Entwicklung eines hochpräzisen Frontends für Sensorsysteme im Industriebereich

Bei Industrie- und Prozesssteuerungsanwendungen werden umfangreiche, präzise Daten zu Temperatur, Druck und Belastung erfasst, damit im Vorfeld Entscheidungen getroffen werden können. Die Herausforderung für die Entwickler besteht dabei darin, dass für diese Anwendungen verschiedene, hochpräzise Kanäle erforderlich sind, die in dem Frequenzbereich die hohe Genauigkeit auch halten können.

In diesem Artikel nun werden die zentralen Komponenten und Parameter besprochen, die für ein exaktes, leistungsstarkes Frontend für die Erfassung und Signalumwandlung im Industriebereich notwendig sind. Da das Rauschen für die Genauigkeit ein bestimmender Faktor ist, berücksichtigt die finale Lösung auch Rauschprobleme.

Systemüberblick

Ein hochpräzises 18-Bit-Frontendsystem für die Erfassung im Industriebereich sollte eine kostengünstige, separate Datenerfassungsstruktur mit mehreren Kanälen aufweisen, die für industrielle Signalpegel geeignet ist. Der zu beschreibende hochpräzise Mehrkanal-Schaltkreis weist vom Eingang bis zum Ausgang einen Multiplexer mit acht Eingängen auf, der auf asymmetrische oder differenzielle Eingangskanäle konfiguriert werden kann (Abbildung 1). Diese Multiplexer-Eingänge wiederum erhalten verschiedene Sensoreingänge für die Prozesssteuerung, zum Beispiel Eingänge von Temperatur-, Druck- und optischen Sensoren.

Abbildung 1: Ein hochpräziser Schaltkreis mit acht Eingängen und mehreren Kanälen für verschiedene Sensoreingänge beginnt mit einem Eingangsmultiplexer, der auf asymmetrische oder differenzielle Eingangskanäle konfiguriert werden kann. (Bildquelle: Bonnie Baker)

In Abbildung 1 ist ein programmierbarer Instrumentierungsverstärker (PGIA) zu sehen, hier als „PGA“ gekennzeichnet, der auf einen Eingangsmultiplexer mit gleicher Fähigkeit bezüglich schwankender Eingangs- und Ausgangsspannung folgt. Sowohl die Multiplexer- als auch die PGIA-Stufen können hohe Spannungseingänge von bis zu ±10 Volt handhaben.

Die Gleichtaktspannung und die großen Schwankungen beim Spannungsausgang des PGIA stimmen nicht mit dem Eingangsbereich der einfachen Spannungsversorgung des 18-Bit-Analog-Digital-Wandlers (ADC) überein. Um den Signalspannungsbereich für den ADC vorzubereiten, benötigt das System deshalb einen Trichterverstärker (Funnel Amplifier). Der Trichterverstärker übernimmt drei Aufgaben: die Verschiebung des Signalpegels, die Umwandlung von asymmetrisch zu differenziell und die Dämpfung, um die Eingangsanforderungen des 18-Bit-ADCs mit einfacher Spannungsversorgung zu erfüllen.

Auf den 18-Bit-ADC folgt ein digitaler Isolator, der für die galvanische Trennung sorgt. Mit dieser Art der Trennung sind unterschiedliche Gleichtaktspannungen zwischen den Seiten möglich, ohne dass dabei die Signaltreue beeinträchtigt wird.

Details zum Schaltkreis

Wie bisher beschrieben umfasst das separate Mehrkanal-Datenerfassungssystem einen Multiplexer, eine PGIA-Stufe, eine ADC-Verstärkungsschaltung und einen voll differenziellen Präzisions-ADC mit SAR (Successive Approximation Register). Das System überwacht acht Kanäle mithilfe eines einzelnen ADC. Gleichwohl sind die Schaltkreise des ADC und der ADC selbst die Hauptquellen der Rauschentwicklung (Abbildung 2).

