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Rechner für ADC-Auflösung

Wie fein ein A/D-Wandler ein Sensorsignal auflöst, in der Einheit, die Sie messen.

Wandler

Sensor

Ergebnis

0,00298N je Digit

Die verstärkte Sensorspanne nutzt 51,2 % des Eingangsbereichs.

LSB-Größe
38,147 µV2,5 V auf 2^16 Digits
LSB am Sensor
298,02 nVauf den Eingang bezogen, Verstärkung 128
Vom Sensor genutzte Digits
33554,4von 65536
Auflösung über die Spanne
15,03 bitlog₂ der genutzten Digits
Genutzter Eingangsbereich
51,2 %verstärkte Sensorspanne / Eingangsbereich
Digits je N
335,54idealer Wandler, ohne Rauschen
Rauschfreie Auflösung
—rauschfreie Bits aus dem Datenblatt eingeben
Größtes Signal am Wandler
1280 mVSensorsignal × Verstärkung

Prinzipskizze

Sensor0 … 10 mVVerstärker× 128ADC16 bitLSB 38,147 µVGenutzte Codes33554,40 V … 1,28 V0 V2,5 VADC-EingangsbereichSignal außerhalb des Eingangsbereichs
Aus den Eingaben oben gezeichnet; nicht maßstäblich.
Formeln und Normen
LSB = (Vhigh − Vlow) / 2N   codes = |Vs,high − Vs,low| × G / LSB
Auflösung = |Bereichsende − Bereichsanfang| / Digits

N ist die Auflösung in Bit und G die Verstärkung zwischen Sensor und Wandler. Ein idealer Wandler teilt seinen Eingangsbereich in 2^N gleiche Stufen. Der Sensor nutzt nur die Stufen, die seine verstärkte Spanne überdeckt; seine Auflösung in der Messgröße ist daher der Messbereich geteilt durch diese Stufen. Bei einer ratiometrischen Brückenmessung legt die Referenz den Eingangsbereich fest, meist die Speisespannung.

Das ist nur die Quantisierung. Ein realer Wandler fügt Rauschen, Offset, Verstärkungsfehler und Nichtlinearität hinzu, und die letzten Bits hochauflösender Wandler flackern meist. Geben Sie die rauschfreie Auflösung aus dem Datenblatt für Ihre Datenrate und Verstärkung ein, um zu sehen, was ohne Mittelung stabil bleibt. Auflösung ist nicht Genauigkeit: Sensor, Referenz und Verstärker bestimmen die Genauigkeit.

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So arbeitet der ADC-Auflösungsrechner

Ein Analog-Digital-Wandler teilt seinen Eingangsbereich in 2^N Stufen, wobei N seine Auflösung in Bit ist. Eine Stufe, das niederwertigste Bit oder LSB, ist der Eingangsbereich geteilt durch 2^N. Ein 16-Bit-Wandler mit 2,5 V Bereich hat ein LSB von 38,1 µV; ein 24-Bit-Wandler mit demselben Bereich hat ein LSB von 0,149 µV.

Das LSB allein sagt wenig über eine Messung. Entscheidend ist, wie viele dieser Stufen das Sensorsignal überstreicht. Ein Sensor mit 0 bis 10 mV nutzt bei direktem Anschluss 262 der 65 536 Codes dieses 16-Bit-Wandlers. Mit einer Verstärkung von 128 wird dasselbe Signal zu 1,28 V und nutzt 33 554 Codes. Der Rechner teilt den Messbereich durch die genutzten Codes und gibt das Ergebnis in der Einheit des Sensors aus: in diesem Beispiel 0,003 N pro Code für einen 100-N-Kraftsensor.

Die Rechenschritte

  1. LSB = Eingangsbereich / 2^N.
  2. Verstärkte Sensorspanne = (Ausgang am Bereichsende − Ausgang am Bereichsanfang) × Verstärkung.
  3. Genutzte Codes = verstärkte Spanne / LSB.
  4. Auflösung = Messbereich / genutzte Codes.

