AFE mit hoher Gleichtaktunterdrückung für die Prozesssteuerung

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 differentielle kleine Signale. Daher ist ein gutes Verhältnis der Gleichtaktunterdrückungen (CMRR) eine wichtige Spezifikation im analogen Signalverarbeitungssystem.

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

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

Gleichtaktunterdrückung optimiert. 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 rund 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.

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24 Bit Vierkanal-Datenerfassungssystem mit 156 kSample/s

In diesem Schaltungstipp stellen wir ein vierkanaliges, simultan abtastendes Datenerfassungssystem mit großem Dynamikbereich und hoher Übersprechdämpfung zwischen den Kanälen vor. Das System kann mit flexiblen Abtastraten arbeiten, verfügt über einfache Schnittstellen für die Anbindung an DSP oder FPGA und benötigt ein Minimum an externen Bauteilen.

Bei der Schaltung in Bild 1 handelt es sich um ein vierkanaliges, simultan abtastendes System mit hohem Dynamikbereich, wenig Übersprechen und flexiblen Abtastraten. Das System lässt sich mit minimalem Aufwand an Bauteilen realisieren und verfügt über einfache Schnittstellen für den Anschluss von DSP oder FPGA.

Zum Einsatz kommen vier 24 Bit Sigma-Delta-A/D-Wandler des Typs AD7765 in einer Daisy-Chain-Konfiguration, um die Verbindungen zum digitalen Host zu minimieren. Der komplett integrierte, differenzielle Ein/Ausgangsverstärker der AD7765-Modelle sowie die Referenzpuffer reduzieren die Anzahl externer Bauteile beachtlich.

Die Verwendung des Sigma-Delta-Wandlers in einer simultan abtastenden Konfiguration bietet folgende Vorteile: Bessere Kanal/

Kanal-Übersprechdämpfung als bei Lösungen mit mehreren 24 Bit A/D-Wandlern auf einem Chip. Der Dynamikbereich beträgt

112 dB bei Abtastraten von 156 kSample/s.

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Temperaturüberwachung mit Kaltstellen-Kompensation via USB

Im analogen Mikrocontroller sind zwei 24-Bit-Sigma-Delta-A/D-Wandler, zwei programmierbare Stromquellen, ein 14-Bit-DAC und eine 1,2-V-Referenz integriert. Ebenfalls  vorhanden  sind ein ARM7-Core mit 32 KByte Flash-Speicher, 4 KByte SRAM sowie verschiedene Peripheriefunktionen wie z.B. UART, Timer, SPI und I2C-Schnittstellen.

Die in Bild 1 dargestellte Anwendung kombiniert den ADuC7060/ADuC7061 mit einem Thermoelement und einem PT100-Messfühler, der für die Kaltstellen-Kompensation verwendet wird. Als Abtastrate wird 100 Hz gewählt. Stellt man den eingangsseitigen PGA auf eine Verstärkung von 32 ein, erreicht der analoge Mikrocontroller eine rauschfreie Auflösung von mehr als 18 Bit.

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„Grüner Strom“ aus Äpfeln, Orangen, Zitronen und Limetten

Jim Hensons Schöpfung Kermit, der Frosch, sagt: „Es ist nicht leicht, grün zu sein.“ Auch wir sind der Meinung, dass Energiesparen schwierig ist – aber auch unbedingt notwendig. Clevere Schaltungsentwickler und fortschrittliche Unternehmen erfüllen die diesbezüglichen Erwartungen ihrer Kunden. Beim Energiesparen kommt es auf kleinste Details an. Bei Energieeffizienz geht es um Microampere (µA). Zum Vergleich: eine 60W-Glühlampe verbraucht (bei 120 V Netzspannung) 0,5 A. Das sind 500.000 µA.