Abbildung 2: Zu sehen ist der Schaltplan eines separaten Mehrkanal-Datenerfassungssystems mit einem 18-Bit-ADC. Der ADC und die ADC-Schaltkreise sind die Hauptquellen der Rauschentwicklung.  (Bildquelle: Analog Devices)

Der Rauschpegel stellt eine Spezifikation dar, aus der sich zwingend die Art der Komponenten ergibt, die in diese Anwendungsschaltung passen.

Auswahl der richtigen Komponenten

Abbildung 2 zeigt als Eingangsmultiplexer den ADG5207BCPZ-RL7 von Analog Devices, einen hochspannungsfesten 8-Kanal-Differenzmultiplexer mit einer extrem niedrigen Kapazität von 3,5 Picofarad (pF) und einer Ladungsinjektion von 0,35 Picocoulombs (pC). Aufgrund dieser niedrigen Ladungsinjektion eignen sich diese Schalter perfekt für die Sample-und-Hold-Schaltungen des Datenerfassungssystems, die auf geringe Störimpulse und kurze Einschwingzeiten angewiesen sind. Der ADG5207 kann so konfiguriert werden, dass er sowohl asymmetrische als auch differenzielle Eingangssignale empfangen kann. Der in dem Schaltkreis gezeigte komplexe programmierbare Logikbaustein (CPLD) wählt den aktiven Kanal des ADG5207 aus, indem er dessen Adresspin verwendet.

Als PGIA wird der AD8251ARMZ-R7 von Analog Devices verwendet. Bei dieser Komponente kann zwischen Verstärkungen von 1, 2, 4 und 8 gewählt werden. Der AD8475ACPZ-R7 von Analog Devices wiederum, ein voll differenzieller Trichterverstärker mit wählbarer Verstärkung, bietet eine Pegelverschiebung für eine Erdungs-Gleichtaktspannung zu 2,048 Volt sowie Verstärkungseinstellungen von 0,4 und 0,8. Der AD8475 hat ein geringe spektrale Rauschleistungsdichte von 10 Nanovolt pro Wurzel Hertz (nV/√Hz). Zusammen liefern die Verstärkungen des PGIA und des Funnel-Verstärkers geeignete Full-Scale-Eingangssignale an den 18-Bit-ADC mit SAR AD4003BCPZ-RL7 von Analog Devices (Tabelle 1).

Tabelle 1: Der Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich entsprechend den vier Verstärkungskonfigurationen des PGIA AD8251. Zusammen liefern die Verstärkungen des PGIA und des Trichterverstärkers geeignete Vollskalen-Eingangssignale an den 18-Bit-SAR-ADC AD4003BCPZ-RL7. (Tabellenquelle: Bonnie Baker)

Der AD4003BCPZ-RL7 ist ein voll differenzieller, 18-Bit-Präzisions-ADC mit 2 Megasamples pro Sekunde (MS/s) und SAR, der ein typisches Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von 98 Dezibel (dB) bei einer Referenzspannung von 4,096 Volt aufweist.

Analyse des Systemrauschens

Aufgrund seiner Auswirkungen auf die Genauigkeit muss das Rauschen bei der Entwicklung präziser Datenerfassungssysteme mit höherer Geschwindigkeit umfassend berücksichtigt werden. Das Rauschen ist ein Phänomen im Frequenzbereich, das sich sowohl auf die AC- als auch DC-Genauigkeit des Digitalausgangs des ADC auswirkt. Beim Rauschen regiert der Zufall: So ist es möglich, dass ein Schaltkreis mit hohem Rauschanteil ein absolut korrektes Ergebnis bei der einen Umwandlung liefert, bei der nächsten Umwandlung jedoch ein zutiefst falsches Ergebnis bereitstellt. Für die Entwickler lautet deshalb die Herausforderung, die hinnehmbaren Rauschanteile der jeweiligen Komponenten des Schaltkreises festzulegen.

