SAR-Wandler durch Delta-Sigma-Wandler ersetzen

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Daher können trotz der scheinbaren Rauscharmut solcher A/D-Wandler mit PGA die effektive Auflösung und die rauschfreie Auflösung schlechter sein als bei A/D-Wandlern ohne PGA.

Beispiel zur Berechnung von Auflösung und Rauschen

Betrachten wir ein einfaches Beispiel: Angenommen, ein 24-Bit-A/D-Wandler mit PGA habe eine Referenzspannung von 2,5 V und ein Rauschen von 70 nV_eff. Weiterhin angenommen, der Verstärkungsfaktor des PGA sei auf 128 eingestellt. Der Eingangsspannungsbereich dieses A/D-Wandlers beträgt dann ±V_REF/PGA = ±2,5 V/128 = 39,1 mV. Die effektive Auflösung beträgt daher:

log₂ V_IN/V_{eff Rauschen} = log₂ 39,1 mV/70 nV = 19,1 Bit.

Verringert man bei dem gleichen A/D-Wandler den PGA-Verstärkungsfaktor auf 1, steigt das Rauschen auf 1,53 µV_eff. Bei einem Eingangsspannungsbereich von ±2,5 V/1 = 5 V beträgt die effektive Auflösung dann 21,6 Bit. Es empfiehlt sich, im Datenblatt die Werte für den im speziellen Fall benötigten Eingangsspannungsbereich nachzulesen.

Rauschfreie Auflösung ermitteln

Zur Berechnung der rauschfreien Auflösung wird statt des Effektivwertes der Spitze-Spitze-Wert des Rauschens herangezogen. Die rauschfreie Auflösung wird ebenfalls in Bit angegeben und berechnet sich nach der folgenden Gleichung:

Rauschfreie Auflösung = log₂ (Eingangsspannungsbereich für Vollaussteuerung)/(ADC-Rauschspannung_SS).Rauschfreie Auflösung = log₂ V_IN/V_{Rauschen Spitze-Spitze}.

Die rauschfreie Auflösung wird gelegentlich auch als flickerfreie Auflösung bezeichnet. Warum? Stellen Sie sich ein 5½- oder 6½-stelliges Labor-Digitalmultimeter vor. Wenn die letzte Stelle des angezeigten Messwerts stabil ist – umgangssprachlich das Display also nicht flackert –, ist das Rauschen kleiner als die Auflösung; in diesem Fall ist der Messwert faktisch rauschfrei.

Nehmen wir an, der Scheitelfaktor des zu messenden Signals betrage 6,6; dann beträgt die Spitze-Spitze-Rauschspannung das 6,6-fache der effektiven Rauschspannung. Die effektive Auflösung ist daher um 2,7 Bit höher als die rauschfreie Auflösung. Die oben genannten Rausch- und Referenzspannungen vorausgesetzt, beträgt die rauschfreie Auflösung 18,9 Bit.

Rauschfreie Counts

Ein weiteres Maß für die Leistungsfähigkeit von A/D-Wandlern, die für hochgenaue Systeme vorgesehen sind, ist die Anzahl der rauschfreien Counts. Dies gilt insbesondere für Anwendungen wie Präzisionswaagen, die beispielsweise 50.000 rauschfreie Counts anzeigen sollen. Zur Berechnung dieses Wertes multipliziert man die rauschfreie Auflösung mit dem Faktor 2^N.

Nehmen wir einen 10 Bit A/D-Wandler als Beispiel. Gemäß der 2^N-Regel liefert ein idealer 10-Bit-ADC 2¹⁰ = 1024 rauschfreie Counts. Eine idealer 12 Bit A/D-Wandler liefert 4096 rauschfreie Counts. Der oben erwähnte, nicht-ideale 24-Bit-ADC liefert 2^18,9 = 489178 rauschfreie Counts.

Artikelfiles und Artikellinks

Link: A/D-Wandler bei maxim

Link: Artikelserie Rauschen

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