Der genutzte Anteil des Eingangsbereichs zeigt, wie gut die Verstärkung passt. Unter etwa 10 % liegt der Wandler größtenteils brach, und der Rechner weist darauf hin; über 100 % wird das Signal begrenzt, und das Ergebnis wird als außerhalb des Bereichs markiert.

Rauschfreie Bits

Ein hochauflösender Wandler liefert nicht alle Bits als stabile Zahl. Thermisches Rauschen lässt die letzten Bits flackern, umso mehr bei hohen Datenraten und hohen Verstärkungen. Datenblätter geben dafür für jede Datenrate und Verstärkung die rauschfreie oder die effektive Auflösung an. Die rauschfreie Auflösung ist der Spitze-Spitze-Wert: die Anzahl Bits, die nicht flackern. Die effektive Auflösung beruht auf dem Effektivwert des Rauschens und liegt beim selben Wandler etwa 2,7 Bit höher.

Geben Sie die rauschfreien Bits für Ihre Einstellungen ein, um die Auflösung zu sehen, die Sie ohne Mittelung ablesen können. Bei einem 24-Bit-Wandler liegt sie oft zwischen 16 und 20 Bit, was das Ergebnis um den Faktor 16 bis 256 verändert.

Brücken und ratiometrische Messung

Eine DMS-Brücke oder Wägezelle wird meist ratiometrisch gemessen: Die Speisespannung ist zugleich die Referenz des Wandlers. Der Eingangsbereich ist dann an die Speisespannung gekoppelt, und eine Änderung der Speisespannung hebt sich auf. Für 5 V Speisung und einen bipolaren Eingang von ±2,5 V geben Sie −2,5 und 2,5 als Eingangsbereich ein. Der DMS-Brückenrechner und der Wägezellen-Rechner liefern das Sensorsignal, das hier einzugeben ist.

Stromschleifen

Ein 4–20-mA-Signal, gemessen über einem 250-Ω-Widerstand, ergibt 1 bis 5 V. Geben Sie 1000 und 5000 mV als Sensorausgang und den Bereich des Transmitters als Messbereich ein; der 4–20-mA-Rechner übernimmt die Skalierung selbst.

Auflösung ist nicht Genauigkeit

Auflösung ist die kleinste Änderung, die einen anderen Code ergibt. Genauigkeit ist, wie nah der Code an der Wahrheit liegt, und wird vom Sensor, von der Referenzspannung, von Verstärkungs- und Offsetfehlern des Verstärkers und von der Nichtlinearität des Wandlers bestimmt. Ein 24-Bit-Wandler hinter einem Sensor mit 0,1 % Fehler misst trotzdem nur auf 0,1 %. Nutzen Sie die Auflösung, um zu entscheiden, ob eine kleine Änderung sichtbar wird, nicht um eine Unsicherheit anzugeben.

Häufige Fragen

Warum 2^N und nicht 2^N − 1?

Ein N-Bit-Wandler hat 2^N Codes, und seine Übertragungsfunktion ist mit einem LSB von Bereichsendwert geteilt durch 2^N definiert. Teilen durch 2^N − 1 ergibt den Abstand zwischen der Mitte des ersten und des letzten Codes; der Unterschied liegt weit unter jedem anderen Fehler.

Ist mehr Verstärkung immer besser?

Bis das verstärkte Signal den Eingangsbereich erreicht, ja, was die Quantisierung angeht. Aber auch das Verstärkerrauschen wird verstärkt, und die rauschfreie Auflösung der meisten Wandler sinkt mit steigender Verstärkung. Vergleichen Sie das Ergebnis mit den rauschfreien Bits für die gewählte Verstärkung.

Kann ich die Auflösung durch Mittelung verbessern?

Mittelung verringert Rauschen, bei zufälligem Rauschen um den Faktor zwei für jede Vervierfachung der Messwerte, auf Kosten der Ansprechzeit. Offset, Drift und Nichtlinearität beseitigt sie nicht.

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