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Schaltungstipp Masse bezogene Signale mit differenziellen ADCs einlesen

| Autor / Redakteur: Thomas Tzscheetzsch * / Kristin Rinortner

In der Praxis taucht häufig die Aufgabe auf, massebezogene Signale mit einem Analog zu Digital Wandler zu digitalisieren. Hierbei bieten die A/D-Wandler häufig nur differenzielle Eingänge an. Die Aufgabe für den Entwickler ist es nun, das Signal entsprechend zu konditionieren.

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Bild 1: Wandlung massebezogener in differenzielle Signale (gleichspannungsgekoppelt)
Bild 1: Wandlung massebezogener in differenzielle Signale (gleichspannungsgekoppelt)
(Bild: Analog Devices )

In Bild 1 ist eine Schaltung gezeigt, die ein massebezogenes Signal (unipolar oder bipolar) gleichspannungsgekoppelt in ein differenzielles Signal für den A/D-Wandler wandelt. Bei dem AD7984 handelt es sich um einen 18-Bit SAR-Wandler mit 1,33 MSample/s aus der PULSAR-Familie von Analog Devices. Der ADA4941 ist ein ADC-Treiberbaustein, der für die Wandlung massebezogener in differenzielle Signale vorgesehen ist. Der Baustein ist für A/D-Wandler bis 18 Bit geeignet und besitzt ohne externe Komponenten eine Verstärkung von 2. Neben dem ADC-Treiber kommt eine rauscharme Referenzspannungsquelle ADR435 mit einer Referenzspannung von 5 V zum Einsatz.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 22/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Der A/D-Wandler sollte bei einer Referenzspannung von 5 V mit einem differenziellen Eingangssignal von ±5 V betrieben werden, um den besten Signal-Rausch-Abstand zu erhalten. Die Spannungsverstärkung (UIN nach OUTP) wird über das Verhältnis R2 zu R1 eingestellt. Dieses Verhältnis sollte gleich dem Verhältnis von UREF zu der Spitze-Spitze-Spannung an UIN sein. Bei einer Spannung von 10 V am Eingang und UREF von 5 V ergibt sich ein Verhältnis von 0,5.

Das Signal an OUTP wird über den oberen Verstärker invertiert (Verstärkung = –1) um die Phasendrehung von 180° an OUTN zu erzeugen. Die resultierende Eingangsimpedanz der Schaltung ist abhängig von der Größe von R1.

Der Kondensator CF in der Rückkopplungsschleife sollte nach der gewünschten Bandbreite bemessen werden. Als Faustformel gilt: 1 / (2π R 2CF).

Die Kombination aus 20 Ω und 2,7 nF bildet einen Tiefpass erster Ordnung mit einer Grenzfrequenz von ca. 3 MHz.

(Gl. 1)
(Gl. 1)

Die Widerstände R3 und R4 stellen die Gleichtaktspannung für den Eingang IN– des A/D-Wandlers ein. Der Wert berechnet sich aus Gleichung 1.

wobei gilt:

Die Widerstände R5 und R6 bestimmen die Gleichtaktspannung für den Eingang IN+. Hierbei gilt Gleichung 2.

(Gl. 2)
(Gl. 2)

Die Gleichtaktspannung des A/D-Wandlers, die gleich UOFFSET1 ist, sollte etwa UREF/2 betragen, was bedeutet, dass R5 = R6 ist. Tabelle 1 (weiter unten) zeigt drei typische Konfigurationen.

Die Versorgungsspannung am ADA4941 ist mit +7,0 V und –2,0 V angegeben. Dies hat den Hintergrund, dass der volle Bereich von 0 bis +5 V abgedeckt werden soll. Die positive Versorgung sollte 1,1 V über der benötigten höchsten Eingangsspannung liegen, die negative Versorgung mindestens 0,2 V unterhalb der niedrigsten Eingangsspannung. Die 7 V werden ebenfalls von der Referenzspannungsquelle zur Versorgung benötigt.

Tabelle 1: Konfiguration für typische Eingangsspannugen
Tabelle 1: Konfiguration für typische Eingangsspannugen
(Bild: Analog Devices )

Um die maximale Genauigkeit der Schaltung zu gewährleisten, wird eine Leiterplatte mit vier Lagen empfohlen: je eine Masse- und Versorgungslage, zwei Signallagen. Alle Versorgungspins müssen gegen die Masse entkoppelt werden, am besten durch mehrlagige Keramik-Kondensatoren (MLCC) mit Werten von 0,01 bis 0,1 µF, die eine sehr geringe Induktivität besitzen sollten. //KR

* * Thomas Tzscheetzsch arbeitet als Senior Field Application Engineer bei Analog Devices in München.

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