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Verbindung zwischen Sensor und A/D-Wandler

Bild 2: Auflösung und Umwandlungsrate von Delta-Sigma- und SAR-A/D-Wandlern
(Bild: Texas Instruments)

Die gängigsten A/D-Wandler für die Frequenzen der eben beschriebenen Sensoren sind der SAR- und der Delta-Sigma-ADC. Auflösung und Umwandlungsrate beider A/D-Wandler-Bauarten sind in Bild 2 dargestellt. Delta-Sigma-Wandler, die bei niedrigeren Frequenzen bis etwa 10 kHz eingesetzt werden, sind den meisten Ingenieuren wegen ihrer extrem hohen Auflösung bekannt.

Delta-Sigma-ADCs ermitteln ihr digitales Ausgangswort durch Überabtastung des analogen Eingangssignals. Der eingangsseitige Delta-Sigma-Modulator erzeugt durch Oversampling des Analogsignals einen digitalen 1-Bit-Datenstrom. Ein digitales Filter extrahiert hieraus die Daten und wandelt sie in ein aus mehreren Bits bestehendes Ausgangswort um. Delta-Sigma-Wandler können Ausgangsworte mit Auflösungen von 16 bis 24 Bit erzeugen, was zweifellos beeindruckend ist.

Zu den Vorteilen des Delta-Sigma-Wandlers gehören die geringe Leistungsaufnahme, die extrem hohe Auflösung und die hohe Stabilität verbunden mit einem günstigen Preis. Die allgemeine Leistungsfähigkeit des Delta-Sigma-A/D-Wandler gibt den Entwicklern die Möglichkeit, die Zahl der analogen Signalaufbereitungs-Chips vor dem ADC-Eingang zu reduzieren. Als Nachteil dieses Wandlertyps ist anzuführen, dass er meist langsam ist. Bei einigen Wandlern ist die Latenz größer als null Zyklen.

Ein SAR-ADC dagegen nimmt gewissermaßen eine Momentaufnahme des analogen Signals auf. Ist die Signalprobe erfasst, ermittelt der Wandler das zugehörige digitale Ausgangswort mithilfe eines internen, iterativen Prozesses. Die Ausgangs-Auflösung eines SAR-ADC liegt in der Regel zwischen 8 und 18 Bit.

Man nutzt SAR-Wandler, deren Auflösung im mittleren bis hohen Bereich anzusiedeln ist, für mäßig schnelle Umwandlungen. Die größte Verbreitung haben SAR-Wandler in universellen Schaltungen, in denen analoge Signale zu digitalisieren sind. In ihrer Auflösung sind SAR-Wandler den Delta-Sigma-Wandlern meist unterlegen. Allerdings zeichnen sich SAR-ADCs beim Betrieb mit hoher Geschwindigkeit durch eine Latenz von null Zyklen aus (d.h. sie schwingen in einem einzigen Zyklus auf den Endwert ein). Man verwendet SAR-Wandler in vielen Datenerfassungs-Anwendungen wie etwa Regelungen, bei der Stromversorgungsüberwachung und bei der Analyse geringer bis mittlerer Frequenzen.

SAR-Wandler arbeiten mit einer Latenz von null Zyklen und erreichen eine hohe statische und dynamische Genauigkeit. Wandler dieser Art bewähren sich bestens in Low-Power-Anwendungen, denn sie fallen automatisch in eine Stromspar-Betriebsart, wenn kein analoges Signal digitalisiert wird. Die höchste Abtastrate eines SAR-Wandlers beträgt heute rund 5 MHz. Damit füllt diese Wandlerbauart hervorragend die Lücke zwischen dem Delta-Sigma-Wandler und den schnelleren Wandlertypen wie dem Pipeline-Wandler.

Welche Wandlerbauart sich für welche Anwendung eignet

Tabelle 1: Umwandlungsrate und Auflösung von SAR- und Delta-Sigma-Wandlern
(Texas Instruments)

Bei der Auswahl des richtigen ADC für die Anwendung kann Tabelle 1 hilfreich sein, in der Familien von SAR- und Delta-Sigma-Wandlern hinsichtlich ihrer Umwandlungsrate und Auflösung verglichen werden. Die maximale Umwandlungsrate der auf dem heutigen Markt angebotenen SAR-Wandler beträgt ca. 5 MSample/s und sie werden mit Auflösungen bis zu 18 Bit angeboten. Die Mehrzahl der in der gesamten Industrie eingesetzten SAR-ADCs hat Auflösungen von 8 bis 12 Bit. Die Umwandlungsrate von Delta-Sigma-Wandlern ist in der Regel kleiner als 625 KSample/s. Bei dieser Geschwindigkeit können Wandler mit einer Auflösung bis zu 24 Bit hergestellt werden. Delta-Sigma-Wandler mit Umwandlungsraten bis zu 10 MSample/s erreichen die Auflösung von 24 Bit dagegen nicht.

Tabelle 2: Ranking verschiedener Eigenschaften von SAR- und Delta-Sigma-A/D-Wandlern
(Texas Instruments)

Tabelle 2 zeigt eine Wertung der beiden Wandler-Topologien in Bezug auf Durchsatz, Auflösung, Latenz und Stromverbrauch. SAR-Wandler liegen hier hinsichtlich Durchsatz (Geschwindigkeit), Latenz, Multiplex-Fähigkeit und Stromverbrauch vorn. Die Überlegenheit des Delta-Sigma-Wandlers gegenüber dem SAR-Wandler konzentriert sich auf die Auflösung.

Literatur

[1] Baker, B.: “Temperature Sensing Technologies,” Application note (DS00679A), Microchip Technology, 1998.

[2] “Understanding data converters,” Application Report (SLAA013), Texas Instruments, 1995.

[3] Baker, B.: “A Baker's Dozen: Real analog solutions for digital designers.” Burlington, MA: Elsevier/Newnes, 2005.

* Bonnie C. Baker arbeitet als Senior Applications Engineer bei Texas Instruments in Tuscon/USA.

(ID:42242059)

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