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Sensordaten Wie Sie ein hochgenaues Datenerfassungssystem für analoge und digitale Sensoren realisieren

| Autor / Redakteur: Thomas Brand * / Kristin Rinortner

Datenerfassungssysteme müssen immer präziser arbeiten. Aber auch die Datenraten steigen. Deswegen steht der Entwickler vor der Herausforderung Signalrauschen und Drift mit hohen Wandlungs- und Übertragungsraten zu verheiraten. Wir stellen eine Möglichkeit vor, wie Sie ein hochpräzises Datenerfassungssystem für Applikationen mit extremer Genauigkeit sehr einfach realisieren können.

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Wandler: Hochpräzises Datenerfassungssystem für Applikationen mit extremer Genauigkeit realisieren.
Wandler: Hochpräzises Datenerfassungssystem für Applikationen mit extremer Genauigkeit realisieren.
(Bild: VCG )

Datenerfassungssysteme sind heutzutage ein zentrales Element, nicht nur in der Industrie. Sie werden meist dazu genutzt, verschiedene physikalische Größen wie Temperatur, Durchfluss, Füllstand oder Druck mittels entsprechender Sensoren zu messen. Die Ergebnisse werden dann in digitale Werte gewandelt und so weiter kommuniziert, dass sie sich mithilfe von Software verarbeiten lassen.

Dieser Schritt muss heute zunehmend präziser werden. Entwickler stehen daher oft der Schwierigkeit gegenüber, Signalrauschen und Drift mit hohen Wandlungs- und Übertragungsgeschwindigkeiten zu kombinieren. Dabei werden hohe Eingangsimpedanzen benötigt, um verschiedene Sensortypen mit unterschiedlichen analogen Signalausgängen anzubinden.

Ferner sollten an den Eingängen Eingangssignale gepuffert, verstärkt und Pegelanpassungen durchgeführt oder auch differenzielle Signale erzeugt werden, damit die Spannungsbereiche der A/D-Wandler-Eingänge voll abgedeckt und gleichzeitig deren Gleichtaktanforderungen (Common Mode Voltage) erfüllt werden. Dabei soll das ursprüngliche Messsignal möglichst nicht verfälscht werden.

Die Eingangsstufe ist somit einer der entscheidenden Faktoren für die Gesamtgenauigkeit der Datenerfassungssysteme. Deswegen werden eingangsseitig in der Regel programmierbare Instrumentenverstärker (PGIA) eingesetzt, deren Verstärkung über externe Widerstände eingestellt wird und deren Ausgänge direkt mit den Eingängen eines nachfolgenden A/D-Wandlers gekoppelt werden.

Traditionell haben viele PGIAs jedoch Single-Ended-Ausgänge, mit denen voll differenziell arbeitende, hochauflösende SAR-A/D-Wandler nicht direkt angesteuert werden können. Somit ist eine zusätzliche Signalaufbereitungs- bzw. Treiberstufe nötig. Die zusätzliche Treiberstufe beeinträchtigt jedoch die Leistungsfähigkeit des gesamten Datenerfassungssystems, da hierdurch weitere Fehlerkomponenten hinzukommen können. Mit der Wahl der richtigen Bauteile lässt sich jedoch trotzdem eine gute Leistungsfähigkeit erreichen, wie ich anhand der nachfolgend beschriebenen Schaltung zeigen möchte.

Datenerfassungssystem mit PGIA einfach gebaut

Bild 1 stellt eine vereinfachte Schaltung eines Datenerfassungssystems dar, das neben einem programmierbaren Instrumentenverstärker und einem SAR-A/D-Wandler (AD4020) zusätzlich eine Referenzspannungsquelle und einen Referenzpuffer mit integrierter Stromversorgung beinhaltet. Der differenzielle Ausgang des PGIA ist aus diskreten Standardkomponenten (für eine digital programmierbare Verstärkung) aufgebaut. Sie weist eine Eingangsimpedanz im GΩ-Bereich, ein Gleichtaktunterdrückungsverhältnis von mehr als 92 dB, ein niedriges Ausgangsrauschen und eine geringe Verzerrung auf. Damit eignet sie sich ohne Leistungseinbußen für die direkte Ansteuerung des SAR-ADCs.

