Ströme lassen sich auf verschiedene Weise messen. Eine Methode basiert auf der Messung des Spannungsabfalls an einem Widerstand gemäß dem ohmschen Gesetz und der Digitalisierung dieser Spannung mithilfe eines A/D-Wandlers (ADC). Zur Anpassung an den ADC kann ein Präzisionsverstärker zwischengeschaltet werden (Bild 1). Die Messung ist umso genauer, je geringer die Widerstandstoleranz und je höher die Auflösung des ADC ist.
Bild 1: Strommessung mit Widerstand.Cypress Semiconductor
Mehrkanalige Strommessungen
Wenn die Ströme mehrerer Sensoren gemessen werden sollen, lässt sich vor den differenziellen Verstärker ein Analogmultiplexer schalten. Bild 2 zeigt eine solche Anordnung einschließlich weiterer Komponenten (z. B. Timer und Speicher).
Anstelle der dort gezeigten vier Stromabtast-Widerstände können auch andere Sensoren mit Stromausgang verwendet werden. Der gewünschte Kanal wird mithilfe der Channel-Select-Leitungen vom Mikroprozessor ausgewählt, der auch den Verstärker und den ADC steuern kann, um beispielsweise für jeden Kanal eine bestimmte Verstärkung einzustellen.
Wie sich aus dem Umwandlungsresultat des ADC der Strom errechnen lässt, wird anschließend beschrieben.
Tabelle 1: Angaben für die Berechnung des Stromes aus den ADC-Ausgangswerten.Cypress Semiconductor
Dabei liegen neben den Informationen aus Tabelle 1 folgende Werte zugrunde:
- Zu messender Eingangsstrom: 4 mA
- Verstärkungsfaktor des differenziellen Verstärkers: 10
- ADC-Versorgungsspannung: 5 V
Der Strom I lässt sich wie folgt aus dem ADC-Ausgangswert errechnen:
I = ADC-Wert x mV/LSB / Verstärkungsfaktor
Es gibt auf dem Markt ein großes Angebot an Mikrocontrollern, die über einen integrierten ADC verfügen und zur Laufzeit firmwaregesteuert konfiguriert werden können. Eingangsspannungsbereich, Auflösung, Verstärkungsbereich usw. des ADC sollten auf die jeweilige Applikation abgestimmt sein. Der in Bild 2 abgebildete Verstärker kann entfallen, wenn der ADC einen differenziellen Eingang besitzt und selbst die Möglichkeit zum Einstellen des Verstärkungsfaktors bietet.
Bild 2: Mehrkanalige Strommessung.Cypress Semiconductor
Das Mikroprozessorsystem verfügt über einen zur Laufzeit konfigurierbaren Timer, der so eingestellt wird, dass er in bestimmten Intervallen Interrupts generiert. Diese werden einerseits an den Mikroprozessor weitergeleitet und dienen andererseits dazu, den jeweils gewünschten Eingangskanal auf den Ausgang des Multiplexers zu schalten. Das dabei entstehende ADC-Resultat wird gelesen, ausgewertet und entweder im Speicher abgelegt oder zur weiteren Verarbeitung an einen PC übertragen. Die Zeit zur Messung eines jeden Kanals lässt sich einfach über die Periodendauer des Timers variieren. Soll nur ein Kanal gemessen werden, muss lediglich der Timer-Interrupt deaktiviert werden, sobald der gewünschte Messkanal eingestellt ist.
Zu beachten ist, dass die Messergebnisse verfälscht werden können, wenn der Multiplexer auf einen anderen Kanal umschaltet, solange der Umwandlungsvorgang des ADC noch läuft. Ideal ist es, wenn vor jedem Kanalwechsel der ADC angehalten und das vorige Messergebnis gelöscht wird.
In allen Applikationen ist es generell wünschenswert, die Signale möglichst schnell zu übertragen. Deshalb sollte die Zeit, die der Multiplexer für den Wechsel von einem Kanal zum anderen benötigt, möglichst kurz sein. Wichtig ist nicht zuletzt, dass an den Multiplexer-Eingängen stets die bestehende Verbindung getrennt wird, bevor die neue hergestellt wird, da es sonst zu Kurzschlüssen zwischen den Eingängen kommen kann.
Einflüsse auf die Strommessung
Die Genauigkeit, mit der Ströme erfasst und gemessen werden können, wird von mehreren nachfolgend aufgeführten Faktoren beeinflusst.