Der Effektivwert des Gesamtrauschens des Systems entspricht der Wurzel aus der Summe aller Quadrate aller Komponenten im Schaltkreis, die sich auf den ADC AD4003 beziehen, und wird mithilfe von Gleichung 1 berechnet:

 Gleichung 1

Dabei gilt:

V_nADG5207 = Effektivwert des Rauschens des Multiplexers ADG5207

V_nAD8251 = Effektivwert des Rauschens des PGIA AD8251

V_nAD8475 = Effektivwert des Rauschens des Funnel-Verstärkers AD8475

V_nAD4003 = Effektivwert des Rauschens des 18-Bit-ADC AD4003

Dem berechneten Signal-Rausch-Verhältnis mit dem Effektivwert des Systems liegt der Vollskalen-Eingangsbereich des AD4003 zugrunde bzw. V_REF; dieses Signal-Rausch-Verhältnis wird mithilfe von Gleichung 2 berechnet:

 Gleichung 2

Rauschen des ADC AD4003: Das Rauschen des ADC AD4003 ist eine Funktion des Quantifizierungsfehlers und des internen thermischen Rauschens des Wandlers. Bei der Berechnung des Effektivwerts des Eingangsspannungsrauschens des AD4003 werden die Vollskalen-Eingangsspannung (V_REF) sowie das Betriebs-Signal-Rausch-Verhältnis zugrunde gelegt, gemäß Gleichung 3:

 Gleichung 3

Die Spezifikation im Datenblatt zum Signal-Rausch-Verhältnis des AD4003 bei V_REF gleich 4.096 Volt ist etwa 98 dB.

Rauschen des Funnel-Verstärkers AD8475: Der Effektivwert des Ausgangsrauschens des AD8475 ist eine Kombination der spektralen Rauschleistungsdichte (_AD8475) bei 1 Kilohertz (kHz) und der Bandweitengrenze der Verstärkerschaltung. Die Bandweite des AD8475 mit einer Verstärkung von 0,4 V/V entspricht 150 Megahertz (MHz). Die 3-dB-Eckfrequenz des folgenden RC-Filters beträgt 6,63 MHz. Die Kombination des AD8475 und des Ausgangs-RC-Filters führt zu einer Bandweitengrenze von 6,63 MHz, gemäß Gleichung 4:  

 Gleichung 4

Dabei gilt:

_AD8475 = 10 nV/√Hz.

R = 200 Ohm (Ω)

C = 120 pF

BW_RC = 1 / (2xp x R x C) ~ 6,63 MHz

Rauschen des PGIA AD8251:  Der Effektivwert des Rauschens des AD8251 ist eine Funktion seines zugeordneten Eingangs AD8251, des 1 kHz Spektralrauschens (_AD8251) mit den Einheiten nV/√Hz, seiner Verstärkungseinstellung (G_AD8251), der Verstärkung des AD8475 (G_AD8475) und der Bandweite des Rauschfilters am Eingang des AD4003 (BW_RC). Es wird mithilfe von Gleichung 5 berechnet:

 Gleichung 5

Der Wert des _AD8251 entspricht 40 nV/√Hz bei einer Verstärkung von 1 V/V und 18 nV/√Hz bei einer Verstärkung von 8 V/V.

Rauschen des Multiplexers ADG5207: Mit der Rechnung zum Johnson-Nyquist-Rauschen werden die spektrale Rauschleistungsdichte des Multiplexers sowie der daraus resultierende Effektivwert des Rauschens ermittelt, Gleichung 6:

 Gleichung 6

Dabei gilt:

k_B = Boltzmannkonstante = 1,38 x 10^-23

T = Temperatur in Kelvin

R_ON = „On“-Widerstand des Multiplexers (gemäß Datenblatt zum ADG5207)

Die Verwendung dieser Formel (Gleichung 6) ist angemessen, da sich der Multiplexer wie ein Serienwiderstand verhält.

Aus der Spektraldichte des Multiplexers (ϵ_nADG5207) ergibt sich mithilfe von Gleichung 7 der Effektivwert des Rauschens für den ADG5207:

 Gleichung 7

Zusammenfassung Rauschanalyse

Die Summe der berechneten Rauschanteile für jede Komponente (Abbildung 2) und das daraus resultierende Signal-Rausch-Verhältnis bei einer kumulativen Verstärkung von 3,2 beträgt 84,7 dB. Den höchsten Anteil am Gesamtrauschen haben der PGIA AD8251 und der ADC AD4003 (Tabelle 2).