Warum muss man so genau messen? Weil die Summe aller Ströme zählt und weil man – wie bei jedem Budget – jede einzelne Kostenposition reduzieren muss, sei sie auch noch so klein. Es ist offensichtlich, dass die Verbraucher bei batteriebetriebenen Geräten großen Wert auf möglichst lange Batterielaufzeit legen. Bei netzbetriebenen Hausgeräten ist es weniger offensichtlich, dass auch sie Kosten verursachen, sobald sie an der Steckdose hängen – selbst im ausgeschalteten Zustand. Wenn bei einem Gerät im „ausgeschalteten“ Zustand eine Anzeige leuchtet, die signalisiert, dass das Gerät auf einen Fernsteuerungsbefehl, einen Tastendruck oder ein Timer-Signal wartet, verbraucht es Standby-Leistung.

Was kostet die Standby-Leistungsaufnahme? Die oben erwähnte 60-W-Glühlampe verursacht, wenn sie rund um die Uhr eingeschaltet ist, monatliche Stromkosten in Höhe von US-$ 14,65*. Ein Hausgerät, das im Standby-Modus 1 W verbraucht, verursacht Stromkosten in Höhe von US-$ 0,25, ohne irgend jemandem zu nutzen. Gehen Sie einmal durch eine typische Wohnung und zählen Sie die dort vorhandenen Hausgeräte, Fernsehapparate, Radios, Stereoanlagen, Computer, Garagentoröffner, Mikrowellenherde, Waschmaschinen, Wäschetrockner, Heizlüfter und Rasensprenger. Und zählen Sie die Akkuladegeräte noch dazu. Sie kommen leicht auf 20 Geräte, die im Standby laufen, und die meisten davon verbrauchen dabei mehr als 1W.

So weit die guten Nachrichten. Die schlechte Nachricht ist, dass eine Kabel-TV-Set-Top-Box im Betrieb 80 W und im Standby 79 W verbrauchen kann (Kosten: US-$ 19,53 bzw. 19,30). Eine Satelliten-Set-Top-Box kann sowohl im Betrieb als auch im Standby-Modus 120 W verbrauchen – und damit Stromkosten in Höhe von US-$ 29,30 verursachen.

Aber die monatlichen Stromkosten sind nur ein Aspekt – als verantwortliche Erdenbürger müssen wir auch die Auswirkungen auf die Umwelt bedenken. Als Schaltungsentwickler können wir durch sorgfältige Bauteilauswahl zum Umweltschutz beitragen – und glücklicherweise sind stromsparende Bauteile nicht unbedingt teurer. Da die Strukturbreiten von ICs mit jeder Generation kleiner werden, sind neuere ICs tendenziell energieeffizienter.

Bild 1: Ein Spannungsreferenz-IC wird durch eine Zitronenbatterie gespeist
Bild 1: Ein Spannungsreferenz-IC wird durch eine Zitronenbatterie gespeist

Was hat das alles mit Äpfeln, Orangen, Zitronen und Limetten zu tun? Und wie lässt sich anhand dieser Früchte „grüne“ Technologie demonstrieren? Nun ja, wenn eine Story medienwirksam sein soll, muss sie eine eingängige Überschrift haben. Die Überschrift besagt, dass ICs von Maxim so wenig Strom verbrauchen, dass eine „Obstbatterie“ – bestehend aus ein paar Äpfeln, Orangen, Zitronen oder Limetten – als Energiequelle genügt. Bild 1 zeigt eine solche Schaltung.

Batterie aus Obst

Diese 3,6-V-Batterie besteht aus vier Zitronenzellen. Jede Zelle liefert eine Spannung von 0,9 V bei Strömen bis zu etwa 100 μA. Die Spannungsreferenz MAX6029 liefert eine präzise Referenzspannung von 2,5 V und zieht einen maximalen Strom von 5,5 μA. Bild 1 illustriert den extrem geringen Stromverbrauch dieses IC.