Bild 1: Vereinfachte Darstellung eines präzisen Datenerfassungssystems.
Bild 1: Vereinfachte Darstellung eines präzisen Datenerfassungssystems.
(Bild: Analog Devices )

Der PGIA steuert den ADC AD4020 (20 Bit, 1,8 MSample/s, Low Power). Dieser bietet diverse weitere Funktionen, mit denen sich die Komplexität der kompletten Signalkette reduzieren und die Kanaldichte erhöhen lässt, ohne dessen Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen. Zu den zusätzlichen Funktionen zählt beispielsweise ein Hochimpedanz-Modus, mit dem sich ein möglicherweise nichtlinearer Eingangsstrom reduzieren lässt, gekoppelt mit einer langen Detektionsphase, wodurch sich der PGIA direkt über einen einfachen RC-Filter anbinden lässt.

Die hohe Abtastrate des AD4020 ermöglicht die präzise Erfassung von Signalen höherer Frequenzen bis mehrere hundert kHz. Zudem erlaubt sie eine Dezimierung, damit der Dynamikbereich zur präzisen Erfassung von Niederspannungssignalen erweitert werden kann. Ferner können die Anforderungen an den Antialiasing-Filter reduziert werden.

Die mit unterschiedlichen Logikpegeln kompatible SPI-Schnittstelle (1,8 V, 2,5 V, 3 V und 5 V) lässt sich vielseitig programmieren und bietet sowohl Lese- als auch Schreibfunktionen.

Tabelle 1: Eingangsspannungsbereiche des AD8250 in Abhängigkeit von der Verstärkung.
Tabelle 1: Eingangsspannungsbereiche des AD8250 in Abhängigkeit von der Verstärkung.
(Bild: Analog Devices )

Mit den in Bild 1 verwendeten Komponenten bietet die Schaltung eine Linearität (INL) von ±2 ppm, eine Offset- und Verstärkungsfehlerdrift von ±3,5 ppm/°C bzw. ±6 ppm/°C sowie eine Rauschleistung von über –115 dB bei voller Wandlungsgeschwindigkeit über den gesamten Verstärkungsbereich von 1 bis 10.

Es lassen sich sowohl bipolare als auch unipolare Single-Ended oder voll differenzielle Eingangssignale bis ±10 V auflösen. Darüber hinaus gibt es Kalibrieroptionen, mit denen Sie größerer PGIA-Bereiche nutzen können. Diese Funktion bietet eine präzise ratiometrische Leistung und vereinfacht das Systemdesign, indem sie Möglichkeiten zur Signalpufferung, -verstärkung und -dämpfung, die Gleichtaktpegelverschiebung sowie diverse andere Funktionen zur analogen Signalverarbeitung bereits beinhaltet.

Fazit: Sie können hiermit ein hochpräzises Datenerfassungssystem für Applikationen mit extremer Genauigkeit sehr einfach realisieren. Dank des hoch impedanten Eingangs und der programmierbaren Verstärkung können verschiedene Sensoren sowohl unipolar, bipolar, differenziell oder Single-Ended angeschlossen werden. Gleichzeitig lassen sich mit dieser Schaltung die Anforderungen bezüglich Drift, Offset, Linearität, SNR und Gleichtaktunterdrückung erfüllen.

Quelle: Reference Design CN-0513; 20-Bit, 1.8 MSPS, ±2.5 ppm INL, Low Drift, High Accuracy Data Acquisition Solution, abgerufen 5.3.2020

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 7/2020 (Download PDF)

* Thomas Brand arbeitet als Field Applications Engineer bei Analog Devices in München.

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