A/D-Wandler Im Mikrocontroller integrierten A/D-Wandler ersetzen

Die in eine MCU integrierten A/D-Wandler weisen meist eine schlechte Leistungsfähigkeit auf. Im Artikel wird eine Möglichkeit beschrieben, wie man echte 16-Bit-Fähigkeiten mit einem externen ADC erzielt.

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Moderne Mikrocontroller vereinen zahlreiche Funktionen wie zum Beispiel digitale Taktgeber, Timer, Speicher und Register. Diese Mikrocontroller „pressen“ einen großen Funktionsumfang auf eine kleine Fläche zusammen. Einige enthalten sogar A/D-Wandler zum Messen analoger Signale.

Unglücklicherweise sind diese integrierten A/D-Wandler häufig erst ein nachträglicher Einfall und werden in der Fertigung des digitalen Mikrocontrollers noch hinzugefügt. Derartige 16-Bit-A/D-Wandler liegen in ihrer effektiven Leistung dann meist näher an 10 oder 12 Bit.

Warum ADC im Mikrocontroller keine 16-Bit-Auflösung bringen

Eine Ursache für diese schlechte effektive Leistungsfähigkeit besteht darin, dass Masse und die negativen Versorgungsspannungen für den A/D-Wandler in der Regel aus demselben verrauschten Träger gespeist werden, der auch den Rest des Mikrocontrollers versorgt. Diese Mikrocontroller sind aufgrund ihrer digital optimierten Prozesse nicht unbedingt für analoge Messungen geeignet und der A/D-Wandler wurde häufig nachträglich eindesignt.

Innerhalb des Mikrocontrollers gibt es deshalb kein optimales Routing, das für eine gute DC-Leistung des A/D-Wandlers sorgt.

Die Auflösung von 10 Bit des in den Mikrocontroller eingebetteten A/D-Wandlers mag für einen schnellen Check der Versorgungsspannung, Temperatur oder des Laststroms ausreichend sein. Für Anwendungen, die eine höhere Genauigkeit erfordern, bietet Linear Technology einen A/D-Wandler mit echter 16-Bit-Auflösung und einer integrierten Referenz mit einem maximalen Temperaturkoeffizienten von 10 ppm/°C an, der den Platzbedarf nur geringfügig erhöht.

16-Bit-A/D-Wandler mit interner Referenz im kleinen Gehäuse

Mit dem A/D-Wandler LTC2460 lässt sich der in den Mikrocontroller eingebettete A/D-Wandler einfach ersetzen. Der 16-Bit-Wandler ist lieferbar in einem 3 mm x 3 mm DFN-Gehäuse (auch im 12 Pin MSOP) und bietet eine sehr gute analoge DC-Leistung. Linearität, Offset-Fehler und Verstärkungsfehler sind getestet und werden über den industriellen Temperaturbereich von – 40 bis 85 °C garantiert.

Der Delta-Sigma-A/D-Wandler hat einen typischen integralen Nichtlinearitätsfehler (INL = intergral nonlinearity error) von 1 LSB, was 19 µV, basierend auf der 16 Bit Auflösung des Bausteins entspricht. Der maximale INL-Fehler liegt bei 10 LSB (190 µV) und der maximale Verstärkungsfehler bei 0,25%. Beide werden über den vollen Temperaturbereich garantiert. Das Rauschen wird mit 2,2 µV_eff angegeben.

Integrierte Präzisionsreferenz mit 2 ppm/°C

In dem 9 mm² großen Gehäuse ist eine interne 1,25-V-Präzisionsreferenz integriert, die den analogen Vollausschlagbereich für den Chip definiert. Der Temperaturkoeffizient der integrierten Referenz beträgt typisch 2 ppm/°C, maximal 10 ppm/°C. Der maximale Fehler der Referenz wird mit ±3 mV über den vollen Betriebstemperaturbereich angegeben. Bild 1 zeigt die Drift der Referenz über die Temperatur.

Alle A/D-Wandler nutzen die Referenzspannung, um den maximalen Eingangsspannungsbereich einzustellen. Die Genauigkeit der analogen Eingangsmessung ist abhängig von der Qualität der Referenz.

Driftet die Referenz über die Zeit oder die Temperatur oder besitzt sie eine schlechte Anfangsgenauigkeit, ist es schwierig, konsistente, genaue Messwerte vom A/D-Wandler zu erhalten.

Viele A/D-Wandler weisen keine integrierte Referenz auf oder diese ist nicht genau genug. Das Hinzufügen einer externen Referenz vergrößert die Gesamtlösung und erhöht die Anzahl der IC, die für das Design qualifiziert werden müssen.

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