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24-Bit-Datenerfassungssystem mit 250-kSa/s-Abtastrate für industrielle Signalpegel : Ausgabe 16/2014, 04.09.2014

Schnelles und hochauflösendes Sampling

Beim Sampling von Signalen mit industriellen Pegeln ist es besonders wichtig, dass die Informations- umsetzung schnell und mit hoher Auflösung vor sich geht. Ein 24-Bit-Datenerfassungssystem mit einer Abtastrate von 250 kSa/s von Analog Devices entspricht diesen Anforderungen.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Die höchste Auflösung von gebräuchlichen Analog-Digital-Umsetzern (ADC) mit Abtast-raten von bis zu 500 kSa/s liegt derzeit in etwa zwischen 14 und 18 Bit. Aber derartige Auflösungswerte reichen in so manchen Fällen nicht mehr aus. Analog Devices hat diese Lücke mit einem System geschlossen, das 24 Bit Auflösung mit einem Delta-Sigma- (Δ-)ADC bietet, und zwar mit einer Samplingrate von 250 kSa/s. Das System benötigt zudem nur eine Versorgungsspannung und ist damit für die Erfassung industrieller Signale optimiert.

Differenzielle Verstärker sorgen für hohe Performance

Jeder der zwei differenziellen oder vier pseudo-differenziellen Datenkanäle lässt sich mit einer Rate von bis zu 50 kSa/s abtasten, wobei eine rauschfreie Code-Auflösung von 17,2 Bit gegeben ist. Damit löst dieses System die üblichen Probleme beim Erfassen und bei der Digitalisierung der standardisierten indus-triellen Signalpegel von ±5, ±10 und 0 bis 10 V mit präzisen ADCs.

Nicht nur die niedrige Versorgungsspannung, sondern in erster Linie die speziellen differenziellen Verstärker mit ihren durch Laser abgeglichenen Widerständen, die die Dämpfung und Pegelverschiebung durchführen, sorgen für die hohe Performance. Bevorzugte Anwendungsbereiche für das ADC-System sind beispielsweise Prozesssteuerungen (PLC/DCS-Module), medizinische und wissenschaftliche Mehrkanalinstrumentierungen und die Chromatografie.

Funnel-Verstärker schwächt Eingangssignale präzise ab

Die industriellen Signalpegel sind an den präzisen, differenziellen Funnel-Verstärker angelegt, der die Eingangssignale um den Faktor 0,8 oder 0,4 mit seinen integrierten präzisen Widerständen abschwächt. Die Widerstände unterstützen unsymmetrische Eingangssignale bis zu ±12,5 V, sofern man den AD 8475 mit einer Verstärkung von 0,4 an einer Versorgungsspannung von 5 V betreibt. Der Überspannungsschutz geht bis ±15 V.

Die Linearität der Kombination aus AD 8475 und AD 7176-2 ergibt sich, wenn sich das Eingangssignal (mit einer Verstärkung von 0,4) in einem Eingangsspannungsbereich von ±10 V befindet. In diesem Fall schwingt der Ausgang des AD 8475 zwischen 0,5 und 4,5 V. In Bild 1 wird die Gleichtaktspannung dadurch gesetzt, dass die 2,5-V-REFOUT-Spannung vom AD 7176-2 ADC an den VOCM-Anschluss des AD 8475 angelegt ist.

RMS-Rauschen beträgt rund 30 µV

Der Ausgang des Verstärkers AD 8475 ist mit einem RC-Filternetzwerk verbunden, das die differenzielle und Gleichtaktmodus-Rauschfilterung vornimmt. Das Filter liefert auch die dynamische Ladung, die die Eingangs-Sampling-Kondensatoren des AD 7176-2 benötigen. Das effektive RMS-Rauschen des gesamten Systems mit geerdeten Eingängen beträgt bei einer Datenrate von 250 kSa/s etwa 30 µV (Bild 2).

Applikationsbericht: 16_14.01.pdf

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Bild 1: Vereinfachte Darstellung des Datenerfassungssystems


Bild 2: RMS-Ausgangsrauschen im Verhältnis zur Ausgangsdatenrate