Heute wird der Markt für präzise Analog/Digital-Wandler (A/D-W) hautsächlich von Delta Sigma-A/D-W bedient, was an ihrer hohen dynamischen Bandbreite, der präzisen DC-Leistung und dem günstigen Preis liegt. Laut Design überabtastet ein Delta-Sigma-A/D-W das Eingangssignal mit einem Delta-Sigma-Modulator, gefolgt von einem digitalen Dezimierungsfilter. Das führt zwar zu niedrigem Rauschen, doch bringt auch langsame Ausgangsdatenraten mit sich. Ein weiterer Vorteil der Überabtastung ist: Der externe, analoge Anti-Alias-Filter lässt sich erheblich vereinfachen, denn zur Bestimmung des Frequenzgangs im Durchlassbereich wird auf den digitalen Filter zurückgegriffen.
Die moderne SAR A/D-W-Technologie von Power by Linear von Analog Devices bietet höhere Leistung für Präzisionsanwendungen und tritt damit den besten Delta-Sigma-A/D-Ws in Sachen DC-Spezifikationen entgegen (INL, DNL, Offset, Gain-Fehler und Stabilität), wobei hohe Abtastraten und ein latenzfreier Betrieb beibehalten werden. SAR-A/D-Ws mit hoher Abtastrate werden oft zur Überabtastung von Signalen mit niedriger Bandbreite genutzt. Klassisches Überabtasten ermöglicht den Einsatz eines Dezimierungsfilters (Tiefpassfilter und Downsampling), was den Dynamikbereich des Systems erhöht. Ein weiterer Vorteil der Überabtastung sind die geringeren Anforderungen an den analogen Anti-Alias-Filter. Ohne Überabtastung muss der analoge Anti-Alias-Filter einen steilen Flankenabfall (ein scharfes Übergangsband) haben, was seine Komplexität erhöht. Alternativ wird durch Überabtastung die Nutzung eines einfachen analogen Filters mit niedriger Ordnung in Kombination mit einem digitalen Filter ermöglicht, was zu einem gleichwertigen Anti-Alias-Filter im gemischten Modus mit einem sehr steilen Flankenabfall führt. Allerdings ist der Nachteil, dass der Hostprozessor die Last dieser Filteraufgabe trägt. Daher wird ein schnellerer Prozessor benötigt, um die Daten mit einer viel schnelleren Rate vom A/D-W-Ausgang zu erhalten.
Aus diesen Gründen geht Power by Linear von Analog Devices mit einem anderen Ansatz an den Präzisionsmarkt heran; dabei werden die hohe Genauigkeit und Geschwindigkeit der eigenen proprietären SAR-A/D-W-Architektur mit integrierten digitalen Filtern kombiniert. Zu den Produktneuheiten zählen der LTC2508-32 und der LTC2512-24. Der LTC2508-32 ist ein 32-Bit-1 Msps-SAR-A/D-W mit integriertem, durch Pins konfigurierbaren digitalen Filter, optimiert für Anwendungen mit niedriger Bandbreite und hoher Präzision. Der LTC2512-24 ist ein 24-Bit-SAR-A/D-W mit 1,6 Msps und integriertem Filter, optimiert für Anwendungen mit höherer Bandbreite. Der LTC2508-32 erreicht einen beeindruckenden Dynamikbereich von 145 dB bei der langsamsten Ausgangsrate von 61 sps, während der LTC2512-24 auf die 117 dB bei einer Ausgangsrate von 50 ksps zusteuert.
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Ein Schlüsselaspekt von Delta-Sigma-A/D-Ws ist, dass der Ausgang des Modulators sich nicht direkt nutzen lässt. Das heißt, es handelt sich um ein Signal mit geringer Auflösung, geformtem Quantisierungsrauschen und sehr niedrigem SNR. Diverse Techniken kommen zum Einsatz, um das Quantisierungsrauschen eines Delta-Sigma-Modulators zu formen und dadurch auf eine höhere Frequenz zu verschieben, wo es sich leichter filtern lässt, wobei die interessanten Signale die unteren Frequenzen des Durchlassbereichs im Filter belegen. Der Ausgang des Modulators wird dann mit einem Tiefpassfilter behandelt, was zu verwertbaren Konvertierungsergebnissen führt. Allerdings führt die bloße Natur der Architektur beim Delta-Sigma-Modulator dazu, dass sein Ausgangsspektrum Störinhalte aufweist. Egal was man versucht, Störinhalte vom Modulator können (und werden) im Durchlassbereich erscheinen.
