Die Ankopplung einer Signalkette an einen Analog-Digital-Wandler (ADC) ist in der Regel eine Frage der Theorie und des Testens. Im Gegensatz dazu bietet die LTC2358-Familie von gepufferten Mehrkanal-Hochspannungs-SAR-ADCs wirklich hochohmige Eingänge, die die Signalkonditionierung vereinfachen oder sogar eliminieren können. Neben Schaltungsbeispielen erklärt der Artikel die Auswirkungen verschiedener Filtermethoden und erklärt den richtigen Anschluss geeigneter Sensoren.

Abbildung 3: Einfache RC-Filter, wie beispielsweise ein 33 kHz Tiefpassfilter, reduzieren das Rauschen des zu digitalisierenden analogen Signals. (Bild: Analoge Geräte)

Die mehr als 1000 GΩ analogen Pikoampere-Eingänge des LTC2358 von Analog Devices, Power by Linear, eignen sich für externe Präzisionsabschwächer zur Erweiterung der Eingangsspannungsbereiche des ADC. LT5400 ist eine Familie von Präzisions-Vierfach-Dämpfungsgliedern mit 0,01 Prozent Anpassungsungenauigkeit und kann verwendet werden, um verschiedene analoge Eingangsbereiche bis zu einer maximalen Betriebsspannung von ± 75 V zu implementieren.

Abbildung 1: Eine Erweiterungsschaltung für den Eingangsspannungsbereich des LTC2358 ADC. Analoge Geräte

Die Impedanz der Dämpfungsschaltungen in Abbildung 1 beträgt weniger als 10 Ω, was bedeutet, dass sich die Eingänge des LTC2358 aufgrund der kleinen, AC-gekoppelten Transienten vollständig einschwingen. Solche Transienten entstehen zu Beginn der Erfassungsperiode als Ergebnis der Rückkopplung in die Kanaleingänge durch die internen CMOS-Puffer. Für diskrete Dämpfungsglieder werden 1-W-Widerstände empfohlen, um die Eigenerwärmung des Widerstands zu minimieren. Die Auslegung des Widerstands auf 1 W ist deutlich größer als die 90 mW Verlustleistung, die bei einer Spannung von 100 V am 90 kΩ-Widerstand an Kanal IN2 auftritt.

Abbildung 2: Schaltung für ein Dämpfungsnetzwerk mit hoher Impedanz zur Messung der Spannung in drei Spannungsbereichen. Analoge Geräte

Bild 2 zeigt ein hochohmiges Dämpfungsnetzwerk, das dazu dient, die Spannung mit einer Mindestlast von 1,33 MΩ in drei möglichen Spannungsbereichen von 0 V bis 100 V, 0 V bis 200 V und 0 V bis 400 V an AIN zu essen. Diese drei Kanäle tasten gleichzeitig die gedämpfte Spannung ab. Der richtige Bereich wird vom Benutzer als kleinster Bereich gewählt, dessen digitaler Ausgang nicht vollständig mit Einsen gesättigt ist - eine Art automatische Anpassung des Verstärkungsbereichs.

Steigt die Spannung an AIN auf 250 V, beginnt auch die Durchlassspannung der ESD-Schutzdiode an IN0+ anzusteigen und leitet bei AIN 400 V bis auf 80 µA. Diese Übersteuerung von IN0+ hat keine Auswirkung auf die anderen Kanäle. Ein sehr kleiner Ableitstrom am Analogeingang von typisch 5 pA ermöglicht die MΩ-Impedanz dieses Netzwerks. Es ist zu beachten, dass der Ableitstrom exponentiell mit der Temperatur bis zu maximal 500 pA bei 85 °C ansteigt, wobei ein Netzwerk mit niedrigerer Impedanz die Auswirkungen des Ableitstroms bei höheren Temperaturen reduziert. Der Filterkondensator mit einer Kapazität von 680 pF an den analogen Eingangskanälen unterdrückt die Durchschleifspannungsspitze der internen MOSFETs zu Beginn der Detektionszeit und filtert externes Rauschen.

Auf der nächsten Seite erfahren Sie, wie mit dem LTC2358 der Signal-Rauschabstand auf 99 dB erhöht und der ADC direkt mit Filtern angesteuert werden kann.

Der sehr weite Gleichtaktbereich des LTC2358, kombiniert mit der sehr guten Gleichtaktunterdrückung von minimal 100 dB, ermöglicht eine bedarfsgerechte Ansteuerung der analogen Eingänge ohne Absenkung. Beide Kanäle können in Reihe geschaltet werden, um beispielsweise den Eingangsbereich zu verdoppeln und das SNR um 3 dB zu verbessern. Der Ausgabecode der beiden Kanäle wird addiert, um ein Nettoergebnis mit einem zusätzlichen Bit für die Auflösung zu erhalten: 17 Bit für den LTC2358-16 oder 19 Bit für den LTC2358-18. Simultane Abtastung hält die Kanäle in dem Moment synchronisiert, in dem die steigende Flanke von CNV abgetastet wird. Die Genauigkeit der Widerstände hat keinen Einfluss auf die Verstärkung der Kombination, da jedes zusätzlich an dem Kanal anliegende Signal aufgrund des Fehlers in der Widerstandseinstellung exakt vom anderen Kanal abgezogen wird. Der einzige Effekt der Spannungsteiler-Fehlanpassung besteht darin, dass nahe der vollen Skala ein Kanal vor dem anderen gesättigt wird.

