Im Mikrocontroller integrierten A/D-Wandler ersetzen

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Asymmetrische oder differenzielle Varianten eines A/D-Wandlers

Viele Sensoren erzeugen ein analoges Ausgangssignal, das sich auf Masse bezieht und gemessen werden muss. Für diese Art von Sensoren eignet sich ein asymmetrischer A/D-Wandler am besten. Dies ist auch die Architektur, die im LTC2460 verwendet wird. Die unsymmetrische Eingangsspannung kann zwischen 0 und 1,25 V schwingen (dem Wert der internen Referenzspannung). Deshalb lässt sich die Größe des LSB nach folgender Formel berechnen:

LSB = V_REF / 2N = 1,25 V / 65,536 = 19,1 V

Im Gegensatz dazu geben andere Sensoren eine differenzielle Spannung ab und benötigen deshalb einen A/D-Wandler mit einem differenziellen Eingang. Der LTC2462 ist die Variante des LTC2460 mit differenziellem Eingang und weist die gleiche integrierte Präzisionsreferenz im selben 3 mm x 3 mm DFN-12 oder MSOP-12 auf. Der LTC2462 misst Eingangsspannungen über einen Bereich von ±1,25 V, was bedeutet, dass IN+ zwischen Masse und 1,25 V variieren kann, wobei IN– auf Masse gelegt ist. Obwohl der A/D-Wandler einen bipolaren differenziellen Eingang messen kann, müssen sowohl IN+ als auch IN– für genaue Messungen auf oder über Masse liegen, da diese A/D-Wandler nur eine Versorgungsspannung haben. Beide A/D-Wandler kommunizieren über ein einfaches SPI-Interface, das Zwei-, Drei- oder Vierdraht-Logik benutzen kann.

Spezielle Delta-Sigma-Wandler reduzieren Eingangsströme

Beide Bausteine benutzen ein Eingangsabtastschema, bei dem hohe Impedanzen digitalisiert oder ein RC-Filter an den analogen Eingang hinzugefügt werden kann. Einen technischen Durchbruch dieser Delta-Sigma-Architektur stellt das proprietäre Schaltschema des Modulators dar, das den durchschnittlichen Eingangsstrom um Größenordnungen im Vergleich zu A/D-Wandlern mit ähnlichen Spezifikationen reduziert. Gewöhnlich erzeugt ein RC-Filter Offset- und Verstärkungsfehler, weil der mittlere Eingangsstrom des A/D-Wandlers durch den Widerstand fließt. Der sehr kleine durchschnittliche Abtaststrom von 50 nA der hier beschriebenen A/D-Wandler generiert einen Fehler unter 1 LSB mit einem 1-kOhm/0,1-µF-Filter. Dieses Filter ist mehr als ausreichend um das Breitbandrauschen der meisten aktiven Bausteine zu begrenzen, die den A/D-Wandler treiben und es verhindert auch, dass Spitzen im Abtaststrom vom Modulator die Quelle beeinflussen.

Beispiel für eine Temperaturerfassung

Die Temperatur ist der am häufigsten gemessene Parameter auf der Welt. Temperatur kann auf viele verschiedene Arten gemessen werden: Zum Beispiel die Temperatur auf einer Leiterplatte, um sicher zu stellen, dass keines der darauf befindlichen Bauteile überhitzt, die Umgebungstemperatur auf einem Automobildisplay oder die Temperatur einer Wetterstation zu Hause. Eine gängige Methode für die Temperaturmessung, ist die mithilfe von Thermistoren. Diese Variante ist gut geeignet für ausreichend genaue Messungen. Für höhere Genauigkeiten können Entwickler auch Thermokoppler und Widerstandthermometer (RTD) verwenden.

Der LTC24602 ist eine einfache, kleine und preiswerte Lösung für das akkurate Messen der Spannung an einem Thermistor. Bild 2 zeigt ein Beispiel mit symmetrischen Widerständen, um die Gleichtakteingangsspannung entsprechend einzustellen und den Widerstand der differenziellen Eingangsquelle auszugleichen. Sind die 51,1-kOhm-Widerstände alle exakt gleich groß, ist die Eingangsspannung gleich Null und es treten keine Fehler auf. Wenn diese Widerstände eine 1%ige Toleranz aufweisen, beträgt der maximale Fehler des gemessenen Widerstands 1,6 Ohm wegen der Verschiebung der Gleichtaktspannung – das ist weit weniger als der 1%ige Fehler der Referenzwiderstände selbst.

Durch die kleinen Abmaße und die geringe Verlustleistung ist der LTC2462 gut für den Einbau in kompakte, tragbare Temperatursensoren, wie z.B. die Sensoren für Wetterstationen, geeignet. Die Bausteine LTC2460 und LTC2462 ziehen typischerweise 1,5 mA, wenn sie mit ihrer maximalen Abtastrate von 60 Hz arbeiten. Für weitere Energieeinsparungen kann man über das serielle Interface den A/D-Wandler in einen Abschaltmodus versetzen, was den Stromverbrauch an einer 5,5 V-Versorgung auf 230 nA senkt (Bild 3). Dies ist eine Schlüsselfunktion für einen tragbaren Temperatursensor, der die meiste Zeit seines „Lebens“ im Standby-Modus verbringt. Mit einem derart geringen Abschaltstrom kann der Temperatursensor wesentlich länger mit demselben Satz an Batterien arbeiten.

Beispiel für eine spannungsseitige (High-side) Strommessung

Eine weitere Applikation, die immer mehr an Popularität gewinnt, ist die Strommessung, besonders auf dicht mit IC bestückten Baugruppen. Um den Strom zu messen, wird ein Messfühler direkt in Reihe mit dem Strompfad geschaltet und ein Verstärker trennt und verstärkt die Spannung an diesem Widerstand (VSENSE).

Moderne Verstärker, die speziell für das Erfassen des Stroms optimiert sind, werden in vielen Applikationen verstärkt eingesetzt, von der Automobil- bis zu Industrieelektronik und von der Kommunikationstechnik bis zur Computertechnik.

Der Ausgang des Messfühlerverstärkers generiert einen Strom, der proportional zur Spannung am Fühlerwiderstand ist. Hier kann man den Ausgangsstrom des Verstärkers messen, indem man einen Widerstand mit Masse verbindet und die Spannung an diesem mit einem A/D-Wandler misst. Bild 4 zeigt ein detailliertes Beispiel mit dem Strommessfühler ohne Drift LTC6102 und dem unsymmetrischen A/D-Wandler LTC2460. Der LTC6102 generiert einen maximalen Strom von 1 mA an seinem OUT-Pin, der dann in eine Spannung am 1-kOhm-Widerstand umgewandelt wird, der an Masse liegt. Damit kann der LTC2460 eine Eingangsspannung von 0 bis 1 V messen, wozu er 80% der Eingangsauflösung des ADC nutzen kann, um den Laststrom präzise zu überwachen.

Der LTC6102 ist ein Präzisions-Strommessfühler, der eine Eingangs-Offsetspannung von maximal 10 µV, eine Eingangs-Offset-Drift von 50 nV/°C (maximal) und einen geringen Eingangs-Bias-Strom von 3 nA (maximal) hat. Obwohl der Verstärker einen großen Eingangsbereich von 4 bis 60 V für Strommessungen auf der Spannungsseite hat, kann er aufgrund von VOS und Drift den Strom an Versorgungen mit kleinerer Spannung präzise erfassen.

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