Dieser Tipp zeigt einen Vorschlag, wie man 24-Bit-A/D-Wandler dazu verwenden kann, um Verstärkerstufen zu eliminieren und damit auch deren Offset-, Drift- und Rauschbeiträge. Die Lösung ist einfach, die Gesamtleistung höher und die Kosten geringer.

Steht man vor der Aufgabe, ein A/D-Wandler-System zu entwickeln, wird man vermutlich als Erstes prüfen, welche Auflösung benötigt wird, und dann nach einem A/D-Wandler suchen, der diese Auflösung bietet. Um die geforderte Genauigkeit zu erreichen, ergänzt man anschließend das System um die nötigen Verstärkerstufen, so dass der interessierende analoge Bereich den Dynamikbereich des A/D-Wandlers abdeckt.

Aber es gibt eine Alternative. So kann man einen 24-Bit-Wandler verwenden, um Verstärkerstufen überflüssig zu machen und damit auch deren Offset-, Drift- und Rauschbeiträge zu beseitigen, die in einem System mit 12 bis 16 Bit Auflösung anfallen. Der 24-Bit-Wandler ermöglicht somit eine einfachere Lösung. Zudem ist die erreichbare Gesamtleistung höher, und das bei gleichen oder sogar niedrigeren Kosten.

Unter dem Strich würde dabei eine Schaltung entstehen, in der nur ein Teil des Dynamikbereichs des 24-Bit-A/D-Wandlers genutzt wird. Man würde einfach auf einige Bits verzichten! Trotzdem würde man noch immer die Auflösung und Genauigkeit des ursprünglichen 12- oder 16-Bit-Systems erreichen oder sogar übertreffen. Der 24-Bit-Wandler bewirkt gegenüber einem 12-Bit-A/D-Wandler eine unmittelbare Verbesserung der Systemverstärkung um 4096 und bietet zusätzlich die Funktion eines Verstärkers mit programmierbarer Verstärkung (Programmable Gain Amplifier, PGA). Der interne PGA im Delta-Sigma-Wandler kann die Verstärkung um einen weiteren Faktor von 64 bis 128 (produktspezifischer Wert) erhöhen.

Der erste Schritt bei der Schaltungsentwicklung besteht oft darin, den Sensor auszuwählen, der in der Schaltung zum Einsatz kommen soll, und sich dann dessen Ausgangssignalbereich anzusehen. Diesen Bereich passt man dann an den Eingangssignalbereich des A/D-Wandlers an. Bei diesem Ansatz wird für die Anpassung des Sensorsignals an den ADC-Eingangssignalbereich eine Analogverstärkerstufe benötigt. Man kann natürlich auch blindlings einen A/D-Wandler aussuchen, dessen Eingangssignalbereich genau dem Ausgangssignalbereich des Sensors entspricht. Bei beiden Strategien ist jedoch Vorsicht geboten. Da die tatsächliche Systemauflösung und -genauigkeit die entscheidenden Spezifikationen sind, sollte man sich ausführlicher mit dem vom System beigesteuerten Rauschen befassen.

Beispielsweise entspricht bei einem 12-Bit-System mit einem Bereich von 5 V und einem analogen Verstärkungsfaktor von 250 V/V das System-LSB (Least Significant Bit) einem Wert von 5 V / 250 / 2¹² oder 4,88 mV. Bild 1a veranschaulicht ein solches System.

Im zweiten Fall wird das Sensorsignal einem 24-Bit-Wandler ohne Verstärkung zugeführt (Bild 1b). Dies ist möglich, weil der LSB-Betrag des 24-Bit-Systems einer analogen Verstärkung von 4096 entspricht. Verfolgt man diese Schaltungsstrategie, kann man die Effekte einer analogen Potentialverschiebung eliminieren, wenn man die Differenzeingänge des A/D-Wandlers verwendet. Auf diese Weise kann man eine Spannung an den ADC-Minuseingang und zugleich das Ausgangssignal des Sensors an den ADC-Pluseingang anlegen. Der 24-Bit-A/D-Wandler ist zwar über seinen gesamten Eingangsspannungsbereich hinweg funktionsfähig, aber das Sensorausgangssignal bewirkt nur die Ausgabe eines Teils der ADC-Ausgangscodes. Die gezielte Auswahl dieses ADC-Teilbereichs hat zur Folge, dass nur der optimale Abschnitt des Signalbereichs genutzt wird. Setzt man einen 24-Bit-ADC mit einer effektiven Auflösung von 23 Bit ein, so ist dies dasselbe, als hätte man 2048 einzelne 12-Bit-Wandler über den Dynamikbereich des Wandlers verteilt.

