Schaltungstipp Universelles analoges Eingangsboard für SPS/DCS

Autor / Redakteur: Songtao Mu * / Kristin Rinortner

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.

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

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.

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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.

Die Hardware

Bild 4 zeigt, wo sich die Kanäle bei einem vierkanaligen bzw. bei einem sechskanaligen Anschlussblock befinden. Zu sehen ist auch der Eingang für die 24-V-Versorgungsspannung.

Kanalauswahl

Zur Konfiguration der Versorgungsanschlüsse wie auch der SPI-Signale zwischen den Kanälen CH1 und CH2 müssen Jumper gesteckt werden (Tabelle 1).

Versorgungsspannungs-Konfigurationen auf der Controllerseite

Eine Spannung von 24 V wird zur Versorgung der Controller-Seite der Leiterplatte verwendet. Alternativ kann man eine Spannung von 5 V einspeisen. Dabei wird die Schaltung des ADP2441 umgangen (Bypass). Dieser 5-V-Eingang hat keinen Überspannungsschutz; die Spannung darf 6 V nicht überschreiten. Die verwendete Versorgungsspannung lässt sich mit Hilfe der Option J4 Link auswählen (Tabelle 2).

Auf der Feld-Eingangsseite der Schaltung gibt es zwei Optionen, geregelte 5 V für die Analogschaltung bereitzustellen. Entweder kann der Linearregler ADP1720 verwendet werden, um die 15 V auf 5 V herunterzubringen. Alternativ kann man den internen 5-V-Regler im ADuM3471 nutzen. Die Link-Konfigurationen für beide Fälle zeigt Tabelle 3.

Spannung und Strom

Der Anschluss P12 wird für Spannungs- und Strom-Eingangsverbindungen verwendet. Die Bilder 11 und 12 zeigen vereinfachte Schaltungen für die Eingangskonfektionierung und Konfiguration. Zur Auswahl stehen differenzielle Eingänge in den Bereichen 0 bis 5 V, 0 bis 10 V, ±5 V, ±10 V, 0 bis 20 mA, 4 bis 20 mA und ±20 mA. Spannungs- oder Stromeingänge sind zwischen V1+ und V1– anzuschließen. Für Stromeingänge schließt man die Pins V1+ und I1 kurz und verbindet sie mit einen 249-Ω-Präzisions-Strommesswiderstand mit einer Genauigkeit von 0,1% und 0,25 W.

Das Thermoelement

Der Anschluss P12 dient auch zum Anschluss von Thermoelementen. Die Thermoelementtypen wie J, K, T und S lassen sich verwenden. Das Thermoelement wird an die Eingänge V1+ und V1- angeschlossen (Bild 5). Bild 6 zeigt, wie man ein Thermoelement (z.B. Typ T) an das analoge Eingangsboard anschließt. Bild 13 zeigt die vereinfachte Schaltung des Thermoelementeingangs.

Das Widerstandsthermometer

Die Anschluss P12 und P13 dienen als RTD-Eingänge. Die Hardware unterstützt Platin-Widerstandsthermometer mit 1000 und 100 Ω. Im Dreidraht-Modus sind die zwei gemeinsamen Leitungen mit V1+ und V1– verbunden. Die dritte Leitung ist an Vm angeschlossen (Bild 5). Bild 7 zeigt, wie man einen Dreidraht-RTD-Sensor an das analoge Eingangsboard anschließt. Bild 14 zeigt eine vereinfachte Schaltung des RTD-Eingangs.

Spannung und Strom

Der Anschluss P10 wird für Spannungs- und Stromeingangsverbindungen verwendet. Zur Auswahl stehen differenzielle Eingänge in den Bereichen 0 bis 5 V, 0 bis 10 V, ±5 V, ±10 V, 0 bis 20 mA, 4 bis 20 mA und ±20 mA. Man verbindet Spannungs- oder Stromeingänge zwischen V1+ und V1– (Bild 13). Für Stromeingänge sind zusätzlich die Pins V1+ und I1 kurzzuschließen. Damit wird die Verbindung an einen 249-Ω-Präzisionsmesswiderstand mit einer Genauigkeit von 0,1% und 0,25 W hergestellt.

