Die MSP430F471xx-Familie ist bestens für E-Metering-Anwendungen geeignet.

Die MSP430F471xx-Familie ist bestens für E-Metering-Anwendungen geeignet.Texas Instruments

Ein Mikrocontroller speziell zur Energieerfassung: Der neue E-Meter-Chip MSP430F47193 von Texas Instruments ist dazu mit drei 16-Bit-Sigma-Delta-Wandlern (SD16) ausgestattet. Sie besitzen differenzielle PGA-Eingänge und ihre Verstärkung lässt sich von 1 bis 32 variieren. Mit diesem Analog-Frontend geling eine hochgenaue kontaktlose AC-Strommessung per Rogowski-Spule.

Der Baustein F47193 ist ein Derivat der MSP430F471xx-Familie. Die Familie besteht aus 14 Mikrocontrollern, die sich im Wesentlichen aufgrund der unterschiedlichen Flash- und RAM-Größe unterscheiden sowie in der Anzahl der vorhandenen SD16-Wandler. Im aktiven Modus (AM) begnügt sich der Mikrocontroller mit 250 µA/MHz, im Standby-Mode reichen 1,1 µA und im Off-Mode genügen 0,2 µA Versorgungsstrom. Bild 1 zeigt das Blockdiagramm des F47193.

Bild 1: Im Blockdiagramm des MSP430F47193 sind unter anderem die drei SD16-Wandler zu sehen (gelb hervorgehoben).

Bild 1: Im Blockdiagramm des MSP430F47193 sind unter anderem die drei SD16-Wandler zu sehen (gelb hervorgehoben).Texas Instruments

Sigma-Delta-Wandler mit differenziellen Eingängen

Der MSP430F47193 verfügt über ein neues Analog-Frontend (AFE). Das AFE-Modul enthält drei separate Delta-Sigma-Wandler (Bild 2) mit differenziellen Eingängen und jeweils eine eigene Verstärkerstufe (PGA, Programmable Gain Amplifier). Sechs Verstärkungsstufen (Gain 1, 2, 4, 8, 16 und 32) stehen zur Verfügung, um kleine Spannungen oder Ströme anzuheben. Dadurch kann auch der große Strombereich von 0,1 bis 80 A abgedeckt werden. Für kleine Ströme dient der Verstärkungsfaktor von 32 und für höhere Ströme der Faktor 1. In der nachfolgend vorgestellten Applikation geschieht die Verstärkeradaption automatisch.

Bild 2: Im Blockschaltbild der Sigma-Delta-Wandler sind links die drei Verstärkerstufen (PGA) zu sehen sowie die integrierte Spannungsreferenz (unten, grün).

Bild 2: Im Blockschaltbild der Sigma-Delta-Wandler sind links die drei Verstärkerstufen (PGA) zu sehen sowie die integrierte Spannungsreferenz (unten, grün).Texas Instruments

Rogowski-Spule

Um eine hochgenaue kontaktlose AC-Strommessung durchzuführen, kommt häufig die magnetische Spannung zum Einsatz, sprich ein Current-Transformer in Form einer Rogowski-Spule (Bild 3).

Der Strombereich beträgt bei diesem Aufbau 0,1 bis 80 A. Da die induzierten Spannungen bei kleinen Strömen sehr gering sind, ist eine besondere Wandler-Technologie erforderlich; mit einem Sigma-Delta-Wandler bekommt man dieses Problem aber schnell in den Griff. Der erfasst die induzierten Spannungen in Abhängigkeit des Primärstromes (Laststrom) präzise. Der MSP430F47193 besitzt daher die idealen Voraussetzungen für diese Schaltung.

Bild 3: Die Rogowski-Spule ermöglicht per magnetischer Induktion eine hochgenaue, kontaktlose Strommessung.