Eine zusätzliche Erweiterung des analogen Eingangsbereichs ist möglich, indem der interne REFBUF-Pin mit der externen 5-V-Referenz des LTC6655-5 übersteuert wird, einer rauscharmen, präzisen Referenz mit geringer Drift. Der analoge Eingangsbereich für jeden Kanal erweitert sich im gleichen Verhältnis wie die Referenz von ± 10,24 V auf ± 12,5 V. Beim LTC2358-18 und der externen Referenz haben die angeschlossenen Kanäle mit einem Bereich von ± 25 V ein SNR = 100 dB .

Anti-Aliasing oder Rauschfilter an den analogen Eingängen eines ADC sind üblich. Die extrem hohe Eingangskapazität der Pikoampere-Analogeingänge des LTC2358 lässt sich mit einer passiven Weitbereichs-RC-Filterkombination einfach kontrollieren. Dies ist optimiert, um das analoge Signal zu filtern, anstatt die strengen Anforderungen zur Steuerung herkömmlicher, nicht gepufferter ADCs zu erfüllen. Dadurch wird die DC-Genauigkeit des LTC2358 für Quellimpedanzen von mehr als 10 kΩ beibehalten, die sich nicht innerhalb der Erfassungsperiode einschwingen. Diese sehr kleine Spannungsspitze ist auch ladungserhaltend, das heißt sie ist nur AC-gekoppelt und die Gesamtladung der Spannungsspitze ist null und hat keinen DC-Anteil.

Abbildung 3: Einfache RC-Filter, wie beispielsweise ein 33 kHz Tiefpassfilter, reduzieren das Rauschen des zu digitalisierenden analogen Signals. Analoge Geräte

Der externe Kondensator eignet sich zur unkomplizierten Realisierung von RC-Filtern, die das Rauschen des zu digitalisierenden Analogsignals reduzieren. Beispielsweise kann ein 33 kHz Tiefpassfilter mit R = 4,02 kΩ und C = 1200 pF aufgebaut werden (Abb. 3). Mit größeren oder kleineren Widerstandswerten lassen sich andere Bandbreiten erreichen, wobei die Kapazität des Kondensators bei 680 pF bleibt oder erhöht wird.

Stellt sich heraus, dass hochfrequente Störungen im MHz-Bereich problematisch sind, kann ein zusätzlicher, kaskadierter Realpol mit höherer Frequenz helfen, diese zu unterdrücken. Der zweite RC-Filter kann eine höhere Impedanz aufweisen, um die Belastung des ersten Filters zu reduzieren. Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für den ersten RC-Pol bei 33 kHz mit 2 kΩ und 2,4 nF und den zweiten RC-Pol bei 66 kHz mit 3,57 kΩ und 680 pF. Der Ladeeffekt verschiebt die Pole auf 23 kHz und 94 kHz. Ein störender 10 mV Ton bei 1 MHz wird mit nur einem Pol bei 33 KHz um 30 dB gedämpft. Bei zwei Polen bei 33 kHz und 66 kHz ergibt sich eine Dämpfung von 53 dB auf nur noch 22 µV.

Erreichen externe Störfrequenzen die Abtastrate des A/D-Wandlers oder tritt breitbandiges Sensorrauschen auf, ist ein Filter höherer Ordnung bei der Bereinigung des Signals am effektivsten. Hier empfiehlt sich der Einsatz eines dreipoligen, aktiven 33 kHz Sallen-Key Filters, dessen steiler Frequenzgang beispielsweise einen 10 mV / 190 kHz Störer effektiv eliminiert und Inband-Rauschen unterhalb von 100 kHz effektiver reduziert.

Wie man die Selbsterwärmung von Thermistoren verhindert und Beispiele für die Ansteuerung des ADC mit einer vorgespannten Photodiode und einem ferngesteuerten Sensor ist im Artikel auf der folgenden Seite beschrieben.

Die analogen Pikoampere-Eingänge des LTC2358 von Analog Devices, Power by Linear, haben eine Impedanz von mehr als 1000 GΩ, was die Signalkonditionierung deutlich vereinfacht oder sogar ganz eliminiert. Analog Devices zeigt in diesem Artikel als Fortsetzung des unter Info-Direkt 810ei0118 erschienenen Artikels anhand von Schaltungsbeispielen die Funktionsweise verschiedener Filtermethoden und den Anschluss geeigneter Sensoren.

