Analoge Eingangsmodule für Prozesssteuerungen

| Autor / Redakteur: Cathal Casey * / Kristin Rinortner

Prozesssteuerung: Kosten und Leistungsfähigkeit müssen sorgsam gegeneinander abgewägt werden. Hier helfen unipolare 
Versorgungsspannungen als Ersatz für teure bipolare Stromversorgungen.
Prozesssteuerung: Kosten und Leistungsfähigkeit müssen sorgsam gegeneinander abgewägt werden. Hier helfen unipolare 
Versorgungsspannungen als Ersatz für teure bipolare Stromversorgungen. (Bild: ©fotopic - stock.adobe.com)

Mit einem hochintegrierten, konfigurierbaren System-ADC lassen sich analoge Eingangsmodule einfach entwickeln. Der AD4111 detektiert Stromkreisunterbrechungen und lässt sich unipolar betreiben.

Beim Entwurf analoger Eingangsmodule für Anwendungen in der Prozesssteuerung wie etwa in speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) oder Prozessleitsystemen müssen Leistungsfähigkeit und Kosten abgewägt werden. Traditionell wird in diesem Bereich eine bipolare Versorgungsspannung von ±15 V zur Speisung von aktiven Frontend-Komponenten benutzt, die Eingangssignale abschwächen oder verstärken.

Dies erhöht nicht nur den Materialaufwand, sondern führt zu einer komplexeren Schaltung, weil eine bipolare Stromversorgung entwickelt werden muss. Alternativ dazu lassen sich mit einer unipolaren Versorgungsspannung von +5 V Kosten sparen. Diese reduziert die Komplexität der Schaltung für die isolierte Stromversorgung für die analogen Frontends tatsächlich ganz erheblich.

Allerdings kann das dazu führen, dass die Messung mit einer geringeren Genauigkeit erfolgt. Ein A/D-Wandler übernimmt einen Großteil der für Spannungs- und Strommessungen erforderlichen Integration und behebt die Einschränkungen, die aus der Verwendung von +5 V resultieren.

Der genutzte AD4111 ist ein 24 Bit Sigma-Delta-A/D-Wandler, der durch Implementierung einer einfachen Signalkette die Entwicklungszeit verkürzt und die Kosten des Designs senkt. Gestützt auf die Technologie iPassives, enthält der Baustein neben dem eigentlichen A/D-Wandler auch ein analoges Frontend.

Sigma-Delta-Wandler mit einfacher Signalkette

Der Wandler kann deshalb am Eingang Spannungen von ±10 V und Ströme von 0 bis 20 mA verarbeiten, obwohl er nur mit einer unipolaren Versorgungsspannung von 5 oder 3,3 V betrieben wird.

Externe Bauelemente sind nicht erforderlich. Die Spannungseingänge sind für eine Bereichsüberschreitung bis zu ±20 V ausgelegt, bei denen der Baustein nach wie vor gültige Umwandlungsergebnisse liefert. Die absolute Maximalspezifikation für Spannungseingänge beträgt ±50 V. Die Auslegung der Stromeingänge für einen Bereich von 0,5 bis 24 mA ermöglicht präzise Strommessungen bis nahe 0 mA, während andererseits auch bis 24 mA exakte Strommessungen möglich sind.

Die Spannungseingänge besitzen eine garantierte Mindest-Impedanz von 1 MΩ. Dies erlaubt den Verzicht auf externe ±15-V-Puffer (Bild 2), was die Leiterplattenfläche und den Marktaufwand weiter verringert. Bei 5-V-Designs kommt die Bedingung zum Tragen, dass für jeden Spannungseingang ein hochohmiger Spannungsteiler benötigt wird, was den Platzbedarf auf der Leiterplatte erhöht. Das Design einer diskreten Lösung wird zu einem Balanceakt zwischen den Kosten und der Genauigkeit von Präzisionswiderständen. Der Chip enthält deshalb für jeden Eingang einen hochohmigen, präzisen Spannungsteiler (Bild 3).

Stromkreisunterbrechungen detektieren

Ein Nachteil von Designs mit unipolarer 5-V-Versorgung ist in der Regel das Fehlen einer Schaltung zum Erkennen von Stromkreisunterbrechungen. Diese wird in der Regel mit einem hochohmigen Widerstand implementiert, der mit der +15-V-Leitung verbunden ist und unbeschaltete Anschlüsse auf eine außerhalb des Bereichs liegende Spannung zieht.

Der A/D-Wandler zeichnet sich dagegen durch die Fähigkeit aus, Stromkreisunterbrechungen auch mit einer 5-V- oder 3,3-V-Stromversorgung zu erkennen. Hierdurch wird eine Stromkreisunterbrechung zudem von einem Bereichsüberschreitungs-Fehler unterscheidbar, was die Diagnose zusätzlich vereinfacht.