Bild 3: Die Rogowski-Spule ermöglicht per magnetischer Induktion eine hochgenaue, kontaktlose Strommessung.Texas Instruments

16 Ampere kontaktlos messen

Als Beispiel dient im Folgenden ein 16-A-Stromkreis. Der Laststrom induziert in der Rogowski-Spule eine proportionale Spannung. Bild 4 zeigt den Zusammenhang des Laststromes und der Ausgangsspannung des Current-Transformers (CT) bei einem Lastwiderstand RB (Burden Resistor) von 10 KOhm.

Lastströme jenseits 1 A stellen für diesen Aufbau keine besondere Herausforderung dar. Eine völlig andere Situation liegt vor, wenn Lastströme im Bereich von 0,1 bis 1 A zu messen sind. Fließt in einem Verbraucher ein Strom von 0,1 A, dann liefert die Rogowski-Spule gerade mal 125 µV. Folgende Formel verdeutlicht den proportionalen Zusammenhang:

Bild 4: Beim Current-Transformer induziert die Rogowski-Spule eine zum Eingangsstrom proportionale Spannung am Lastwiderstand.

Bild 4: Beim Current-Transformer induziert die Rogowski-Spule eine zum Eingangsstrom proportionale Spannung am Lastwiderstand.Texas Instruments

  • VBurden = N * di/dt

Die Windungszahl der Spule präsentiert der Buchstabe N und di/dt ist der differenzierte Quotient aus Strom durch Zeit. Außerdem erfordert der Strombereich von 0,1 bis 1,0 A eine Linearitätsanpassung für den Current-Transformer. Vorab, die Nichtlinearität des CT im Bereich von 0,1 bis 1,0 A wurde vor dem Einbau ermittelt, um die nötigen Anpassungen in der Applikation zu berücksichtigen. Die Applikation ist mit einer Auto-Range-Funktion ausgestattet. Die Spannungsmessung beginnt im größten Gain (32) und dabei wird überprüft, ob der Spannungswert mehr als 80 Prozent des Full-Scale-Ranges (FSR) beträgt:

  • VFSR = (VREF/2) / Gain(PGA)

Ist dies der Fall, dann wird der nächstkleinere Gain aktiviert. Diese Prozedur wird solange fortgeführt, bis der richtige Gain erreicht wurde. Die Prozedurdauer erfolgt in wenigen Millisekunden.

Bild 5: Das Applikationsblockdiagramm zeigt alle Komponenten von der Versorgung bis zum Display.

Bild 5: Das Applikationsblockdiagramm zeigt alle Komponenten von der Versorgung bis zum Display.Texas Instruments

Spannungsversorgung und Takt

Die Spannungsversorgung des kompletten Systems (Bild 5) erfolgt aus einer CR2032-Batterie. Die analoge und digitale Spannungsversorgung (AVCC und DVCC) werden gemeinsam versorgt. Die analoge Versorgung erfolgt an Pin 7 (AVSS) und Pin 8 (AVCC), die digitale Versorgung an Pin 95 (DVSS) und Pin 92 (DVCC).

Das Delta-Sigma-Modul wird mit 1 MHz Clock und die CPU mit 4 MHz versorgt. Das Oszillator-Modul (Bild 6) wird so konfiguriert, dass der Auxiliary Clock (ACLK) mit 1 MHz und der MCLK mit 4 MHz arbeitet. Die Pins 65 und 66 (XIN und XOUT) sind mit einem externen 1-MHz-Quarz beschaltet. Im Oszillator-Control-Register FLL_CTL0 muss das XTS_FLL-Bit auf 1 gesetzt werden, damit der Oszillator im High-Frequency-Mode läuft.

Bild 6: Diese Oszillatorschaltung versorgt sowohl Wandler als auch CPU mit dem richtigen Takt.

