Schaltungstipp

Universelles analoges Eingangsboard für SPS/DCS

| Autor / Redakteur: Songtao Mu * / Kristin Rinortner

Bild 1: Vereinfachtes Blockdiagramm (nicht alle Verbindungen sind dargestellt)
Bild 1: Vereinfachtes Blockdiagramm (nicht alle Verbindungen sind dargestellt) (Bild: Analog Devices)

In diesem Schaltungstipp stellen wir ein universelles analoges Eingangsboard mit vier- oder sechspoligen Anschlussblöcken vor, das für den Anschluss an SPSen und DCS-Module geeignet ist. Die Evaluierungssoftware wurde mit LabView entwickelt und arbeitet unter Windows XP, Vista und XP.

Die Schaltung in Bild 1 verfügt über zwei isolierte, universell verwendbare 16-Bit-Analogeingänge, die für den Anschluss an speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und DCS-Module (Distributed Control System) geeignet sind. Beide Kanäle sind per Software programmierbar und unterstützen mehrere Spannungs- und Strombereiche sowie verschiedene Thermoelemente und RTDs (Resistance Temperature Detectors, Widerstandsthermometer). Die Eingänge des Boards sind gegen Überspannungen von ±30 V geschützt.

Das Demonstrationsboard enthält zwei differenzielle, komplett isolierte und universell einsetzbare Eingangskanäle. Einer davon ist mit einem vierpoligen Anschlussblock (CH2), der andere mit einem sechspoligen Anschlussblock (CH1) versehen.

Beim vierpoligen Anschlussblock (CH2) teilen sich Spannungs-, Strom-, Thermoelement- und RTD-Eingänge die gleichen vier Anschlüsse. Dadurch wird die Zahl der erforderlichen Anschlusspins minimiert. Beim sechspoligen Anschlussblock (CH1) nutzen die Spannungs- und Stromeingänge ein Set mit drei Anschlüssen. Thermoelement- und RTD-Eingänge teilen sich ein weiteres Set mit drei Anschlüssen. Damit sind zwar mehr Anschlüsse erforderlich, doch reduzieren sich die Zahl der Bauteile sowie die Bauteilkosten. Bild 2 zeigt das Board, Bild 3 das detaillierte Schaltbild.

Schaltungsbeschreibung

Der rauscharme Sigma/Delta-A/D-Wandler AD7795 mit auf dem Chip integriertem Instrumentenverstärker und Referenz wird für die Datenwandlung verwendet. Instrumentenverstärker und Stromquellen repräsentieren eine Komplettlösung für Widerstandsthermometer- und Thermoelementmessungen. Für die Spannungs- und Stromeingänge wird der Instrumentenverstärker AD8226 mit einer Gleichtaktunterdrückung >90 dB verwendet, um eine hohe Eingangsimpedanz zu erhalten und Gleichtaktinterferenzen zu unterdrücken. Die Spannungs- und Stromsignale werden mit einem Präzisionswiderstandsteiler auf den Bereich des A/D-Wandlers skaliert. Der ADR441, eine extrem rauscharme Low-Dropout XFET-Spannungsreferenz mit 2,5 V, dient als Referenz für den ADC.

Vierpoliger Anschlussblock CH2

Für den vierpoligen Anschlussblock (CH2) wird der Latchup-feste Schalter ADG442 mit geringem Durchlasswiderstand verwendet, um zwischen Spannungs-, Strom-, Thermoelement- und RTD-Eingangsmodus umzuschalten. Die Digital- und Stromversorgungs-Isolation wird mit dem ADuM3471 erreicht. Der ADuM3471 ist ein PWM-Controller und Transformatortreiber mit vierkanaligem Isolator, der zum Erzeugen einer isolierten Versorgungsspannung von ±15 V mit einem externen Transformator dient. Auch der dreikanalige Digitalisolator ADuM1311 kommt bei der Schaltung mit vierpoligem Anschlussblock zum Einsatz. Er isoliert die Steuerleitungen für die Schalter ADG442.

Der 36-V-Abwärts-DC/DC-Regler ADP2441 besitzt bezüglich seiner Eingangsspannung eine große Toleranz. Er eignet sich damit gut für in der Industrie übliche Versorgungsspannungen von 24 V. Das Bauteil akzeptiert bis zu 36 V und vereinfacht dadurch einen zuverlässigen Transientenschutz am Versorgungseingang. Der ADP2441 erzeugt aus der Eingangsspannung jene 5 V, aus denen der ADuM3471 sowie alle anderen Schaltungen auf der Controller-Seite versorgt werden. Die 24-V-Versorgung ist durch einen diskreten standardmäßigen Überspannungsschutz zusätzlich gesichert.

Der ADP2441 bietet eine Reihe von Zusatzfunktionen für Sicherheit und Zuverlässigkeit. Dazu gehören UVLO (Undervoltage Lockout), Precision Enable, ein Power-Good-Anschluss und eine interne Strombegrenzung. Das Bauteil kann in der Konfiguration für 24 V am Eingang und 5 V am Ausgang einen Wirkungsgrad bis zu 90% erreichen.

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