113 g

Betrachtet man die Fehlergrößen des 24-Bit-Delta-Sigma-Systems in Bild 2, erkennt man, dass der ADS1232 eine Rauschspannung von 3,7 µVs-s produziert (bei einem angenommenen Crest-Faktor von 4,4). Dieser Wert liegt deutlich unter der LSB-Größe des Sensors. Der Vollausschlagsbereich des Delta-Sigma-Wandlers beträgt zudem 4,096 V, während der gesamte Sensor-Ausgangsspannungsbereich nur ±8,192 mV umfasst. Wie man sieht, bleiben die meisten Ausgangsbits des Delta-Sigma-Wandlers ungenutzt. Die Bauelemente in Bild 2 kosten weniger als 4,00 US-Dollar.

Fazit: Das 12-Bit-Wandlersystem ist letztlich teurer, nimmt mehr Platz auf der Leiterplatte in Anspruch und ist in der Dimensionierung kritischer als das alternative 24-Bit-System.

Bonnie C. Baker, Texas Instruments

Literatur

[1] “RMS and peak-to-peak noise trade-off“, Baker, Bonnie, EDN (15. Mai 2008)

[2] ”What’s in your SAR-ADC application?“ Baker, Bonnie, EDN (15. Dez. 2008)

[3] “Analog filter eases delta-sigma-converter design“, Baker, Bonnie, EDN (12. Juni 2008)

2 Gedanken zu „Auf diese Bits kann man verzichten!“

  1. Hallo zusammen,

    Sehr interessante Idee, einfach ein 24 bit wandler zu nehmen, allerdings wo kann man ein Ads1232 für unter 4 Dollar kaufen?

    Wäre sehr dankbar für eine Antwort.

    Vielen Dank

    Julius

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