Bild 6: Diese Oszillatorschaltung versorgt sowohl Wandler als auch CPU mit dem richtigen Takt.Texas Instruments

Unter Last

Die Load im Blockdiagramm (Bild 5) stellt den Verbraucher dar. Der Current-Transformer erfasst den Primärstrom (Laststrom) und induziert eine proportionale Sekundärspannung, die am Analog-Frontent (Kanal 0) an Pin 1 und Pin 2 ansteht. Das AFE-Modul wird mit der internen Referenzspannung von 1,2 V versorgt. Wenn nun die differenzielle Eingangsspannung am analogen Kanal CH0 des Sigma-Delta-Wandlers weniger als 1 mV beträgt, dann werden die gemessenen Spannungswerte mit Hilfe der KAL-Werte angepasst. Wenn die Lastströme größer als 1 A sind, dann verhalten sich die induzierten Spannungen wieder linear zum Primärstrom und benötigen keine weitere Korrektur. Das linke Diagramm in Bild 7 zeigt das Messergebnis für Lastströme von 0,1 A bis 1,0 A, der rechte Plot für die Lastströme 1,0 A bis 16,0 A.

Bild 7: Die Linearität der Schaltung ist erst ab Primärströmen von 1 A gewährleistet (rechts). Bei kleineren Strömen (links) ist eine eigene Kalibrierung nötig.

Bild 7: Die Linearität der Schaltung ist erst ab Primärströmen von 1 A gewährleistet (rechts). Bei kleineren Strömen (links) ist eine eigene Kalibrierung nötig.Texas Instruments

Beide Strombereiche werden also präzise erfasst. Die Abweichung im unteren Strombereich (0,1 bis 1,0 A) beträgt weniger als ±0,55 Prozent. Im oberen Strombereich erreicht die Applikation eine Präzision von ±0,2 Prozent.

Die Netzspannung wird mit dem analogen Kanal CH2 erfasst. Mit dem Spannungsteiler R1 und R2 wird die Netzspannung für den Gain 1 adaptiert. Ein Anti-Aliasing-Filter ist dem Kanal vorgeschaltet um Störungen zu unterdrücken. Die gemessenen Werte werden im Display dargestellt.

LCD-Interface

Für diese Applikation wurde ein Display mit 48 mal 84 Pixel verwendet, die Ansteuerung erfolgt per SPI (Serial Peripheral Interface). Das Interface arbeitet im so genannten 3-Wire-Mode, wobei die MCU als Master und das LCD als Slave arbeitet. Port 2 des Mikrocontrollers MSP430F47193 bildet das LCD-Interface, es wird mit folgenden Leitungen realisiert: Ein High-Pegel am Port 2.7 (Pin 76) dient als Chip-Select (CS) und ermöglicht die Kommunikation mit dem LCD. Die Datengeschwindigkeit wird mit der Frequenz LCD_CLK gleich 1 MHz am Port 2.3 (Pin 80) festgelegt. Port 2.0 ist mit der Reset-Funktionalität ausgestattet. Die LCD-Hintergrundbeleuchtung steuert der Port 2.6 (Pin 77).

Auf einen Blick

Wie viel Energie braucht mein System tatsächlich? Diese knifflige Frage beantwortet ein Energieerfassungssystem. Wer selbst ein solches entwickeln will oder muss, findet im neue E-Meter-Chip MSP430F47193 von Texas Instruments eine passende Ausgangsbasis und in diesem Beitrag die nötigen Erklärungen.

Wie bereits beschrieben, verfügt die Applikation über eine Auto-Range-Funktion. Natürlich kann das Präzisionsmeter mit einer Taste ein- und ausgeschaltet werden. Außerdem wird die Batteriespannung mit Hilfe des internen analogen Kanals CH5 überwacht; ein interner Spannungsteiler an AVCC ermöglicht diese Überwachung ohne zusätzliche Hardware. Zur Erinnerung: die Potenziale AVCC und DVCC wurden zusammengelegt. Somit reicht die Überwachung von AVCC, um eine Spannungsverminderung an beiden Versorgungen zu detektieren. Im Fehlerfall wird eine Alarmmeldung „Low BAT“ im Display ausgegeben.

Präzise Messung

Die Schaltung ermöglicht eine präzise kontaktlose AC-Strommessung und ist auch mobil einsetzbar. Der Baustein MSP430F47193 von Texas Instruments eignet sich für viele präzise Metering-Applikationen im industriellen und medizinischen Bereich. Der Bedarf von externen Komponenten bleibt dabei stets sehr klein.