Schaltungstipp

Analogwertausgabe mit Kanalüberwachung

| Autor / Redakteur: Thomas Tzscheetzsch * / Kristin Rinortner

Bild 1: Beispiel für eine Ausgabe-Baugruppe der Automatisierungstechnik
Bild 1: Beispiel für eine Ausgabe-Baugruppe der Automatisierungstechnik (Bild: Analog Devices)

In Zeiten von Industrie 4.0 wird es immer wichtiger, die Zuverlässigkeit und Fehler­erkennung von Baugruppen zu erhöhen. Ebenso wichtig ist die Ausnutzung des vorhandenen Bauraums, da die Anzahl der analogen Ein- bzw. Ausgabekanäle bei gleicher Bauform zunimmt.

Die in Bild 1 gezeigte Schaltung erfüllt die Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit und Fehlererkennung bei guter Ausnutzung des vorhandenen Bauraums: Sie bietet eine hohe Kanalzahl bei gleichzeitig erweiterter Diagnosefunktion.

Beschreibung der Schaltungsteile

Der Kernbaustein, der AD5390 von Analog Devices, ist ein 16 Kanal D/A-Wandler mit Monitoring-Funktion. Die einzelnen D/A-Wandler geben eine Spannung von 0 V bis max. 2,5 V (UREF) aus, ihnen folgt jeweils ein integrierter Operationsverstärker als Ausgangspuffer mit einer Verstärkung von 2.

Der D/A-Wandler besitzt eine Auflösung von 14 Bit, eine interne Referenz sowie einen Multiplexer, der es ermöglicht, eines von zwei externen Signalen (MON_in1 bzw. 2) oder einen der Spannungsausgänge auf einen Ausgang zu schalten (MON_OUT). Die beiden externen Signale können z.B. die Referenzspannung der internen oder einer externen Spannungsreferenz (in diesem Fall die 2,5-V-Referenz ADR4525) oder die Versorgungsspannung sein. Die Auswertung der Spannung am MON_OUT Pin des D/A-Wandlers übernimmt der AD7091, ein 12 Bit A/D-Wandler mit einer Wandlungsrate von 1 MSample/s.

Dieser Baustein wurde aufgrund seiner Baugröße gewählt und da er seine Referenz aus der Versorgungsspannung erzeugt. Dadurch wird keine zweite Referenzspannungsquelle benötigt, was es ermöglicht, die Referenz für den D/A-Wandler zu überwachen.

Konfiguration der Ausgänge

In der Automatisierungstechnik sind sogenannte Einheitssignale oder auch Normsignale üblich. Diese sind z.B. 0 bis 20 mA, 0 bis 5 V, 0 bis 10 V und auch die bipolaren Varianten der Spannungssignale. Da der D/A-Wandler nur 0 bis 5 V ausgeben kann, sind für die Erzeugung der anderen Signale zusätzliche Schaltungsteile nötig.

In Bild 1 sind verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt, die alle auf dem ADA4177, einem Verstärker mit integrierten Filtern gegen elektromagnetische Störungen und Schutz gegen Überspannungen. Diese Eigenschaften machen den Baustein neben der Funktion als Ausgangspuffer auch sehr gut geeignet als Eingangspuffer.

Der Vierfach-Operationsverstärker wird als nicht invertierender Verstärker für die Ausgabe von 0 bis 10 V konfiguriert, für die bipolaren Spannungen als Differenzverstärker mit unterschiedlichen Verstärkungen. Soll eine Stromschnittstelle realisiert werden, wird noch ein zusätzlicher Transistor notwendig.

Diese Variante findet man jedoch sehr selten, da es hier integrierte Bausteine gibt, die, unabhängig von der Last, einen sehr genauen Strom ausgeben.

Funktionale Sicherheit

Die Schaltung kann zur Sicherheit beitragen, da falsche Ausgabewerte schnell erkannt werden können. Zum einen lassen sich die Registerwerte des D/A-Wandlers im sogenannten Read-back Mode auslesen. Dadurch ist es recht einfach möglich festzustellen, ob sich ein Wert im D/A-Wandler geändert hat.

Des Weiteren kann der jeweilige Ausgangskanal über den externen A/D-Wandler nachgemessen werden. Durch die geringere Auflösung des A/D-Wandlers sind hierbei trotzdem Vergleiche mit einer Genauigkeit im Bereich von 0,5 bis 1 Promille möglich. Wenn dann noch die Referenzspannung und die Versorgungsspannung überwacht werden, lassen sich viele Fehler sofort erkennen bzw. umgehen. Dies kann zum Beispiel durch die Umschaltung von der externen auf die interne Referenz erfolgen.

Fazit und Ausblick

Durch immer höhere Integration werden sicherheitsrelevante Anwendungen in immer mehr Applikationen möglich. Neben den hier gezeigten Möglichkeiten der Überwachung werden weitere Funktionen in die Bausteine integriert, angefangen bei der Überwachung der seriellen Schnittstellen wie SPI über ein CRC-Modul bis hin zum Test der kompletten Signalkette im Baustein durch verschiedene Stimuli. So können teilweise Anwendungen, die SIL2 oder SIL3 benötigen, mit immer geringerem Aufwand realisiert werden.

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

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