Was Datenblätter über einen A/D-Wandler verraten und was nicht

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Das Thermometer soll Temperaturänderungen in Schritten von 0,1 °C, dies entspricht dem LSB des Systems, über einen Bereich von 0 bis 500 °C erfassen. Die entsprechende Widerstandsänderung über den Gesamtbereich beträgt 192,5 Ω. Die auf dieser Widerstandsänderung beruhende Spannungsänderung würde bei 192,5 mV liegen.

Daraus folgt: Dynamikumfang = Maximales Eingangssignal / Größe des LSB = 192,5 mV/38.5 µV = 5000 Ein 13-Bit A/D-Wandler sollte diesen Anforderungen genügen.

Die am Thermowiderstand anliegende Spannung variiert zwischen 100 und 292,5 mV. Damit man die einem LSB entsprechende Eingangsspannung mit einem SAR A/D-Wandler erfassen kann, müsste man das Eingangssignal mit einem Verstärker anheben, um in einen Bereich zu kommen, den ein A/D-Wandler in der Praxis unterstützen kann. Nehmen wir an, wie bauen einen Verstärker mit einer festen Verstärkung von 17 ein. Mit diesem liegt der Spannungsbereich nun zwischen 1,7 und 4,92 V. Wie schon oben erklärt (Bild 2 gezeigt), reizt man mit diesem Ausgangsspannungsbereich den A/D-Wandler nicht aus und limitiert somit den Dynamikumfang.

Da in dieser Anwendung die Größe des LSB eine Hauptrolle spielt und wir einen typischen A/D-Wandler mit einer Spannung von 5 V bei vollem Signal einsetzen wollen, benötigen wir einen Wandler mit ENOB [Effective Number of Bits] = 1,44 * ln [Max. Eingangsspannung/LSB] = 1,44 * ln[5 V/38,5 µV] = 17 Bit.

Ein guter Sigma-Delta ADC sollte diese Leistungsdaten liefern können. Man beachte, dass eine 13-Bit-Anwendung nicht immer einen 13-Bit Wandler benötigt.

Stromzähler:Stromzähler werden heutzutage immer intelligenter und benötigen immer häufiger eine hohe Genauigkeit über einen weiten Dynamikumfang, da alle Ungenauigkeiten bei der Messung für den Energieversorger in signifikanten Verlusten resultieren könnten.

Für einen typischen Zähler der Klasse 1 mit einem Dynamikumfang von 2000:1 würde das kleinste zu messende Signal bei 0,5 mV liegen, wenn man eine Maximalspannung von 1 V zugrunde legt.

Der maximal tolerierbare Fehler für den Stromzähler liegt typischerweise bei 0,1% des gemessenen Parameters über den spezifizierten Dynamikumfang. Fehlertoleranz = 0,1% von 0,5 mV = 500 nV.

Daher beträgt das kleinste zu messende Signal 500 nV. Das System muss 500 nV aus 1 V auflösen können, wozu man einen A/D-Wandler mit 1 V/500 nV = 2 x 10⁶ Quantisierungsstufen benötigen würde. Dies würde einen A/D-Wandler mit 21 Bit ENOB voraussetzen. Einen wichtigen Punkt gibt es hier zu beachten: ein 21-Bit Universal-ADC genügt diesen Anforderungen nur dann, wenn er besonders rauscharm ist und Spannungen bis herunter zu 500 nV auflösen kann. Dieses spezielle Beispiel gilt nur für die Spannungsmessung in Stromzählern. Wir wollen es hier nur erwähnen: die Strommessung in Elektrozählern unterliegt noch schärferen Anforderungen als die Spannungsmessung.

* *Mohit Arora...Mohit Arora ist System Architect in der Freescale Semiconductor Microcontroller Solutions Group. Seine derzeitigen Schwerpunkte sind Energie / Utility Metering Markt. Seit seinem Eintritt bei Freescale im Jahr 2005 betreute er die Microcontroller-Designs für Industrie, Automotive und weitere Märkte. Zuvor arbeitete Arora bei Agilent Technologies und als Design Engineer bei ST Microelectronics. Er erwarb einen Bachelor-Abschluss in Elektronik und Nachrichtentechnik an der Delhi University, Indien. mohit.arora@freescale.com.

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