Da diese Funktion im Sigma-Delta A/D-Wandler eingebaut ist, entfällt die Notwendigkeit eines Pull-up-Widerstands am Frontend, und auch auf die +15-V-Versorgung kann verzichtet werden, was die Komplexität, den Flächenbedarf und die Emissionen der Isolationsschaltungen verringert. Für Anwendungen, die keine Erkennung von Stromkreisunterbrechungen benötigen, gibt es alternativ die Version AD4112, die abgesehen von der Detektion von Stromkreisunterbrechungen sämtliche Vorteile des AD4111 bietet.

Spannungsreferenz und internes Taktsignal

Die Integration einer Spannungsreferenz und eines internen Taktsignals in den Sigma-Delta A/D-Wandler AD4111 trägt zusätzlich zur Reduzierung der Leiterplattenfläche und des Materialaufwands bei. Dennoch bleibt die Möglichkeit zur Verwendung externer Bauelemente erhalten, wenn eine präzisere Umwandlung mit einem geringeren Fehler über die Temperatur erforderlich ist.

Die Bilder 2 und 3 zeigen typische High-End- und Low-End-Lösungen. Darin sind jeweils die Teile der Signalkette hervorgehoben, die sich gänzlich durch den A/D-Wandler ersetzen lassen. Die TUE-Angaben (Total Unadjusted Error) des Wandlers wurden so gewählt, dass sie den Systemanforderungen gerecht werden. In vielen Lösungen kann diese Genauigkeit den Verzicht auf eine zusätzliche Kalibrierung ermöglichen. In bestehenden hochpräzisen Lösungen werden die Module häufig kanalweise kalibriert. Da der ADC mit hochgradig angepassten Eingängen ausgestattet ist, wird mit der Kalibrierung eines Eingangs auch an allen anderen Eingängen eine vergleichbare Genauigkeit erreicht.

SPSen und Prozessleitsysteme werden oftmals unter rauen Umgebungsbedingungen eingesetzt und müssen elektromagnetischen Störbeeinflussungen standhalten. Das Design eines elektromagnetisch verträglichen Eingangsmoduls wird hierdurch komplexer.

Elektromagnetische Störungen minimieren

Die meisten Komponenten sind nicht EMV-gerecht konstruiert, wodurch das Design der eingangsseitigen Schutz- und Filterschaltungen zu einer komplexen Aufgabe wird, und der Zeitaufwand für das Design und den Test kann die Entwicklung erheblich verzögern.

Das Anmieten von EMV-Prüflaboren ist teuer, und fehlgeschlagene Tests führen ebenfalls zu langen Verzögerungen durch die Notwendigkeit zum Überarbeiten und erneuten Testen der Boards.

Für den A/D-Wandler wurde deshalb eine Leiterplatte entwickelt, mit der sich eine bewährte EMV-Lösung demonstrieren lässt. Das Board ist so charakterisiert, dass die Leistungsfähigkeit der Schaltung durch eingestrahlte oder leitungsgeführte Hochfrequenz-Störgrößen nicht permanent beeinträchtigt wird. Nachgewiesenermaßen besteht auch hinreichende Beständigkeit gegen elektrostatische Entladungen (ESD), elektrisch schnelle Transienten (EFT) und Spannungsimpulse nach den Normen der Reihe IEC 61000-4-x.

Eine Evaluierung erfolgte auch gemäß CISPR 11, wobei die abgestrahlten Störgrößen des Boards deutlich unter den Grenzwerten der Klasse A liegen. Weitere Informationen über die EMV-Platine zum ADC finden Sie in der Applikationsschrift AN-1572. Diese enthält alle notwendigen Angaben über die angewendeten Prüfprozeduren sowie den Schaltplan und das Layout des Leiterplatten-Designs für ein EMV-erprobtes Eingangsmodul für den A/D-Wandler.

Fazit: Der AD4111 ist ein hochintegrierter konfigurierbarer System-ADC. Die Spannungseingänge bis ±10 V und Stromeingänge von 0 bis 20 mA beim Betrieb an einer einzelnen Versorgungsspannung von 5 oder 3,3 V, die Detektion von Stromkreisunterbrechungen machen den Baustein zu einer guten Lösung für analoge Eingangsmodule.

Der in einem 6 mm x 6 mm großen LFCSP-Gehäuse mit 40 Anschlüssen angebotene Baustein ermöglicht den Bau von Modulen, die sonst eine komplexe Leiterplatte erfordern würden.

* Cathal Casey ist Applikationsingenieur in der Gruppe Precision Converter Technology bei Analog Devices in Cork, Irland.

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