Genauigkeit der Widerstände: Entscheidend für eine präzise Strom-Erfassung ist es, einen Widerstand mit dem richtigen Wert zu wählen, der überdies in Bezug auf Leistung, Toleranz und Temperaturkoeffizient die passenden Voraussetzungen mitbringt. Ist der Widerstandswert gering, macht der geringe Spannungsabfall eine hinreichende Verstärkung erforderlich, damit eine präzise Strommessung möglich ist. Bei einem hohen RSense-Wert wiederum entsteht eine hohe Verlustleistung (I2R), durch die sich der Widerstand erwärmt und seinen Widerstandswert ändert. Abgesehen davon verliert das System hierdurch insgesamt an Effizienz.
Genauigkeit des Verstärkers: Von dem verwendeten Verstärker sind eine hohe Eingangsimpedanz, eine geringe Ausgangsimpedanz, eine hohe Gleichtaktunterdrückung und ein niedriger Eingangs-Offset zu fordern. Letzterer steht in linearer Beziehung zur Temperatur und hat unmittelbaren Einfluss auf die Genauigkeit des Ausgangswertes. Hat der Verstärker beispielsweise einen Verstärkungsfaktor von 10 und beträgt die Eingangs-Offsetspannung 1 mV, so ergibt dies am Ausgang einen Offsetfehler von 10 mV, der das Nutzsignal überwiegen kann, wenn der Abtastwiderstand einen sehr geringen Widerstandswert hat.
Parameter des Multiplexers: Der Multiplexer sollte nicht nur die schon erwähnten kurzen Schaltzeiten, sondern auch einen niedrigen On-Widerstand aufweisen. Auch Kapazität und Impedanz der Multiplexerkanäle haben Rückwirkungen auf das Ausgangssignal und können beim Wechseln der Kanäle Fehlerströme zur Folge haben.
Genauigkeit des ADC: Die Genauigkeit, mit der der ADC das analoge Signal am Eingang digitalisiert, ist von großer Bedeutung. Bei einem Eingangsspannungsbereich von 0 bis 5 V und einem Fehler von 1 LSB beträgt der Ausgangsfehler bei einem 8-Bit-ADC ca. 20 mV, während es bei einem 16-Bit-ADC nur 76 µV sind. Die Umwandlung ist somit umso genauer, je kleiner der Eingangsspannungsbereich und je höher die Auflösung ist. Allerdings steigen mit der Auflösung auch die Kosten für den ADC an.
Einsatz programmierbarer Mikrocontroller
Mikrocontroller wie die PSoCs (Programmable System on Chip) von Cypress bieten besonders gute Voraussetzungen für zur Laufzeit konfigurierbare Applikationen. Das PSoC lässt sich so konfigurieren, dass es die Funktionen des differenziellen Analog-Multiplexers, eines PGA zur Verstärkung, eines (single-ended oder differenziell konfigurierbaren) Delta-Sigma-ADC, eines Timers und vieler weiterer Komponenten integriert, die sonst mit externer Hardware implementiert werden müssten. Bild 3 zeigt schematisch den Aufbau einer mehrkanaligen Strommesslösung.
Bild 3: System für mehrkanalige Strommessungen.Cypress Semiconductor
Der Multiplexer ist für maximal 32 Kanäle programmierbar, und der PGA lässt sich auf eine Verstärkung von maximal 50 einstellen. Die Auflösung des Delta-Sigma-ADC kann zwischen 8 und 20 Bit variiert werden. Hilfreich für Analog-Designer sind Multiplexer, deren Eingänge sich für Single-Ended? oder differenziellen Betrieb konfigurieren lassen. Eine Break-before-make-Architektur sorgt ferner dafür, dass der bisherige Eingang zunächst getrennt wird, bevor der neue aufgeschaltet wird. Auch dem Übersprechen auf der Leiterplatte wirken diese Multiplexer entgegen.
Beim Design sind einige Einschränkungen zu beachten: Es ist ein präziser Widerstand erforderlich, Bauelemente-Toleranzen können unterschiedliche Messergebnisse hervorrufen. Es kann jeweils nur ein Kanal zurzeit gemessen werden. Der Zeitbedarf pro Kanal wächst mit der Zahl der Eingangskanäle. Unter Umständen ist ein Operationsverstärker zur Impedanzanpassung erforderlich. Am Multiplexer-Eingang sind zusätzliche Schutzschaltungen nötig und unter Umständen ist eine Kalibrierung notwendig.
Tipps für mehr Performance
Die Leistungsfähigkeit kann durch Ausfiltern von Rauschen gleich am Eingang verbessert werden. Präzise Messungen setzen eine rauschfreie Stromversorgung voraus. Übersprechen am Multiplexereingang ist zu vermeiden. Der Multiplexer sollte kurze Kanalwechselzeiten aufweisen. Die Performance von ADC, Mux und PGA hängt von einem einwandfreien Layout ab.
Sandeep Sutradhar
(jj)
