Schaltungstipp

Datenerfassungssystem mit 16 Kanälen und 18-Bit-Auflösung

| Autor / Redakteur: Willie Yue * / Kristin Rinortner

Bild 1: Schaltung zur mehrkanaligen Datenerfassung (nicht alle Komponenten, Verbindungen und Entkopplungen sind dargestellt)
Bild 1: Schaltung zur mehrkanaligen Datenerfassung (nicht alle Komponenten, Verbindungen und Entkopplungen sind dargestellt) (Bild: Analog Devices)

In diesem Tipp stellen wir ein mehrkanaliges Datenerfassungssystem vor, das auf kurze Umschaltzeiten zwischen den Signalpegeln optimiert ist.

Bei der Schaltung in Bild 1 handelt es sich um ein mehrkanaliges Datenerfassungssystem, das sich für industrieübliche Signalpegel eignet und auf kurze Umschaltzeiten zwischen den Kanälen optimiert ist. Das System kann 16 massebezogene oder acht differenzielle Eingangssignale mit einer Auflösung bis zu 18 Bit verarbeiten. Ein einzelner Kanal kann mit bis zu 1,33 MSample/s und 18-Bit-Auflösung abgetastet werden. Eine Kanal/Kanal-Umschaltung mit 250 kHz zwischen allen Eingangskanälen und 16-Bit-Auflösung ist möglich.

Die Signalverarbeitung bietet in Verbindung mit einem einfachen 4 Bit Aufwärts-/Abwärtszähler eine einfache und kostengünstige Möglichkeit um ein Umschalten zwischen den Kanälen ohne FPGA, CPLD oder einen schnellen Prozessor zu realisieren. Der Zähler lässt sich so programmieren, dass er aufwärts oder abwärts zählt, um Kanäle sequenziell abzutasten. Alternativ kann man zur Abtastung eines Kanals ein festes binäres Wort in den Zähler laden.

Der Multiplexer ADG5208 schaltet einen von acht Eingängen auf einen gemeinsamen Ausgang. Dies wird über die 3-Bit-Adressleitungen festgelegt. Im ADG5236 sind zwei unabhängig wählbare SPDT-Schalter (Single-Pole/Double Throw) enthalten. Zwei Multiplexer des Typs ADG5208 ermöglichen zusammen mit einem ADG5236 den Anschluss von 16 massebezogenen oder acht differenziellen Kanälen an die Signalkette. Dabei wird ein digitales Steuersignal mit 4 Bit verwendet. Das 4-Bit-Signal wird von einem 4-Bit-Aufwärts-/Abwärts-Zähler erzeugt. Dieser wird vom gleichen Signal getriggert, das für den Eingang CNV (Convert) zum 1,33 MSample schnellen 18-Bit-A/D-Wandler AD7984 verwendet wird.

Der Operationsverstärker AD8065 mit JFET-Eingang bietet eine Bandbreite von 145 MHz und ist als Spannungsfolger konfiguriert, um eine ausgezeichnete Einschwingzeit sowie eine sehr hohe Eingangsimpedanz zu erreichen.

Der differenzielle Funnel-Verstärker AD8475 mit integrierten Präzisionswiderständen stellt die Dämpfung präzise ein (um 0,4× oder 0,8×), führt die Gleichtakt-Pegelanpassung und Wandlung von massebezogenen in differenzielle Signale durch und verfügt über einen Überspannungsschutz. Aufgrund seiner kurzen Einschwingzeit (50 ns auf 0,001%), seines geringen Rauschens (10 nV/√Hz) eignet sich der AD8475 gut zum Treiben von A/D-Wandlern mit differenziellen 18-Bit-Eingängen bei Abtastraten bis 4 MSample/s. Der für diese Schaltung gewählte 18-Bit-A/D-Wandler AD7984 aus der PulSAR Familie bietet beim Abtasten eines Kanals eine Auflösung von 18 Bit bei einer Datenrate von 1,33 MSample/s.

Das über Multiplexer angelegte Eingangssignal besteht in der Regel aus großen Spannungssprüngen, wenn zwischen Kanälen umgeschaltet wird. Im ungünstigsten Fall kann der Spannungssprung so groß sein wie der gesamte Eingangsbereich. Von einem großen Spannungssprung in kurzer Zeit auf hohe Genauigkeit einzuschwingen ist eine enorme Herausforderung für die analoge Signalkette.

Die maximale Einschwingzeit, welche für die analoge Signalkette zur Verfügung steht, wird auf Basis einer Timing-Analyse berechnet. In die Berechnung fließen die Zeitverzögerung durch digitale Komponenten und Multiplexer ein. Die Einschwingzeit der gesamten Signalkette wird durch eine Simulation abgeschätzt und mit dem Evaluation Board EVAL-CN0269-SDPZ überprüft.

* Willie Yue arbeitet als Applikationsingenieur bei Analog Devices in Peking, China.

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