Thermistoren können Temperaturen in relativ große Ströme oder Spannungsänderungen umwandeln, die mit geringer oder sogar ohne Verstärkung leicht zu digitalisieren sind. Mit einer Impedanz im kΩ-Bereich werden Thermistoren problemlos von den hochohmigen Puffern des LTC2358 angesteuert. Diese relativ hohen Ströme und Spannungen am Thermistor verbrauchen jedoch auch Verlustleistung und führen dazu, dass sich der Thermistor aufheizt, was dazu führt, dass er falsch hohe Temperaturen anzeigt. Der 20 kΩ Thermistor Victory (Veco) 42A29 hat einen Durchmesser von 0,33 mm und eine konstante Verlustleistung von 0,09 mW/°C, was zu einer Eigenerwärmung von 2,2°C in ruhender Luft mit 2 V Vorspannung führt. Es wurde eine Eigenerwärmung von ca. 2°C gemessen.

Die Eigenerwärmung ist umso bedeutender, je kleiner der Thermistor ist und je kleiner die zu messenden Größen, beispielsweise von stehenden Gasen oder kleinen Objekten, sind. Victory unterstützt auch einen kleineren Thermistor von 0,25 mm Durchmesser mit einer konstanten Verlustleistung von 0,045 mW / ° C, was die erwartete Eigenerwärmung auf 4,4 ° C verdoppelt. Umgekehrt hat der größere Thermistor von Victory mit einem Durchmesser von 1,1 mm eine konstante Leistung Verlust von 0,35 mW/°C, was eine Eigenerwärmung von nur 0,6°C zur Folge hat. In typischen Anwendungen führt die durch die Temperaturänderungen bedingte Änderung des Spannungsabfalls des Thermistors zu einer unterschiedlich hohen Verlustleistung im Thermistor. Dies verfälscht die aktuelle Temperaturmessung durch den temperaturabhängigen Effekt der Eigenerwärmung zusätzlich.

Abb. 4: Der Effekt der Eigenerwärmung eines Thermistors, hier des Victory 42A29. Analoge Geräte

Abbildung 4 veranschaulicht diesen Effekt der Eigenerwärmung. Ein einfacher N-Kanal-MOSFET hält den Thermistor kurzgeschlossen, bis der LTC2358 zum ersten Mal konvertiert. Der LTC2358 hat die Temperatur mit einer Rate von 50 kS/s gemessen, nachdem der M1 mit / READ ausgeschaltet wurde. Die Eigenerwärmung summierte sich über mehrere Sekunden auf fast 2 °C und änderte sich bei jeder Datenabtastung alle 20 µs nur sehr wenig. Die Schaltung in Abbildung 4 kann auch verwendet werden, um schnelle Temperaturmessungen mit einem engen Arbeitszyklus an / READ durchzuführen, was den durchschnittlichen Effekt der Eigenerwärmung des Thermistors erheblich reduziert. Wird / READ 5 µs lang niedrig gehalten, um Messwerte zu erfassen, und dieser Vorgang alle 1 ms wiederholt, reduziert sich der durchschnittliche Effekt der Eigenerwärmung um den Faktor 200. Das vorgeschlagene Abtastfenster von 5 µs erlaubt bis zu 40 pF parasitäre Kapazität am Thermistor auf 18 Bit mit einer Zeitkonstante von 400 ns einschwingen. Bei der Berechnung der Zeitkonstanten müssen auch zusätzliche Kapazitäten der Kabel am Thermistor berücksichtigt werden.

Abb. 5: Die vorgespannte Photodiode treibt den LTC2358 direkt an. Der OPV kann verwendet werden, um eine feste Spannung an die Diode anzulegen. Analoge Geräte

Die analogen Eingangskanäle des ADC können den Fotostrom einer Fotodiode direkt als Spannungsabfall über den in Reihe geschalteten Strommesswiderstand messen (Abbildung 5). Ein OPV LTC6268 kann auch in einer Transimpedanzkonfiguration mit der Fotodiode verwendet werden, um eine feste Spannung (5 V - 4,096 V = 0,904 V) an die Diode anzulegen. Zu beachten ist, dass bei der gezeigten Transimpedanzschaltung die Messung direkt am Strommesswiderstand erfolgt, so dass die Offsetspannung des OPV keinen Einfluss auf die Messung hat. Ein ungepufferter ADC kann nicht direkt an den invertierenden Eingang des Transimpedanzverstärkers angeschlossen werden.

Micropower OPVs können die analogen Eingangskanäle des ADC steuern. Die Ansteuerung erfolgt direkt, mit geringem Leistungsbedarf und ohne Verteilung oder Belastung des OPV-Ausgangs sowie ohne Erhöhung des Versorgungsstroms des OPV. Der OPV LTC2063 dient beispielsweise als Vorverstärker mit einer Verstärkung von 200 für einen Sauerstoffsensor von City Technology. Das OPV treibt ein verdrilltes Kabelpaar durch ein RC-Filter, wobei das Filter das OPV von der kapazitiven Last des Kabels isoliert und auch vom Kabel aufgenommene Störungen blockiert. Am analogen Eingang des A/D-Wandlers ist kein RC-Filter erforderlich, jedoch kann ein optionaler RC-Filter zwischen dem Vorverstärkerausgang und dem ADC eingefügt werden, um externes Rauschen und Störungen weiter zu reduzieren.

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