Auf welche Weise Entwickler von Analog zu Digital wandeln können

Überall da, wo es notwendig ist, hochempfindliche Analogsignale von etwa analogen Sensoren zu verstärken und in Digitalsignale umzuwandeln, kommen Analog-Front-Ends (AFE) zum Einsatz. Das AFE von JRC vereint mehrere Funktionen in einem Baustein: Das sind ein programmierbarer Instrumentierungsverstärker mit zwei voll-differenziellen Eingängen, ein Sigma-Delta-basierender A/D-Wandler (ADC), eine digitale Schnittstelle zur Kommunikation mit der MCU sowie ein Konfigurationsregister.

Mit hoher differenzieller und integraler Linearität verarbeitet das AFE nahezu jedes analoge Signal im µV- oder mV-Bereich mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und niedrigen Klirrverzerrungen. Damit eignet es sich für Anwendungen im Bereich Embedded und IoT wie beispielsweise in der Druck-Sensorik oder Batteriediagnose bei kleinsten Signalen im AC-Bereich wie gleichspannungsfreien Signalen in der AC-Impedanzmessung.

Anforderungen an die Analog-Front-Ends

Operationsverstärker (OPs), die in Analog-Front-Ends zum Einsatz kommen, sollten immer über die folgenden Parameter verfügen:

• eine niedrige Offsetspannung: Offset und Offsetdrift verstärken nichtlineare Spannungsanteile im Ausgang des OPs und verfälschen so das verstärkte Signal
• geringes Spannungsrauschen: Die Rauschspannung pro Hertz hängt von der Bandbreite des Signals ab (nV/√(Hz)); auch sie wird mit dem Signal verstärkt
• hohe Gleichtaktunterdrückung (CMRR, Common Mode Rejection Ratio), um elektrische Störsignale auf beiden Signaleingängen des OPs zu unterdrücken, sodass sie das Messsignal nicht beeinflussen
• Rail-to-Rail im Ein- und Ausgang (RRIO, Rail-to-Rail-Input and -Output), vor allem in Schaltungen mit kleinen Versorgungsspannungen, um den maximalen Störspannungsabstand zu erhalten und so Eingangssignale fehlerfrei bis zur negativen oder positiven Versorgung zu übertragen

Man unterscheidet prinzipiell drei Topologien für Operationsverstärker:

• Der nichtinvertierende Verstärker ist die simpelste Form eines OPs. Sein einfacher Aufbau geht mit einem geringen Bauteilbedarf und einer niedrigen Leistungsaufnahme einher. Problematisch ist jedoch, dass nichtinvertierende Verstärker auch Gleichtaktsignale sowie Rauschen am Eingang des OPs verstärken. Im Industriebereich können Störungen und Rauschen so erheblich sein, dass sie das Nutzsignal überlagern. Deshalb empfiehlt es sich, ein Filter zu verwenden, das die Signalanteile unterdrückt, die an beiden OP-Eingängen liegen.
• Der Differenzverstärker verstärkt nur das Eingangssignal und blockiert im Gegensatz zum nicht invertierenden Verstärker die Gleichtaktsignale. Durch die differenzielle Signalverarbeitung lässt sich eine höhere Störunterdrückung erreichen, jedoch ist die Gleichtaktunterdrückung bei höheren Störfrequenzen nicht befriedigend. Zudem erfordert die Schaltung exakt angepasste Widerstände mit einer Toleranz 0,1 Prozent und besser. Ist dies nicht der Fall, arbeiten die Eingänge mit unterschiedlicher Verstärkung, sodass sich die Gleichtaktunterdrückung signifikant verschlechtert.
• Der Instrumentationsverstärker mit drei OPs vermeidet die Nachteile der anderen beiden Topologien. Hohe Eingangsimpedanzen sowie die zwei Verstärkungsstufen sorgen für eine verbesserte Gleichtaktunterdrückung. Doch auch dieser Aufbau bringt Nachteile mit sich: Der erhöhte Energieverbrauch macht das System vor allem für Low-Power-Anwendungen ungeeignet.

Der NJU9103 ist ein Analog-Front-End (AFE) mit einem integrierten PGA (Programmable Gain Amplifier), das analoge Signale mit einer Verstärkung von G-512 verarbeiten kann. Rutronik

Neben der Wahl der OPs und der entsprechenden Topologie gilt es, die Aufteilung der Verstärkungsstufe festzulegen. Sie hängt von mehreren Faktoren ab, darunter dem gewünschten Verstärkung-Bandbreite-Produkt (GBP, Gain Bandwith Product), der Verstärkung des Ausgangsfehlers der verwendeten OPs und der Begrenzung der Eingangs- und Ausgangsspannungsbereiche der ersten und zweiten Stufe. Wenn die Schaltung mit hoher Verstärkung oder niedriger Versorgungsspannung arbeitet, wird es schwierig, hier einen guten Kompromiss zu finden.

Digitalisierung mit A/D-Wandlern

Nachdem der Operationsverstärker das Sensorsignal analog verstärkt hat, wandelt es ein A/D-Wandler in ein digitales Signal. Dessen Bit-Auflösung müssen Entwickler entsprechend der gewünschten Genauigkeit der Applikation und der Referenzspannung wählen. Beispielsweise erzielt bei 4,096 V ein 12-Bit-A/D-Wandler eine Genauigkeit von 1 mV.