Autorin: Bonnie C. Baker arbeitet als Senior Application Engineer bei Texas Instruments in Tucson/USA.

Wir stellen eine Schaltung vor, die den echten Effektivwert eines Eingangssignals misst und ein entsprechendes Ausgangssignal liefert.

Der Effektivwert eines Wechselspannungssignals (AC) vergleicht den Wärmewert eines unbekannten AC-Signals mit dem eines bekannten Gleichspannungssignals (DC) über identische Lasten. Er ist gleich der Höhe des DC-Signals, die erforderlich ist, um in der Last eine identische Wärmemenge zu erzeugen. Wenn die in den Lasten umgesetzte Energie gleich ist, ist die bekannte DC-Spannung gleich dem Effektivwert des unbekannten Wechselspannungssignals.

Gleichung 1

Falls man zum Beispiel eine Wechselspannung von 1 V_eff. an ein Ohm‘sches Heizelement anlegt, würde dieses exakt die gleiche Wärmemenge erzeugen wie bei einer angelegten Gleichspannung von 1 V. Mathematisch ist der Effektivwert einer Spannung gemäß Gleichung 1 definiert.

Die Gleichung repräsentiert die Standardabweichung eines statistischen Zero-Average Signals.

Gleichung 2

Gleichung 3

Gleichung 4

Einfachere Beziehungen sind in den Gleichungen 2 bis 4 aufgeführt. Zur Messung von Effektivwerten ist normalerweise ein Effektivwert/DC-Wandler erforderlich. Dieser liefert ein DC-Ausgangssignal, das dem Effektivwert eines beliebigen Eingangssignals entspricht. Leider kann der Bereich von AC-Signalen, die gemessen werden müssen, sehr groß sein. Hingegen beträgt der Eingangsbereich eines typischen Effektivwert/DC-Wandlers nur wenige Volt. Damit sie für Effektivwert/DC-Wandler verwendet werden können, müssen die großen Eingangsspannungen herunterskaliert werden. Die Messung des Effektivwerts der Spannungsversorgung in einem Privathaushalt erfordert zum Beispiel eine zusätzliche Schaltung, welche die Wechselspannung auf einen für den Eingang des Effektivwert/DC-Wandlers geeigneten Wert dämpft. Diese Applikation löst das Problem von Effektivwertmessungen größerer AC-Signale wie etwa solche auf der Netzspannung.

Bild 1: Einfache Schaltung zur Messung des Effektivwertes der Netzspannung (Bild: Analog Devices)

In Bild 1 skaliert der auf eine Verstärkung von 1/25 eingestellte differenzielle Verstärker AD628 mit programmierbarer Verstärkung die Netzspannung, bevor sie am Effektivwert/DC-Wandler AD8436 angelegt wird. Denn der AD8436 eignet sich nur für Spannungen von ±0,7 V der Versorgungsspannung.

Der differenzielle Verstärker weist einen Gleichtakteingangs- und Differential-Mode Bereich von ±120 V auf und eignet sich somit gut zum Herunterteilen der Netzspannung. Das genaue DC-Äquivalent des Effektivwertes der Wechselspannung steht am Ausgang RMS OUT zur Verfügung. Bild 2 zeigt die AC_ss-Netzversorgung von 330 V mit 60 Hz, den skalierten Ausgang des differenziellen Verstärkers und den DC-Ausgang des Effektivwert/DC-Wandlers.

Bild 2: Eingangs-, Zwischen- und Ausgangssignalverläufe (Bild: Analog Devices)

Die komplette Schaltung nimmt 2 mA auf und eignet sich damit für Low-Power-Applikationen. Der externe Eingangswiderstand (150 kΩ) lässt sich für Signale mit Spitzenspannungen über 400 V_ss entsprechend vergrößern. Das Gerät wird nicht beschädigt, wenn das Eingangssignal die Netzspannung übersteigt. Somit kann das Eingangssignal auch bei fehlender Versorgungsspannung anliegen. Darüber hinaus arbeitet das gegen Kurzschluss geschützte System an bipolaren Spannungen bis ±18 V.

Diese Schaltung berechnet den echten Effektivwert eines komplexen AC- (oder AC plus DC) Eingangssignals und liefert ein entsprechendes DC-Ausgangssignal. Der echte Effektivwert eines Signals ist eine nützlichere Angabe als der gleichgerichtete Mittelwert, da er auf der Messung der Energie im Signal basiert. Der Effektivwert eines Signals mit AC-Kopplung ist auch seine Standardabweichung.