Um maximale Performance in einem Datenerfassungssystem zu erreichen, müssen Entwickler besonderes Augenmerk auf das Rauschen, die Filterparameter und den Operationsverstärker als ADC-Treiber legen – ganz abgesehen davon, dass ein leistungsstarker A/D-Wandler-IC erforderlich. In dieser Kurzversion dieses Artikels wird das allgemeine Verfahren beschrieben. Die unter dem beigefügten PDF abrufbare deutsche Langfassung enthält diesen teilweise ergänzten Text, detaillierte technische Tabellen, darauf aufbauende genaue Berechnungsbeispiele sowie zahlreiche Abbildungen und Screenshots zum besseren Verständnis.

Abbildung 3: Dieses Histogramm zeigt das Rauschen des Datenerfassungssystems, wenn die Eingänge mit Masse verbunden sind: Es folgt einer typischen Gaußschen Glockenkurve. (Bild: Maxim Integrated)

Datenerfassungssysteme sind die Standard-Mess- und Analysegeräte für Anwendungen in den Bereichen Industrie, Medizin und Telekommunikation wie medizinische Bildgebungssysteme, Audio- und Schwingungsanalyse oder das Testen von analogen und digitalen Modulationssystemen. In den meisten Fällen wird das erfasste und digitalisierte Signal mittels FFT (Fast Fourier Transformation) verarbeitet, um die resultierende Spektralanalyse nach drei dynamischen Leistungsparametern zu quantifizieren: Signal-Rausch-Verhältnis (SNR, Signal-to-Noise-Verhältnis), störungsfreier Dynamikbereich ( SFDR, Spurious-Free Dynamic Range) und Total Harmonic Distortion (THD).

Abb. 1: Blockschaltbild des Datenerfassungssystems. Um präzise messen zu können, muss das System selbst deutlich besser sein als das zu untersuchende Signal. Maxim Integrated

Damit die entscheidenden Größen präzise gemessen werden können, muss das Datenerfassungssystem selbst deutlich besser sein als das Messsignal. Die Leistungsgrenzen des Datenerfassungssystems werden durch dessen A/D-Wandler (ADC) sowie durch den Treiber und die Spannungsreferenz des ADC gesetzt. Ein wirklich erfolgreiches System braucht jedoch mehr als nur die richtigen Komponenten.

Da leistungsstarke aktive Komponenten unverzichtbar, aber keineswegs ausreichend sind, müssen die Entwickler auch die passiven Komponenten richtig auswählen und dimensionieren, um den Designvorgaben gerecht zu werden. Bevor Sie eine endgültige Entscheidung über den Schaltplan und das Layout eines Systems treffen können, ist eine Analyse des Rauschens und der Verzerrung im System notwendig, denn nur so lassen sich die mit den ausgewählten Komponenten erreichbaren Leistungspotenziale glaubwürdig abbilden .

Gefordert war die Entwicklung eines Datenerfassungssystems mit extrem geringer Klirrfaktor, großem Signal-Rausch-Verhältnis und folgenden Eckdaten:

Abbildung 2: Ansicht des Entwicklungskits MAX11905DIFEVKIT #. Damit lassen sich die Berechnungen aus dem Artikel in der Praxis nachvollziehen. Maxim Integrated

Um diese Zielwerte (die in der als PDF-Dokument beigefügten Langfassung dieses Artikels näher spezifiziert sind) zu erreichen, wählten die Designer folgende Komponenten:

Die nächste kritische Aufgabe ist das Design eines OPV-Treiberverstärkers und eines RC-Tiefpassfilters zur Ansteuerung des ADC. Zur Anpassung an die Erfassungszeit des ADC ist es wichtig, einen Operationsverstärker mit ausreichend hoher Durchgangsfrequenz zu wählen. Außerdem muss der RC-Filter die richtige Zeitkonstante haben.

Die in der Online-Version enthaltene Berechnungstabelle für die ADC-Treiberschaltung (Tabelle 2) zeigt im Detail das schrittweise Vorgehen zur Ermittlung der minimalen Durchgangsfrequenz für den Operationsverstärker und der R- und C-Werte für den Tiefpass Filter. Operationsverstärker und RC-Tiefpass sind Teil der Treiberschaltung.

Ein leistungsstarkes Datenerfassungssystem erfordert einen Treiber-OPV mit extrem geringer Verzerrung und Rauschen. Da dieser Treiber die erste Stufe des Systems bildet, gelangen das Rauschen und alle hier erzeugten Verzerrungen zum Eingang des ADC. Um die Verzerrung des ADC gering zu halten, sollten die Verzerrungen des Treibers im Vergleich zu denen des ADC vernachlässigbar klein sein.