Tabelle 2: Das berechnete Signal-Rausch-Verhältnis des Mehrkanal-Datenerfassungssystems bei einer kumulativen Verstärkung von 3,2 ist 84,7 dB. (Datenquelle: Analog Devices)

Bewertung und Test des Schaltkreises

Zum Bewerten und Testen des Schaltkreises können Entwickler das Schaltkreis-Evaluierungskit EVAL-CN0385-FMCZ verwenden, welches mit dem in Abbildung 2 gezeigten Schaltkreis arbeitet (Abbildung 3).

Abbildung 3: Mit der Evaluierungskarte EVAL-CN0385-FMCZ kann mit dem in diesem Artikel beschriebenen Frontend-Design für ein Datenerfassungssystem experimentiert werden. (Bildquelle: Analog Devices)

Das Design-Support-Paket CN-0385 enthält den kompletten Schaltplan für den Schaltkreis sowie Unterstützungsmaterial für das Layout. Zudem enthält das Evaluierungskit die Steuerplatine EVAL-SDP-CH1Z, um so die Datenerfassung zu ermöglichen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Funktionales Layout für einen Testaufbau zur Bewertung des Frontends für ein Datenerfassungssystem. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Leistungsergebnisse der Karte EVAL-CN0385-FMCZ zeigen Werte, die den Rauschberechnungen nahekommen (Tabelle 3).

Tabelle 3: Signal-Rausch-Verhältnis, Rauschen und Gesamtklirrfaktor (THD) der Karte EVAL-CN0385-FMCZ bei einem Vollskalen-Sinuswelleneingang von 10 kHz bei einer kumulativen Verstärkung von 0,4, 0,8, 1,6, und 3,2. (Datenquelle: Analog Devices)

Der SYS-2700 von Audio Precision erzeugte das Signal als ein differenzielles Eingangssignal. Die mit einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) generierten 10-kHz-Eingangssignale werden angezeigt (Abbildung 5, 6, 7 und 8).

Abbildung 5: FFT für ein 10 kHz Eingangssignal mit 20 V(s-s) bei einer Verstärkung = 0,4 auf einem einzelnen, statischen Kanal. (Bildquelle: Analog Devices)

Abbildung 6: FFT für ein 10 kHz Eingangssignal mit 10 V(s-s) bei einer Verstärkung = 0,8 auf einem einzelnen, statischen Kanal. (Bildquelle: Analog Devices)

Abbildung 7: FFT für ein 10 kHz Eingangssignal mit 5 V(s-s) bei einer Verstärkung = 1,6 auf einem einzelnen, statischen Kanal. (Bildquelle: Analog Devices)

Abbildung 8: FFT für ein 10 kHz Eingangssignal mit 2,5 V(s-s) bei einer Verstärkung = 3,2 auf einem einzelnen, statischen Kanal. (Bildquelle: Analog Devices)

Wie den grafischen Darstellungen entnommen werden kann, kommt die Leistung der Signalketten von ADG5207, AD8251, AD8475 und AD4003 in der Evaluierungskarte EVAL-CN0385-FMCZ den zuvor angestellten Berechnungen sehr nahe.

Fazit

Bei Industrie- und Prozesssteuerungsanwendungen werden in großem Umfang Daten erfasst, zum Beispiel präzise Daten zu Temperatur, Druck und Belastung. Diese Anwendungen benötigen gemultiplexte hochpräzise Kanäle; gleichzeitig müssen sie die hohe Genauigkeit mit geringem Rauschen auch im Frequenzbereich aufrechterhalten. Das ideale analoge Frontend für Messungen besteht aus einem Multiplexer, einem PGIA und einem 18-Bit-Präzisions-ADC mit 2,0 MS/s. Der ADC tastet die Signale aus dem aktiven Multiplexer-Kanal ab. In dem vorliegenden Artikel finden sich genaue Berechnungen und ergänzende Testdaten für einen geeigneten Schaltkreis. Die Testergebnisse zeigen, dass die tatsächliche Leistung der Signalketten von ADG5207, AD8251, AD8475 und AD4003 in der Evaluierungskarte EVAL-CN0385-FMCZ den berechneten Werten sehr nahekommmt.