Blockschaltbild des NJU9103. Rutronik

Weiterhin müssen Entwickler das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem berücksichtigen. Dieses besagt, dass die maximale Signalfrequenz weniger als die Hälfte der maximalen Abtastrate betragen sollte. Daraus folgt, dass das Eingangssignal durch geeignete Filterung bandbreitenbegrenzt sein muss. Bei der Quantisierung der analogen Signalfrequenz entstehen zudem noch Quantisierungsfehler. Um diese möglichst gering zu halten, sollten Entwickler eine hohe Quantisierung, also eine hohe Abtastrate, wählen. Das ist bei SAR-A/D-Wandlern (Successive Approximation Register) unbedingt zu beachten, dagegen ist dies bei Sigma-Delta-A/D-Wandlern aufgrund der hohen Überabtastung nicht kritisch.

Integrierte Lösungen sind oft die bessere Option

Bei all diesen Vorgaben und Bedingungen ist es oft besser, auf eine vorgefertigte, integrierte Lösung zurückzugreifen. Denn integrierte Lösungen erreichen nicht nur eine höhere Präzision, sondern reduzieren sowohl den Zeit- als auch Kostenaufwand bei der Entwicklung. Besonders im Bereich der Präzisionssensorsignalaufbereitung ist eine solche Lösung meist zwangsläufig notwendig. Präzision bedeutet hier, eine maximale Verstärkungslinearität unabhängig von Verstärkungsfaktor, des Gleichtaktanteils des Sensorsignals und der Temperatur zu erreichen.

Zusammen mit einer MCU und einem Display kann der NJU9103 auch als Oszillator agieren. Rutronik

Eine Lösung mit integriertem PGA (Programmable Gain Amplifier) ist beispielsweise der NJU9103 von JRC. Das Analog-Frontend kann analoge Signale mit einer Verstärkung von G = 512 verarbeiten. Aufgrund seines großen Eingangsspannungsbereichs und der hohen Abtastrate kann es auch sehr kleine Sensorsignale im µV- und mV-Bereich als auch Signale im 100 mV-Bereich verstärken und verarbeiten und das bis Signalfrequenzen im kHz-Bereich. Zusammen mit seinen vielfältigen Einstellungsmöglichkeiten bietet es damit die gute Verstärkung für Druck- und Durchflusssensoren, außerdem eignet es sich für Thermostate, digitale Anzeigegeräte, PLC und SPS-Anwendungen. Neben seinem großen Eingangsspannungsbereich trägt auch das kompakte Gehäuse (DFN8/SSOP8) zur Flexibilität bei.

Der interne 16-bit Sigma-Delta-A/D-Wandler (ADC) des Front-Ends von JRC hat Sampling-Raten von 0,814 ksps bis 6,51 ksps, er verfügt über einen Single-Ended-, einen differenziellen und einen pseudo-differenziellen Eingang. Eine der Vorteile von Sigma-Delta-A/D-Wandlern ist deren Oversampling-Architektur (Überabtastung). Oversampling bedeutet, dass die Abtastfrequenz des geschalteten Integrators (Sigma) und die Taktfrequenz des Modulators eine extrem hohe Überabtastung darstellen. Das hat zwei Effekte: Zum einen wird das Rauschen über ein breiteres Frequenzband verteilt. Zum anderen dient es als Alternative zu einem aufwändigeren und teureren Anti-Aliasing-Filter wie es typischerweise bei SAR-ADCs notwendig ist. Durch eine wesentlich höhere Abtastfrequenz als nach dem Abtasttheorem nötig, reicht meist ein einpoliger Tiefpass. Dadurch erzielen diese Wandler gute Rausch- und Genauigkeitsspezifikationen.

Verbunden mit einem Display gibt das Messsystem verschiedene Messwerte aus. Rutronik

Der PGA sorgt außerdem dafür, dass der ADC stets innerhalb des idealen dynamischen Bereichs arbeitet. Beträgt beispielsweise die Verstärkung 128 und der Sensor-Offset 10 mV, würde der PGA in der Begrenzung arbeiten. Um dies zu vermeiden, erzeugt eine interne Referenzspannung eine Kompensationsspannung, die der Offset-Spannung des Sensors entgegengesetzt ist. Dadurch befindet sich der PGA-Ausgang wieder innerhalb des Dynamikbereichs. Damit verfügt der NJU9103 als einziges verfügbares AFE über eine Sensor-Offset-Kompensation.

Weitere Vorteile ergeben sich durch die hohe HF-Immunität, durch die deutlich weniger Fehlfunktionen durch hochfrequentes Rauschen wie beispielsweise von Mobiltelefonen entstehen. Hinzu kommen die einfache Konfigurierbarkeit sowie die schnellen Datenrate von mehr als 1 ksps, die viele Möglichkeiten der Verarbeitung hochfrequenter Messsignale bietet. Zudem ist der NJU9103 das erste AFE mit einem PGA, der eine Verstärkung von mehr als 256 und maximal 512 erreicht. Aktuelle Lösungen anderer Hersteller erreichen lediglich den Faktor 128.

Kostengünstige Oszilloskop-Alternative

Der Clou des NJU9103: Zusammen mit einem Mikrocontroller kann es ein Oszilloskop für niederfrequente Signale ersetzen: Signalanalyse und Signalsynthese sind mit den zugehörigen Evaluationsboards des Frontends und des Mikrocontrollers und nur wenigen passiven Bauteilen realisierbar. Das Sinus-Signal lässt sich mithilfe eines angeschlossenen Displays visualisieren – ein pfiffiges Konzept zu geringen Kosten.

(prm)