Schaltungstipp

Messsystem mit 16 Bit Auflösung für industrielle Signalpegel

16.09.14 | Autor / Redakteur: Thomas Tzscheetzsch * / Kristin Rinortner

Bild 1: Beispiel für ein Datenerfassungssystem
Bild 1: Beispiel für ein Datenerfassungssystem (Bild: ADI)

In diesem Tipp stellen wir ein achtkanaliges Datenerfassungssystem mit einem Eingangsspannungsbereich bis zu ±24,576 V vor. Mit der Schaltung lässt sich ein System realisieren, das mit geringem Aufwand Normsignale nach DIN IEC 60381-1 und DIN IEC 60381-2 messen kann.

Die typischen Signalpegel in der Industrie sind immer noch die sogenannten Normsignale, auch Einheitssignal genannt. Neben pneumatischen Druck- und ratiometrischen Spannungssignalen werden in diesem Beitrag zwei Signale betrachtet, das Stromsignal nach DIN IEC 60381-1 und das Spannungssignal nach DIN IEC 60381-2.

Beide Signale gibt es mit einem „Standard“ Nullpunkt und mit spannungs- bzw. stromführenden Nullpunkt (live zero). Die beiden letztgenannten haben den Vorteil der Drahtbrucherkennung integriert. Die am meisten benutzten Bereiche sind 0 bis 20 mA (4 bis 20 mA) und 0 bis 10 V (2 bis 10 V).

Die Schaltung in Bild 1 zeigt ein sogenanntes DAS (Data Acquisition System; Datenerfassungssystem) mit einem Eingangsspannungsbereich bis zu ±24,576 V. Dadurch ist es möglich, ein System zu realisieren, das mit geringem Aufwand die oben erwähnten Normsignale messen kann.

Der Baustein ADAS3022 benötigt drei verschiedene Spannungen: ±15 V für das analoge Frontend sowie +5 V für die analoge und digitale Versorgung des Wandlers. Das Interface kann mit 5 V betrieben werden, bei Bedarf kann es auch mit einer eigenen Versorgung bis hinunter zu 1,8 V benutzt werden.

Zum Erzeugen der Spannung für das analoge Frontend dient im Beispiel ein ADP1613 in einer „SEPIC-CUK-Topologie“. Dadurch ist es möglich, das oben gezeigte System für Eingangsspannungen von 2,3 bis 60 V zu nutzen. Die Schaltung bedarf beim Betrieb mit höheren Spannungen einer gewissen Modifikation, was mit der kostenlosen Software „ADIsimPower“ recht einfach möglich ist.

Wird, wie im Beispiel, eine 5-V-Versorgungsspannung benutzt, entfällt ein Abwärtswandler, der sonst die Spannung für die analoge und digitale Versorgung des ADAS3022 erzeugen würde. Der ADP1613 wurde ausgewählt, weil die geringe Spannungswelligkeit der Schaltung eine hohe Genauigkeit der Wandlung von Spannungen bis ±24,576 V bei einer integralen Nichtlinearität (INL) von maximal ±2 LSB bzw. typisch ±0,5 LSB differenzieller Nichtlinearität (DNL) garantiert.

Der Baustein besitzt eine interne Referenz-Spannungsquelle, kann aber bei Bedarf auch mit einer externen Referenzspannung betrieben werden. In diesem Fall empfiehlt sich der Einsatz eines Referenz-Pufferverstärkers, im Beispiel ist dies der AD8031.

Dieser Verstärker eignet sich, weil er große kapazitive Lasten bei gleichzeitig hoher Bandbreite treiben kann. Auf den Einsatz eines Pufferverstärkers kann durch die sehr hohe Eingangsimpedanz der Eingangsstufe des Wandlers von 500 MΩ verzichtet werden. Auch die hohe Gleichtaktunterdrückung lässt die Schaltung ohne einen vorgeschalteten Instrumentenverstärker auskommen.

Flexible Konfiguration deckt viele Anwendungsbereiche ab

Durch seine flexible Konfiguration der Eingänge können sehr viele Anwendungsfälle abgedeckt werden, z.B. acht massebezogene Eingänge (der Bezugspunkt ist der Pin COM), vier differentielle Eingänge oder eine Kombination aus beiden Konfigurationen. Dabei ist es natürlich möglich, für jeden Kanal eine eigene Verstärkung im PGIA (programmierbarer Instrumentenverstärker) einzustellen.

Das Beispiel in Bild 2 zeigt einen typischen Anwendungsfall aus der Industrie. Die beiden Spannungen an IN0/IN1 und IN6/IN7 werden differenziell gemessen, alle anderen Spannungen und Ströme sind bezogen auf Masse (COM).

Einen leichten Einstieg ermöglichen entsprechende Entwicklungsboards der vorgestellten Bausteine. Die mitgelieferte Benutzeroberfläche lässt den Anwender die Bausteine auf dem Labortisch vom Computer aus testen. Aber auch die Integration in eine eigene Schaltung ist durch den 96poligen Standard-Steckverbinder einfach möglich.

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* Thomas Tzscheetzsch ist Senior Field Application Engineer bei Analog Devices in München.

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