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Analogtipp SAR- statt Sigma/Delta-ADC für hohen Dynamikbereich wählen

| Autor / Redakteur: Maithil Pachchigar * / Kristin Rinortner

SAR- und Sigma/Delta-ADC haben jeweils eigene Vor- und Nachteile. Somit müssen Entwickler von Datenerfassungssystemen stets Kompromisse hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Geschwindigkeit, Platzbedarf, Leistungsaufnahme und Kosten eingehen. Wir geben einige Hilfestellungen.

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Bild 1: Überabtastung eines Nyquist-Wandlers
Bild 1: Überabtastung eines Nyquist-Wandlers
(Bild: VBM-Archiv )

Die Signalerfassung in Geräten der Industrie, Mess- und Medizintechnik muss einen hohen Dynamikbereich aufweisen und genaue Messungen ermöglichen. Der Dynamikbereich eines A/D-Wandlers lässt sich mit einem zusätzlichen programmierbaren Verstärker oder durch mehrere parallel geschaltete A/D-Wandler erhöhen. Dabei wird mit digitaler Nachverarbeitung der Mittelwert des Messergebnisses gebildet.

Diese Methoden können sich jedoch aufgrund von Vorgaben hinsichtlich Energieverbrauch, Platzbedarf und Kosten als weniger praktikabel erweisen. Mit Überabtastung (Oversampling) kann ein A/D-Wandler einen hohen Dynamikbereich bei geringen Kosten erreichen. Zugleich lassen sich Platzbedarf, Wärmeentwicklung und Leistungsaufnahme verringern.

Beim Überabtasten wird das Eingangssignal mit einer wesentlich höheren als der Nyquist-Frequenz (doppelte Signalbandbreite) abgetastet, um das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) und die effektive Bitzahl (ENOB) zu erhöhen. Bei Überabtastung eines A/D-Wandlers wird das Quantisierungsrauschen so verteilt, dass sich sein größter Teil außerhalb der zu interessierenden Bandbreite befindet. Daraus resultiert ein erhöhter Dynamikbereich bei niedrigen Frequenzen.

Das Rauschen außerhalb der interessierenden Bandbreite lässt sich mit digitaler Nachverarbeitung eliminieren (Bild 1). Das Oversampling-Verhältnis (OSR) beschreibt den Quotienten aus Abtastrate und Nyquist-Frequenz. Die Verbesserung des Dynamikbereichs (ΔDR) aufgrund von Oversampling ist ΔDR = log2 (OSR) × 3 dB. Zum Beispiel ergibt sich bei einer Überabtastung des A/D-Wandlers mit Faktor 4 ein um 6 dB größerer Dynamikbereich oder ein zusätzliches Bit an Auflösung.

Die Möglichkeit zum Oversampling ist im Prinzip in den meisten Sigma/Delta-A/D-Wandlern mit integrierten Digitalfiltern enthalten. Die Modulator-Taktfrequenz ist normalerweise 32 bis 256 Mal höher als die Signalbandbreite. Der Einsatz von Σ/Δ-A/D-Wandlern ist jedoch auf Anwendungen begrenzt, die kein schnelles Umschalten zwischen Eingangskanälen verlangen.

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