Das PREMA Mehrfach-Rampen A/D-Verfahren

Literaturanforderung

Der PRI 5610 ist ein integrierender Analog-Digital-Wandler höchster Präzision. Seine Auflösung von 32 Bit , seine hohe signifikante Genauigkeit von bis zu 26 Bit, seine optimale Anpassungsfähigkeit an die Hardware und die einfache Steuerbarkeit über einen Mikroprozessor erlauben den Einsatz überall da, wo hohe Linerarität, Auflösung und Wandlungsraten gefragt sind.

Die Mikroprozessor-Software bestimmt die Wandlungszeit die Filtereigenschaften und die Behandlung von Fehlermeldungen. Die verbleibende Nichtlinearität von weniger als 0,1 ppm und der typische Temperaturkoeffizient von 0,2 ppm/°C gehören zu den herausragenden Eigenschaften dieses Präzisionsbausteins.
 

Der PRI 5610 eignet sich für Anwendungen in der Präzisionsmeßtechnik, der Wägetechnik, der Signalerfassung sowie in Test- und Kalibriersystemen.  Gehäuse: 28-poliges Keramikgehäuse  Es sind drei Klassen in bezug auf den maximalen Linearitätsfehler erhältlich:    PRI 5610 E:  typ. 0,05 ppm,  max. 0,08 ppm PRI 5610 F: typ. 0,1 ppm, max. 0,2 ppm PRI 5610 G: typ. 0,2 ppm, max. 0,5 ppm

Durch die spezifischen Eigenschaften des PREMA-Mehrfachrampen -Verfahrens bietet der PRI 5610 folgende Vorteile, insbesondere gegenüber dem Delta-Sigma-Verfahren:

• deutlich bessere Langzeit- und Kurzzeit-Stabilität durch niedrige Schaltfrequenz;
• dadurch auch deutlich bessere Temperaturstabilität;
• niedrigeres Grundrauschen, da keine 2-Phasen-Kondensator-Abtasttechnik und keine integrierten CCD-Kapazitäten eingesetzt werden;
• niedrigeres Quantisierungsrauschen, besonders bei hoher Aussteuerung;
• hohe Linerarität durch konstante Schaltfrequenz der Referenzspannungsschalter.

• frei programmierbares Digitalfilter
• genormte serielle Schnittstelle
• FIFO zum einfachen Einsatz in Multitaskingsystemen
• frei programmierbare Unterlauf-/Überlauferkennung
• bereitstellung des gepufferten Eingangssignals
• Refernzfrequenz von 50 Hz bzw. 60 Hz und ein digitaler Phasen- und Frequenzdiskriminator für die Taktansteuerung über eine PLL-Regelschleife

Blockschaltbild PRI 5610: 

Das PREMA Mehrfach-Rampen A/D-Verfahren

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Wandlungszeit und Auflösung

Durch eine weitere Mittelwertbildung im externen Prozessor wird unter Verlängerung der effektiven Meßzeit die Zahl der signifikanten Bits weiter gesteigert (Tabelle 2). Damit erreicht der PRI 5610 folgende Werte:
 

Filterkoeffizient des externen Filters (N2)	Filterkoeffizient des internen Filters (N1)	signifik. Bits (3*Sigma) typ.	signifik. Dezimalstellen (3*Sigma) typ.
1	15	22,5	6,8
10	15	23,3	7,0
100	15	24,5	7,4
1000	15	26,6	8,0

Tabelle 2: Auflösungserhöhung durch externes Kammfilter 1. Ordnung in Abhängigkeit von Filterkoeffizient N2 (bei N1=15)

Die Werte im oberen Genauigkeitsbereich von Tabelle 2 sind Richtwerte unter Verwndung eines optimalen Meßaufbaus, bei ruhender Umgebungsluft und V_dd3V=3V.

Elektrische Eigenschaften

V_cc = +15 V; V_ss = -15 V;
V_ref+ = 7,0 V; V_ref- = -7,0 V; Gnd = 0 V;
V_dd5V = 5,0 V; V_dd3V = 3,0 V;
f_q = 19,6608 MHz; T_a = 23°C
 

Parameter  PRI 5610-Version2)

Symbol

Testbedingungen

min.  E F G

typ.  E F G

max.  E F G

Einheit

Grundauflösung

ungefiltert

17

Bit

Datenwortlänge

32

Bit

Untermeßfrequenz

fuMeß

150

Hz

Datenausgangsrate

fs

4,69

150

s-1

Genauigkeit

Gesamtfehler (24h, ±1°C)

0,2

0,5

1,0

0,4

1,0

2,0

ppm FS1)

Gesamtfehler (1 Jahr, ±1°C)