Abbildung 3: Dieses Histogramm zeigt das Rauschen des Datenerfassungssystems, wenn die Eingänge mit Masse verbunden sind: Es folgt einer typischen Gaußschen Glockenkurve. Maxim Integrated

Der Klirrfaktor wird normalerweise als dB-Wert mit negativem Vorzeichen angegeben. In den Datenblättern der meisten Differenz-Operationsverstärker sind nur die Verzerrungen aufgeführt, die sich aus den Oberwellen zweiter und dritter Ordnung ergeben, da diese die wichtigste Ursache für Verzerrungen sind. Der Gesamtklirrfaktor eines Treibers kann anhand der Leistung der einzelnen Oberschwingungen berechnet werden (siehe Langfassung). Obwohl das Eingangssignal des Datenerfassungssystems im Bereich von 0-20 kHz optimiert ist, ist ein Operationsverstärker mit hoher Übergangsfrequenz, Anstiegsgeschwindigkeit und niedriger Ausgangsimpedanz wichtig, um die Erfassungszeitanforderungen des ADC zu erfüllen.

Um beispielsweise einen SAR-ADC (SAR: Successive Approximation) mit einer minimalen Erfassungszeit von 100 ns bei 1,6 MSPS und einem ENOB-Wert von 16 Bit zu steuern, muss der verwendete Treiber eine Transitfrequenz von mindestens 128,5 MHz aufweisen. Mit seiner Transitfrequenz von 180 MHz erfüllt der MAX44205 diese Anforderung und empfiehlt sich aufgrund seiner besonders niedrigen Rausch- und Verzerrungswerte auch für die Anwendung.

Der RC-Tiefpassfilter zwischen dem Operationsverstärker und dem ADC hilft, den Rückschlag zu unterdrücken, der aus dem internen Abtastkondensator (CS) des ADC resultiert, und hilft auch, die Rauschbandbreite des Treiber-Operationsverstärkers zu reduzieren. Der Filter muss daher sowohl eine kurze Einschwingzeit bieten als auch die Rauschbandbreite reduzieren können.

Basierend auf dem in Tabelle 2 der Online-Version dieses Artikels verwendeten Modell betragen die berechneten CF-Werte für einen Single-Ended-Kondensator 1,9 nF und 0,95 nF für einen Differenzkondensator. Im Design wurde ein Differenzkondensator mit 1 nF verwendet. CF sollte typischerweise in einem Bereich von 10 × CS < CF < 100 × CS liegen.

Für RF errechneten die Gutachter einen Wert von ZO / 3 = 6,7 , wobei 7,5 Ω in der Bemessung verwendet wurden. RF sollte typischerweise in einem Bereich von ZO / 5 <RF <ZO liegen. Die in der Online-Version enthaltene Tabelle 3 fasst die Leistungsparameter mit den ausgewählten Komponenten der Systemsignalkette zusammen.

Die genaue Beachtung der Details und das Verständnis der Auswirkungen, die die Komponentenwerte auf die tatsächlichen Ergebnisse haben, sind unerlässlich, wenn es darum geht, das Potenzial eines hochauflösenden Präzisions-ADC voll auszuschöpfen. Wie das hier beschriebene Projekt zeigt, ist dies mit sorgfältig definierten Zielen, einer vorherigen Analyse und dem richtigen Leiterplattendesign problemlos möglich. Die deutsche Langversion dieses Artikels, deren PDF direkt hinter diesem Artikel zu finden ist, enthält verschiedene Formeln, Hintergrundinformationen und Screenshots zum besseren Verständnis.

Das Datenerfassungssystem MAX11905DIFEVKIT # wurde für dieses Experiment entwickelt und verwendet. Bild 1 zeigt das Blockschaltbild mit den Werten der passiven Komponenten, die im Interesse eines optimalen Verzerrungsverhaltens ausgewählt wurden.

Um die Leistungsfähigkeit des Designs zu verifizieren, führten die Entwickler Tests mit dem Evaluation Board durch. Das Design erreichte einen THD-Wert von -130 dB und ein Signal-Rausch-Verhältnis von 97,1 dB (bei fIN = 20 kHz und 1 MSamples/s). Tabelle 4 (siehe Langfassung) enthält weitere Ergebnisse mit den entsprechenden Zielwerten. Alle Vorgaben wurden erfüllt oder sogar übertroffen – mit Ausnahme des SNR-Wertes, der allerdings nur 0,2 dB unter dem Zielwert von 97,4 dB lag.

Es ist daher durchaus möglich, das volle Potenzial eines leistungsstarken A/D-Wandlers und der dazugehörigen Komponenten in einem Datenerfassungssystem auszuschöpfen, wenn man auf die Details achtet und versteht, wie sich die gewählten Werte der Komponenten auf das Design auswirken . Wie dieses System zeigt, ist dies jedoch bei sorgfältiger Überlegung und fundierter Schaltungsanalyse möglich.

Die DC-Leistungswerte auf den Screenshots (online verfügbar) der grafischen Benutzeroberfläche verraten das erhebliche leistungsbezogene Rauschen des Datenerfassungssystems. Bei geerdeten Eingängen betrug die effektive Auflösung 17,8 Bit bei 1,6 MSamples/s. Die einer Gaußschen Glockenkurve entsprechende Form (Abb. 3) und die geringe Standardabweichung des Histogramms sind gute Indikatoren für geringes Gleichstromrauschen.

Hier können Sie die Langfassung des Artikels in deutscher Sprache herunterladen.

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