In Anwesenheit dieser Störsignale kann es fast unmöglich werden, nach einem schwachen Signal zu suchen. Sukzessive Annäherungsregister-(SAR-) A/D-Ws leiden nicht unter diesem Problem, und sie haben ein fast ideales Leistungsspektrum mit weißem Rauschen. Dadurch wären SAR-A/D-Ws zur Erkennung von Tönen oder Vibrationen bei unglaublich niedrigen Energiepegeln die bessere Wahl. Allerdings leiden viele SAR-A/D-Ws immer noch unter Unterbrechungen in der DC-Übertragungsfunktion beim Übergang von der 16- zur 18-Bit-Ebene, worunter die DC-Leistung leidet.
Der LTC2508-32 und der LTC2512-24 haben optimierte Linearitätseigenschaften ohne fehlende Codes. So können Anwendungen vollen Nutzen aus dem beeindruckenden Dynamikbereich der gefilterten Ausgangsdaten ziehen.
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Mit einer spektralen Rauschdichte von nur 22 nVRMS/√Hz bietet der LTC2508-32 das niedrigste Rauschen im Vergleich zu alternativen A/D-W-Lösungen mit einer Auflösung von 24- oder 32-Bit (Abbildung 1). Im Gegensatz zum Ausgang eines Delta-Sigma-Modulators hat der Ausgang dieses Power by Linear von Analog Devices SAR-Konverters eine flache spektrale Rauschdichte ohne Störsignale, mit denen man zurechtkommen müsste. Das bedeutet, dass der digitale Filter genau für die Anforderungen der Endanwendung designt werden kann, anstatt das Rauschen und die Störsignale des Modulators zu filtern. Der LTC2508-32-Filter hat eine „Spread-Sinc“-Architektur, was eine sorgsam ausgewogene Balance zwischen Sperrdämpfung und Einschwingzeit darstellt. Der LTC2512-24-Digitalfilter hat eine 0,001-dB-Durchlassbereich-Flachheit „ohne Kompromisse“, die bis fo/4 reicht (eine halbe Nyquist-Zone). Der Übergangsbereich des LTC2512-24-Filters und die Sperrbanddämpfung sind weniger aggressiv als bei vielen Delta-Sigma-Filtern, was zu schnellerer Einschwingung und kleineren Artefakten in der Zeitdomäne führt. Wiederum ist ein solcher Filter wegen der Abwesenheit von Störsignalen praktikabel.
Der LTC2508-32 bietet 4 per Pin auswählbare Dezimierungsfilter, deren Eigenschaften in Tabelle 1 aufgeführt sind. Die vier verschiedenen Dezimierungsfilter ermöglichen Designern einen Kompromiss zwischen Rauschen und Bandbreite – je nach dem Anwendungsbereich. Für jede Konfiguration des LTC2508-32 ist der digitale Filter ein Tiefpass-Finite-Impulse-Response (FIR-) Filter mit linearer Phasenreaktion. Der Ausgang des digitalen Filters wird dann durch den entsprechenden Downsampling-Faktor (DF) heruntergerechnet. Daher entspricht die Ausgangsdatenrate (fO) fSMPL/DF. Bei jedem der auswählbaren Dezimierungsfilter ist die 3 dB-Bandbreite umgekehrt proportional zum ausgewählten DF-Wert. Jede Konfiguration bietet mindestens 80 dB Dämpfung für Frequenzen im Bereich von fO /2 und fSMPL – fO /2. Für jeden 4-fachen Anstieg im Downsampling-Faktor erhöht sich der A/D-W-Dynamikbereich um zirka 6 dB, was zu einem Dynamikbereich von 131 dB bei DF=256 bis 145 dB bei DF=16384 führt. Dies entspricht einer effektiven Anzahl der Bits (ENOB) von 24 Bit. Hinweis: Es ist wichtig, dass das A/D-W-Ergebnis von einem Qualitätsrauschenprozess begrenzt wird, d. h. thermisches Rauschen, nicht dessen Quantisierungsrauschen. Das bedeutet, der A/D-W sollte mindestens einige Bit mehr bieten als die ENOB, und bei einem 32-Bit-Ausgangswort bietet der LTC2508-32 eine ausreichende Anzahl der Bits zur Darstellung der gefilterten Daten mit einer Integer-Anzahl an Byte.