0,4

1,0

2,0

0,7

2,0

4,0

ppm FS

Linearitätsfehler

0,05

0,1

0,2

0,08

0,2

0,5

± ppm FS

eff. Quantisierungsrauschen

0,8

0,8

2,0

1,0

1,0

4,0

± LSB

Drift

Offset

0,5

2

±µV/°C

Signal FS1)

0,1

0,4

µV/°C

Analoge Eingänge

Eingangsspannung (bipolar)

Vin

Vð=(Vref+-Vref-)

Vref-+0,05*Vð

Vref+-0,1*Vð

Referenzspannung Vref+

Vref+

Vref-+2V

7,0

8,0

V

Referenzspannung Vref-

Vref-

-8,0

-7,0

Vref+-2V

V

Eingangswiderstand Vref+

Rref+

1

5

GOhm

Eingangswiderstand Vref-

Rref-

1

5

GOhm

Eingangswiderstand Vin

Rin

1

5

GOhm/font>

Analoge Ausgänge

Strom aus VinBuff

I0

0,5

mA

Versorgung

Versorgungsstrom (Vdd5V)

Idd5V

5

mA

Versorgungsstrom (Vdd3V)

Idd3V

Vdd3V=3V

9

mA

Versorgungsstrom (Vdd3V)

Idd3V

Vdd3V=5V

20

mA

Versorgungsstrom (Vcc)

Icc

2,5

mA

Versorgungsstrom (Vss)

Iss

2,5

mA

Versorgungsspannung

Vdd5V

4,5

5,0

5,5

V

Versorgungsspannung

Vdd3V

2,7

3,0

5,5

V

Versorgungsspannung

Vcc

12,0

V

Versorgungsspannung

Vss

-12,0

V

Masse GND

GND

-30

0

30

mV

Versorgungsspannungs-Durchgriff Vcc, Vss

Vp, Vn

1

ppm FS/V

Versorgungsspannungs-Durchgriff Vdd

1

ppm FS/V

 

²⁾ Wo nur ein Wert angegeben ist, gilt dieser Wert für Versionen E, F und G. Seitenanfang

Das Mehrfach-Rampen-Verfahren mit Rauschformung 2. Ordnung

Das Wandlungsverfahren der PREMA ADCs und Multimeter stellt eine Weiterentwicklung des durch PREMA entwickelten und patentierten Mehrfach-Rampen-Verfahrens dar. Es zeichnet sich durch verbesserte und beschleunigte Konvergenz, verbesserte Filterung und geringere Temperaturdrift aus.  Modulatorschaltung, vereinfacht

Ein mit dem Kondensator C₁ als Integrator beschalteter Verstärker integriert kontinuierlich einen der Eingangsspannung V_in proportionalen Strom auf. Die Eingangsspannung liegt bei diesem Verfahren ständig am Integrator an. Es entstehen also keine von der Eingangsspannung abhängigen Fehler, wie sie sonst durch Gleichrichtereffekte bei der Umladung spannungsabhängiger Halbleiter-Schaltkapazitäten entstehen.  Integrator-Ausgangsspannung V_int

Die Entladung des Kondensators C erfolgt durch Umschaltung der Referenz von V_ref- auf V_ref+. Während der Entladezeit werden die Impulse des Oszillators gezählt und fortlaufend aufaddiert. Der Komparator stellt den Nulldurchgang des Integrator-Ausgangssignals bei der Abintegration fest. Der Nulldurchgang legt den letzten Zählimpuls fest und bewirkt, daß auf die Referenzspannung V_ref- zurückgeschaltet wird. Da die Gesamt-Ladungsänderung während einer Untermeßdauer gleich Null ist, folgt 

d.h. die Entladungszeit t₁ ist dem Mittelwert der Eingangsspannung proportional.

Der zweite Integrator dient der Rauschformung des Quantisierungsrauschens zur effektiven Rauschunterdrückung mit Hilfe des nachgeschalteten Digitalfilters. Diese Quantisierungstechnik ermöglicht eine hohe Präzision bei gleichzeitig kurzer Wandlungszeit.

Die Filterkoeffizienten können vom Mikroprozessor eingestellt, der gefilterte Meßwert gelesen und als Anzeigewert ausgegeben oder weiterverarbeitet werden.

Diese Art der Spannungs-Zeit-Wandlung verfälscht das Ergebnis weder durch den Verlustfaktor des Kondensators noch durch Driften der Kapazität C oder des Widerstandes R. Das Verfahren ist ferner unabhängig von der Frequenz des Taktoszillators, da die Zeiten T und t₁ mit der gleichen Frequenz bestimmt werden.

Der Eingang V_in führt direkt auf den hochohmigen Integratoreingang und den Pufferverstärker, wodurch eine Belastung der Signalquelle vermieden wird.

Durch die Eigenschaften des Wandlungsverfahrens sind die Anforderungen an die Komponenten vergleichsweise gering.

Filterung

DMM 6048

DMM 5017

Multifunktionsmeter 8017

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