Die Batteriespannung wird in erster Linie durch die chemischen Eigenschaften der Kupfer- und Zink-Elektroden bestimmt. Viele Früchte- und Gemüsesorten können als Batterien fungieren. Äpfel, Orangen, Zitronen, Limetten, Grapefruit und Kartoffeln liefern allesamt Spannungen zwischen 0,88 und 0,95 V pro Zelle. Die Farbe der Batterie ist eigentlich egal, aber wenn wir behaupten, durch Verwendung von Zitronen „grüner“ zu werden, dann ergibt das eine Überschrift, die die Story interessant macht.

Einer Schätzung zufolge werden etwa 10% des gesamten Strombedarfs von Haushalten durch Geräte im Standby-Modus verschwendet.² Das Energy Star-Programm, das von der US-Umweltschutzbehörde und dem U.S. Department of Energy ins Leben gerufen wurde, schätzt, dass 129 Millionen Haushalte durchschnittlich jeweils US-$ 2200 pro Jahr für elektrische Energie ausgeben.³ Aus diesen Zahlen kann man leicht errechnen, dass die Energievergeudung im Standby-Modus jährliche Kosten von etwa US-$ 28,3 Milliarden verursacht. Das ist eine atemberaubende Zahl – insbesondere wenn man bedenkt, dass der Standby-Modus nur dazu dient, dass wir es uns als Couch Potatoes bequem machen können. Wenn wir einfach aufstehen und einen Schalter betätigen würden, könnten wir uns diese Ausgabe ersparen.

Angesichts der Tatsache, dass wir US-$100 im Jahr sparen können, bekommt das Wort „grün“ auf einmal einen sehr angenehmen Klang. Jetzt, da wir wissen, was Energieeffizienz für jeden von uns persönlich bedeutet, können wir unsere Umweltschutzbemühungen nochmals verdoppeln. Zwar ist ein Microampere ein winzig kleiner Wert, doch angesichts von Milliarden Menschen auf der Welt macht die Summe einen gewaltigen Betrag aus.

Der Autor Bill Laumeinester ist als Strategic Application Engineer bei Maxim in Sunnyvale /USA tätig .

*Die Strompreise für Haushalte sind von Ort zu Ort unterschiedlich und zeitabhängig. Die zugrunde gelegten Preise galten für Haushalte in Nordkalifornien zum Zeitpunkt der Drucklegung dieses Applikationsberichts.

 

Weiterführende Literatur

¹“What are energy vampires and what can I do about them?“ ENERGY STAR (Stand: 27. September 2011).

²“Standby Power“ in Wikipedia, The Free Encyclopedia (Stand: 27. September 2011).

³“Where Does My Money Go?“ ENERGY STAR (Stand: 27. September 2011).

 

Rauscharmer Verstärker mit wählbarer Verstärkung

Für Datenerfassungssysteme, Sensorsignalaufbereitungslösungen und andere Anwendungen mit Eingangssignalen, die über einen großen Bereich variieren, sind Verstärker mit einstellbarer Verstärkung erforderlich. Bei herkömmlichen Verstärkermodellen mit einstellbarer Verstärkung werden Widerstände über Schalter in der Rückkopplungsschleife mit dem invertierenden Eingang verbunden.

Allerdings verschlechtert der Schalterwiderstand das Rauschverhalten des Verstärkers, bringt zusätzliche Kapazitäten in den invertierenden Eingang ein und trägt zum nichtlinearen Verstärkungsfehler bei. Das zusätzliche Rauschen und die zusätzliche Kapazität stören besonders dann, wenn mit rauscharmen Verstärkern gearbeitet wird. Der nichtlineare Verstärkungsfehler hingegen ist in Präzisionsanwendungen problematisch…

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Umgebungstemperatursensor mit Stromausgang

Kernstück der in Bild 1 gezeigten Schaltung ist der Thermoelement-Verstärker AD8494, der als eigenständiges Thermometer mit einer Ausgangsempfindlichkeit von 5 mV/°C arbeitet. Legt man beide Eingänge des Bausteins an Masse, wird die Thermoelement-Sensorfunktion außer Betrieb gesetzt und der Chip gibt eine Spannung aus, die proportional zur Temperatur des im Chip integrierten Sensors ist (TA).