Das Thermoelement

Der Anschluss P11 ist für Thermoelementeingänge vorgesehen. Als Thermoelementtypen lassen sich J, K, T und S anschließen. Das Thermoelement ist mit den Eingängen V+ und V- verbunden (Bild 8). Bild 9 zeigt, wie man ein Thermoelement (Typ T in diesem Beispiel) an das analoge Eingangsboard anschließt.

Das Widerstandsthermometer

Der Anschluss P11 wird auch für den RTD-Eingang genutzt. Die Hardware unterstützt PT 1000 als auch PT 100. Im Dreidraht-Mode sind die beiden gemeinsamen Leitungen an V+ und V– angeschlossen. Die dritte Leitung ist mit Vm verbunden (Bild 8). Bild 10 zeigt, wie man einen Dreidraht-RTD-Sensor an das Eingangsboard anschließt.

Die Software

Das analoge Eingangsboard wird mit einer CD ROM geliefert, auf der sich die mit Labview entwickelte Evaluierungssoftware befindet. Die Software kann auf einem PC mit Windows XP (SP2), Vista (32 Bit und 64 Bit) oder Windows 7 (32 Bit und 64 Bit) installiert werden. Um die Evaluierungssoftware zu nutzen, ist zusätzlich die SDP-B (System Demonstration Platform Version B) erforderlich.

Nach dem Start der Evaluierungssoftware werden zunächst automatisch die optimierten Default-Konfigurationen sowie kalibrierte Parameter aus dem EEPROM der Hardware in die Software hochgeladen. Mit der Evaluierungssoftware können Benutzer Daten vom analogen Eingangsboard erfassen. Diese können analysiert und in einer Datei gespeichert werden. Die Ergebnisse der Analyse werden auf dem Bildschirm in Form von Kurven und im digitalen Format dargestellt. Anwender können ihre eigenen Konfigurations- und Kalibrierungswerte vorgeben und diese in dem auf dem Board befindlichen EEPROM speichern. Die Software speichert die aktuelle Konfiguration und lädt sie beim nächsten Start der Software automatisch.

Software-Installation

  • 1. Legen Sie die CD ROM ein oder laden Sie das Software-Installationspaket von ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0325/ herunter.
  • 2. Suchen Sie die Datei Setup.exe auf der CD oder in den heruntergeladenen Dateien. Doppelklicken Sie auf die Datei, um die Installation zu starten.
  • 3. Folgen Sie den Anweisungen auf dem Bildschirm bis zum Ende der Installation.

Installieren Sie die Evaluierungssoftware unbedingt bevor Sie das Evaluation-Board und das SDP-Board an den USB-Port des PC anschließen. Nur so wird sichergestellt, dass das Evaluierungssystem und das SDP-Board nach dem Anschluss an den PC richtig erkannt werden.

  • 1. Verbinden Sie das EVAL-SDP-CB1Z mit dem USB-Port des PC mit dem mitgelieferten Kabel.
  • 2. Verbinden Sie das Evaluation-Board EVAL-CN0325-SDPZ an einen der SDP-Anschluss.
  • 3. Schalten Sie das EVAL-CN0325-SDPZ ein (stellen Sie sicher, dass die Jumper, wie im Abschnitt „Hardware“ beschrieben, richtig gesteckt sind).
  • 4. Starten Sie die Software EVAL-CN0325-SDPZ („CN0325.exe“) und klicken Sie sich durch die Dialogboxen. Dies schließt die Installation ab.

Verwenden der Software

Das Hauptpanel der Software ist in Bild 16 zu sehen. Die Hardware wird über den Configuration Reiter konfiguriert. Dieser ist in drei Sub-Reiters für die verschiedenen Kernfunktionen eingeteilt. Der Acquisition Result Reiter zeigt alle Daten vom A/D-Wandler und wandelt Ergebnisse in die relevanten Einheiten. Der Calibration Tab erlaubt Anwendern, alle Bereiche zu kalibrieren. Einzelheiten über das angeschlossene SDP-Board und die Software findet man im S/W Version Info Reiter.

