Analog Tipp Passive Bereichsanpassung für Wandlereingang

Viele A/D-Wandler (ADC) wie die der AD7466-Familie mit 8, 10 und 12 Bit Auflösung werden in einem winzigen Gehäuse angeboten und besitzen keinen eigenen Referenzspannungseingang. Um ratiometrisch...

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Viele A/D-Wandler (ADC) wie die der AD7466-Familie mit 8, 10 und 12 Bit Auflösung werden in einem winzigen Gehäuse angeboten und besitzen keinen eigenen Referenzspannungseingang. Um ratiometrisch messen zu können und die Anzahl der Anschlussbeinchen niedrig zu halten, wird die Versorgungsspannung gleichzeitig als Referenzspannung verwendet. Der Eingangsspannungsbereich wird daher durch die Versorgungsspannung, die beim AD7466 zwischen 1,6 und 3,6 V spezifiziert ist, bestimmt. Für 3 V Versorgungsspannung beträgt der Eingangsspannungsbereich 0 bis 3 V. Liefert ein Sensor ein bipolares Ausgangssignal von beispielsweise 65 V, so soll es der Entwickler mit dem geringstem Aufwand an den Eingang von 0 bis 3 V anpassen können. Mit der dargestellten Schaltung kann ein bipolares Signal in ein unipolares Signal gewandelt und gedämpft werden. In fünf Schritten wird die Schaltung dimensioniert: Der Eingangswiderstand soll größer 2 K-OHM sein, womit R1 einen Wert von 2 K-Ohm bekommt. Für die niedrigste Spannung von U1 und U3, in diesem Fall ]5 und 0 V, wird der Widerstand R2 berechnet mit: R2 = R1 (U2 ] U3) / (U3 ] U1) = 2K (3 V ] 0 V) / (0 V ] (]5 V)) = 1,2 K-Ohm. Nun wird die Spannung U3’ für den maximalen Wert von U1 (5 V) berechnet:U3´ = (U1 x R2) / (R1 + R2) + (U2 x R1) / (R1 + R2) = (5 V x 1,2 K-Ohm) / (2 K-Ohm + 1,2 K-Ohm) + (3 V x 2 K-Ohm) / (2 K-Ohm + 1,2 K-Ohm) = 3,75 V. Am unbelasteten Ausgang des Spannungsteilers R1 und R2 liegt die Spannung U3’ = 3,75 V mit einer Quellenimpedanz von Rp. ?Es wird der Parallelwiderstand Rp von R1 und R2 bestimmt:Rp = (R1 ? R2) / (R1 + R2) = (2 K-Ohm x 1,2 K-Ohm) / (2 K-Ohm + 1,2 K-Ohm) = 0,75 K-Ohm. Mit dem Widerstand R3 wird die Spannung U3’ = 3,75 V auf den gewünschten Wert von 3 V (U3) geteilt. IR3 = (U3´ ] U3) / Rp = (3,75 V ] 3 V) / 0,75 K-Ohm = 1 mA. Daraus ergibt sich R3 = 3 V / 1 mA = 3 K-Ohm. Mit den errechneten Werten R1 = 2 K-Ohm, R2 = 1,2 K-Ohm und R3 = 3 K-Ohm ist die Anpassung von 65 V auf 0 bis 3 V durchgeführt. Wird der nicht gepufferte Eingang des 12-Bit-Wandlers AD7466 mit dieser Schaltung betrieben, so ist die Quellenimpedanz zu beachten ] bestimmt von dem Widerstand aus der Parallelschaltung von R1, R2 und R3. In diesem Fall beträgt sie 600 Ohm. Mit zunehmender Quellimpedanz wird beim AD7466 der Klirrfaktor und der Signal-Rauschabstand schlechter. Bei 80 KHz Eingangsfrequenz und 0 Ohm Quellimpedanz beträgt der Klirrfaktor ]83 dB, bei 600 Ohm Quellimpedanz beträgt der Klirrfaktor bereits ]80 dB. Wird die Schaltung niederohmiger dimensioniert, sinkt jedoch der Eingangswiderstand und die Verlustleistung steigt an. Für A/D-Wandler, die eine sehr niederohmige Signalquelle benötigen, kann die Spannung U3 zum Beispiel mit dem AD8515, einem 1,8-V-Rail-to-Rail-OP, gepuffert werden.

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