Diese Ausgangsspannung wird präzise in einen Strom umgewandelt und anschließend mit dem MOSFET und den Präzisionswiderständen R1 und R2 mit einem vorgegebenen Verstärkungsfaktor wieder in eine Spannung umgesetzt…

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Strommessungen im Gleichtaktbereich von –270 bis +270 V

Zur Lasttromerfassung werden Widerstände sowohl in High-Side- als auch in Low-Side-Applikationen gemessen. Üblicherweise wird dabei ein Messwiderstand (Rs) in Reihe mit der Last geschaltet, durch welche der zu messende Strom fließt. Der fließende Strom generiert über dem Widerstand einen messbaren Spannungsabfall (Vs). Der Wert des Shunt-Widerstands hängt vom Bereich des zu messenden Laststromes ab.

Der Wahl des Widerstandswertes wird durch die erforderliche Kleinsignalgenauigkeit und den maximal zulässigem Spannungsabfall eingegrenzt. Hohe Werte für Rs liefern eine höhere Genauigkeit bei niedrigeren Strömen. Niedrige Werte für Rs minimieren den Spannungsverlust auf der Lastversorgung. Eine der größten Herausforderungen bei der Strommessung ist, dass der gemessenen Spannung (Vs) eine wesentlich höheren Spannung auf der Versorgungsleitung gegenübersteht…

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Auflösung beim Messen kleiner Temperaturspannen verbessern

Der Thermoelement-Verstärker AD8494 enthält einen Temperatursensor, der normalerweise für die Vergleichsstellen- Kompensation verwendet wird. Legt man die Thermoelement-Eingänge jedoch an Masse, kann der Baustein auch als eigenständiges Thermometer verwendet werden. Derart beschaltet, erzeugt der Eingangsverstärker zwischen Ausgangs- und Referenz-Pin eine temperaturabhängige Spannung von 5 mV/°C.

Nachteilig ist hierbei allerdings die geringe Auflösung beim Messen kleiner Temperaturspannen…

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Die Batterielaufzeit von Mobilgeräten verlängern

Zahlreiche Mobilgeräte werden mit einem wiederaufladbaren Lithium-Ionen- Akku mit einer einzigen Zelle gespeist. Im vollständig aufgeladenen Zustand liefert der Akku eine Spannung von 4,2 V. Diese Spannung sinkt beim Entladen der Batterie auf bis zu 3 V. Sinkt die Batteriespannung unter 3 V, schaltet das System ab und schützt somit die Batterie vor Beschädigung durch Tiefenentladung.

Wird ein LDO (Low-Dropout Regler) verwendet, um eine Spannung von 3,3 V zu erzeugen, schaltet das System schon bei VINmin. = VOUT + VDROPOUT = 3,3 V + 0,2 V = 3,5 V ab. In diesem Fall wird lediglich 70% der im Akku gespeicherten Energie genutzt…

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Den Gleichtaktbereich eines Verstärkers auf ±425 V erweitern

Der in Bild 1 abgebildete Schaltungstipp zeigt, wie sich der Gleichtaktspannungsbereich des Differenzverstärkers A1 (AD629) auf einen Wert von ±425V erweitern lässt. Über die Widerstände R1 und R2 wird die Gleichtakteingangsspannung gemessen. Die gemessene Spannung wird invertiert und mit dem Operationsverstärker A2 (AD8671) heruntergeteilt. Dabei gilt: G = –R3/(R1 || R2). R1 und R2 müssen große Werte haben, um die Belastung am Operationsverstärker A2 zu minimieren.

Dieses Signal wird an die Referenzpins des Differenzverstärkers A1 angelegt. Es wird invertiert, so dass es gegenteilig zur Gleichtakteingangsspannung agiert, die Spannung an den Knoten 1 und 2 senkt und den Gleichtaktbereich des Systems erhöht…

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