Tabelle 1: Eigenschaften der Filter im LTC2508-32
Der Ausgang des LTC2508-32 ist immer vollständig auf 10 Ausgaben eingeschwungen, ungeachtet des DF. Wird der Downsampling-Faktor erhöht, verringert sich die Bandbreite, was zu weniger Rauschen und somit zu einem gesteigerten Dynamikbereich führt. Mit einem Downsampling-Faktor von 256 beträgt die -3 dB-Bandbreite des gefilterten Ausgangs 480 Hz, was eine Ausgangsdatenrate von 3906 sps ergibt. Beim höchsten DF von 16384 beträgt die -3 dB-Bandbreite enge 7,5 Hz, was zum höchsten Filtern des Rauschens führt, aber auch die langsamste Ausgangsdatenrate von 61 sps ergibt.
Abbildung 1: Schrittreaktion des LTC2508-32
Außerdem bietet der LTC2508-32 zweierlei Datenausgangsströme: die digital gefilterte 32-Bit-Version des Eingangssignals sowie den latenzfreien 22-Bit-Composite-Ausgang direkt vom Frontend-SAR-Konverter. Das latenzfreie Ausgangswort besteht aus einem 14-Bit-Code, der den differenziellen Eingang darstellt, und einem 8-Bit-Code, der die Gleichtaktspannung des Eingangs darstellt. Der latenzfreie Ausgang ist besonders nützlich bei Steuerungsanwendungen, für schnelle Verfolgung des Eingangssignals und unmittelbares Feedback für veränderte Lastbedingungen. Er lässt sich auch zur Überwachung des eingehenden Signals und zur Anzeige von Systemfehlern nutzen, etwa durch Erkennung von Signalen mit besonders hohem Rauschen oder starker Oszillation, die durch den digitalen Filter verborgen werden könnten. Diese Information lässt sich in Kombination mit dem 8-Bit-Gleichtaktwert für Prognosewartung nutzen. Änderungen an der Gleichtaktspannung können ein Hinweis auf Probleme beim Upstream sein, die ggf. zum Ausfall des Geräts führen können. Für den Designer sieht dies aus wie zwei A/D-W in einem, die perfekt passende Darstellungen des Eingangssignals liefern, wobei keine Ungenauigkeits- oder Verschiebungsprobleme auftreten.
Der LTC2512-24 bietet viele ähnliche Funktionen wie der LTC2508-32, mit 4 per Pin auswählbaren Dezimierungsfiltern, wie in Tabelle 2 aufgeführt. Abbildung 2 zeigt die Amplitudenreaktion des digitalen Filters von DC to fO, der Ausgangsdatenrate. Downsampling-Faktoren von 4 bis 32 werden unterstützt, was zu einer Verbesserung des Dynamikbereichs um 3 dB für jeden 2-fachen Anstieg im Downsampling-Faktor führt. Der LTC2512-24 hat den gleichen 22-Bit-Komposite-Codeausgang, der eine fast ideale Darstellung des Eingangssignals in Echtzeit liefert. Für den LTC2512-24 ist der Ausgang immer vollständig auf 35 Ausgaben eingeschwungen.
Tabelle 2: Eigenschaften der Filter im LTC2512-24
Abbildung 2: Magnitude des Frequenzgangs für den digitalen Filter im LTC2512-24. fO = fSMPL/ DF
Der LTC2508-32 eignet sich besonders für seismologische Anwendungen sowie die Öl- und Gas-Erforschung, bei denen der A/D-W extrem schwache Signale auflösen muss, die im Rauschen fast untergehen. Die höhere Bandbreite und der flache Durchlassbereich des LTC2512-24 mögen geeigneter für medizinische Instrumente wie z. B. EKGs sein, die vom hohen Dynamikbereich des gefilterten Ausgangs profitieren, wobei der latenzfreie Ausgang für Echtzeitinformationen wie den Teststandort genutzt werden kann. Diese A/D-Ws sind ideal für Präzisionsanwendungen, die eine Kontrollschleife nutzen, bei der eine schnelle Reaktion auf Änderungen am Eingangssignal erfolgen muss, die nicht sofort über den langsameren, gefilterten Ausgang erkennbar wären. Weitere Informationen über diese Familie sind verfügbar auf arrow.com