Hauptfenster Bedienelemente

Connect to SDP: Klicken Sie, um die Verbindung zwischen SDP-Board und Evaluation-Board herzustellen.

Disconnect to SDP: Klicken Sie, um die Verbindung zwischen SDP-Board und Evaluation-Board zu trennen.

Single Capture: Klicken Sie, um „Single Capture” (Einzelwert-Erfassung) zu starten.

Start (Stop) Acquisition: Klicken Sie, um eine kontinuierliche Erfassung zu beginnen oder zu beenden.

Save Data: Speichern Sie die von der Software angezeigten Daten in eine Datei für weitere Analysen.

Quit: Beenden der Applikation.

Unterregister Hardware Konfiguration

Das Bild zum Unterregister Hardware Konfiguration (Bild 17) zeigt die richtige Position der Jumper und Leitungsverbindungen entsprechend der Eingangswahl. Um richtige Ergebnisse sicherzustellen, sollte die Jumper-Position so sein wie im Bild 17 gezeigt. Die unterschiedlichen Eingangsauswahloptionen sind unten beschrieben.

Schaltungstyp: Zur Wahl stehen zwei komplett isolierte analoge Eingangsschaltungen: „Type1-6TB“, die preiswerteste Lösung mit sechs Anschlüssen für Sensor- und Signalverbindung oder „Type2- 4TB“, eine kompaktere Lösung mit nur vier Anschlüssen für Sensor- und Signalverbindungen.

Eingangssignaltyp: Das Evaluation-Board kann mehrere Signaltypen inklusive Spannung, Strom, Thermoelement und Widerstandsthermometer wandeln. Nach der Eingangswahl muss der gewünschte Bereich des Thermoelements/Widerstandsthermometers gewählt werden.

Erfassungsmodus: Einstellen der Methode zur Erfassung der Daten. Im „Single Capture“-Modus wird nur die spezifizierte Anzahl der Messwerte (Samples) erfasst. Im Modus „Continuous Capture” werden Daten so lange kontinuierlich erfasst, bis der Anwender die Erfassung stoppt.

Unterregister Konfiguration AD7795

Für jeden im Unterregister Hardware Konfiguration gewählten Eingangssignalbereich gibt es eine standardmäßig eingestellte Konfiguration im analogen Eingangsboard. Der Reiter AD7795 Konfiguration (Bild 17) erlaubt eine Baustein-spezifische Konfiguration und bietet die Möglichkeit zur Evaluierung des Boards mit einer anderen Konfiguration als der voreingestellten.

Die Nutzung dieses Registers erfordert spezielle Kenntnis der Register, Funktionen und Hardwarestruktur des AD7795. Eine inkorrekte Konfiguration kann zu Fehlern bei der Erfassung oder Betriebsfehlern führen. Das Schaltelement Recover All (Current) range to Default wird verwendet, um die standardmäßig eingestellten Konfigurationen für den oder die Bereiche wiederherzustellen.

Unterregister Konfiguration ADT7310

Es gibt einen On-Board Temperatursensor, den ADT7310, welcher sich zwecks Kaltstellenkompensation während der Thermoelementmessung ganz in der Nähe des Anschlussblocks befindet. Normalerweise ist eine Default-Konfiguration in das analoge Eingangsboard geladen. Das ADT7310-Konfigurations-Reiter (Bild 18) erlaubt eine Baustein-spezifische Konfiguration und bietet die Möglichkeit zur Evaluierung des Boards mit einer nicht voreingestellten Konfiguration. Die Nutzung dieses Reiters erfordert ebenfalls spezielle Kenntnis der Register, Funktionen und Hardwarestruktur des ADT7310.

