Schaltungstipp

Analoges Frontend mit hoher Gleichtaktunter­drückung für die Prozesssteuerung

| Autor / Redakteur: Colm Slattery * / Kristin Rinortner

Bild 1: Leistungsfähiges analoges Frontend für die Prozesssteuerung (vereinfachte Blockschaltung; nicht alle Verbindungen sind dargestellt)
Bild 1: Leistungsfähiges analoges Frontend für die Prozesssteuerung (vereinfachte Blockschaltung; nicht alle Verbindungen sind dargestellt) (Bild: Analog Devices)

Eine gute Gleichtaktunterdrückung ist bei der Verarbeitung von Industriesignalpegeln wichtig. In diesem Tipp stellen wir eine analoge Eingangsstufe für die Prozesssteuerung vor, die auf eine hohe Genauigkeit und eine Gleichtaktunterdrückung von 105 dB (@100 Hz) optimiert ist.

Signalpegel in Systemen zur industriellen Prozesssteuerung lassen sich weitgehend in eine der folgenden Kategorien einteilen: Ströme (4 bis 20 mA), Spannungen (0 bis 5 V; 0 bis 10 V; ±5 V und ±10 V) oder kleine Signale von Sensoren wie Thermoelementen oder Wägezellen.

Große Gleichtaktspannungshübe sind ebenfalls typisch, speziell für differenzielle kleine Signale. Daher ist ein gutes Verhältnis der Gleichtaktunterdrückungen (CMRR) eine wichtige Spezifikation im analogen Signalverarbeitungssystem.

Die analoge Eingangsstufe (AFE) in Bild 1 ist bei der Verarbeitung dieser Industriesignalpegel auf hohe Genauigkeit und hohe Gleichtaktunterdrückung optimiert.

Bei Eingangssignal von 18 V CMR von 105 db

Die Schaltung verschiebt und dämpft die Signale, damit sie zu den Eingangsbereichen der meisten modernen SAR-A/D-Wandler mit unipolarer Versorgungsspannung, wie z.B. der 250 kSample/s schnelle 16 Bit A/D-Wandler AD7685, kompatibel sind.

Bei einem Eingangssignal von 18 Vss erzielt die Schaltung eine Gleichtaktunterdrückung (CMR) von etwa 105 dB bei 100 Hz und 80 dB bei 5 kHz. Hohe Genauigkeit, hohe Eingangsimpedanz und eine hohe Gleichtaktunterdrückung werden vom Instrumentenverstärker AD8226 bereitgestellt. Für Anwendungen mit hoher Genauigkeit ist eine hohe Eingangsimpedanz erforderlich, um Systemverstärkungsfehler zu minimieren und zugleich eine gute Gleichtaktunterdrückung zu erreichen. Die Verstärkung des AD8226 ist über Widerstände von 1 bis 1000 programmierbar.

Eine ohm’sche Pegelanpassungs-/Dämpfungsstufe direkt am Eingang würde auf Grund der Fehlanpassung der Widerstände unvermeidbar die Gleichtaktunterdrückung senken. Der AD8226 liefert eine Gleichtaktunterdrückung, die für kleine und große Signale am Eingang erforderlich ist. Die Pegelanpassungs-/Dämpfungs-/Treiberstufe AD8275 übernimmt die Dämpfungs- und Pegelanpassungsfunktion in der Schaltung. Externe Bauteile sind nicht erforderlich.

Sigma/Delta- versus SAR-A/D-Wandler

Normalerweise wurden in hochauflösenden Messsystemen Sigma/Delta-A/D-Wandler verwendet, da Signalbandbreiten recht niedrig sind und die Sigma/Delta-Architektur ein ausgezeichnetes Rauschverhalten bei niedrigen Update-Raten aufweist. Allerdings zeichnet sich speziell bei mehrkanaligen Systemen ein zunehmender Trend zu höheren Update-Raten ab. Damit sind schnellere Aktualisierungen pro Kanal möglich bzw. man erreicht eine höhere Kanaldichte.

In solchen Fällen ist ein leistungsstarker SAR-A/D-Wandler eine gute Alternative. Die Schaltung in Bild 1 nutzt den 250 kSample/s schnellen 16 Bit A/D-Wandler AD7685 zusammen mit dem Instrumentenverstärker AD8226 und dem Dämpfungs-/Pegelanpassungsverstärker AD8275, implementiert als komplette Systemlösung, ohne zusätzliche externe Bauteile.

Funktion der Schaltung

Die Schaltung besteht aus dem Instrumentenverstärker AD8226 mit Rail-to-Rail-Ausgang, der mit dem positiven Eingang des Differenzverstärkers AD8275 verbunden ist. Dessen Ausgang ist mit dem Eingang des 16 Bit A/D-Wandlers aus der Pulsar-Reihe AD7685 im MSOP/QFN-Gehäuse verbunden. Der AD8226 ist auf eine Verstärkung von 1 eingestellt (Hochvolt-/Strom-Eingänge). Sein Ausgang ist mit Masse verbunden. Massebezogene oder differenzielle Eingänge können genutzt werden.

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