Register zur Ergebniserfassung (Acquisition Result tab) und Unterregister Bearbeitetes Ergebnis(Converted Result Sub-tab)

Ein Ergebnis basiert auf den Rohdaten des Datenwandlers und wird zusammen mit den Kanal-Konfigurations- und Kalibrierungswerten in physikalische Einheiten umgerechnet. Die Darstellung der Daten dieses Unterregisters erfolgt über die Zeitachse (Bild 19). Die Daten werden zusätzlich mathematisch analysiert, um folgende Informationen zu erhalten: Anzahl der Messwerte (Samples), Durchschnitts-, Minimum- und Maximalwerte, Effektiv- und Spitze/Spitze-Rauschen sowie Effektiv- und Spitze/Spitze-Auflösung.

Unterregister ADC-Rohdaten

Die erfassten, direkt aus dem A/D-Wandler ausgelesenen Daten zeigt der Signalverlauf dieses Unterregisters. Die Daten werden auch analysiert, um folgende Informationen zu erhalten: Anzahl der Messwerte (Samples), Durchschnitts-, Minimum- und Maximalwerte, Effektiv- und Spitze/Spitze-Rauschen sowie Effektiv- und Spitze/Spitze-Auflösung.

Unterregister Histogramm

Das Histogramm-Register (Bild 20) zeigt die Verteilung der erfassten Roh-ADC-Daten. Dieses Chart kann verwendet werden, um Rauschen und Erfassungsstabilität zu evaluieren.

Die Kalibrierung

Register Kalibrierung (Calibration tab)

Diese Software stellt auch unabhängig kalibrierte Parameter für alle Eingangssignale und Sensortypen zur Verfügung. Dies ermöglicht Anwendern, Offset und Verstärkung des Systems genau zu kalibrieren, um eine hohe DC-Genauigkeit für das System zu erhalten (Bild 21). Die kalibrierten Parameter können in dem auf dem Board befindlichen EEPROM zur späteren Nutzung gespeichert werden. Eine komplette Kalibrierung erfordert eine Nullpunkt sowie eine Skalenendwert-Kalibrierung.

Die folgenden Schritte ermöglichen eine einwandfreie Kalibrierung:

  • 1. Wählen Sie den zu kalibrierenden Eingangsbereich
  • 2. Legen Sie das richtige Eingangssignal, spezifiziert in Zeroscale Value (Nullwert), an und klicken Sie den Knopf Zero Calibrate. Folgen Sie der Eingabe, um die Zero-Scale-Kalibrierung abzuschließen.
  • 3. Legen Sie das richtige Eingangssignal, spezifiziert in Fullscale Value (Skalenendwert), an und klicken Sie den Knopf Zero Calibrate. Folgen Sie der Eingabe, um die Zero-Scale-Kalibrierung abzuschließen.
  • 4. Klicken Sie den Knopf Save into EEPROM

Die kalibrierten Parameter werden im internen Kalibrierungsregister des A/D-Wandlers gespeichert. Nur wenn der Anwender den Knopf Save into EEPROM drückt, werden die neuen Kalibrierungswerte permanent im EEPROM gespeichert und bei der nächsten Auswahl des Bereichs geladen. Kopien der werkseitig eingestellten Kalibrierungswerte sind im EEPROM gespeichert. Indem man Recover to Default klickt, werden alle Kalibrierungswerte in den Ausgangszustand zurückgesetzt.

Inforegister S\W-Version

Bild 22 zeigt ein Bild des InfoReiters S\W-Version. Dieser Reiter liefert Informationen über das angeschlossene SDP-Board.

Durch Klicken des Knopfes Flash LED wird die LED am SDP eingeschaltet. Dies zeigt an, dass die Verbindung zwischen SDP und Evaluation-Board einwandfrei ist. Durch Klicken des Knopfes Read Firmware wird die Information über den aktuellen Code auf der SDP-Plattform gelesen.

Die Bedeutung der Parameter:

Major Rev: Die Hauptcode-Revisionsnummer

Minor Rev: Die Kleincode-Revisionsnummer

HostCode Rev: Die Version des Host-Code mit der die Firmware entwickelt wurde

BlackFinCode Rev: Die BlackFin-Code Revisionsnummer der Firmware

Date: Datum der Code-Kompilierung

Time: Zeit der Code-Kompilierung

* Songtao Mu arbeitet als Segment System Application Engineer bei Analog Devices in Wilmington, USA.

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