Bildergalerie
Bild 8: Die Komponenten der drei Eingangskanäle.
Bild 2: Eingangskanal 1  für mV-Signale.
Bild 3: Eingangskanal für Normsignale 0 ..10V / 0(4) ..20 mA
Bild 4: Die Ausgangskanäle für 0 bis +/-10V.
Bild 5: EPC-EXTB16  Spannungsversorgung im Überblick.
Bild 6: Isolierte Spannungsversorgung der Ein- / Ausgangskanäle.
Bild 7: Erzeugung der symmetrischen +/-15V mit Standardregler.

Auf einen Blick

Das EPC-EXTB16 zeigt, wie anwendungsoptimierte Bauelemente das Design von Analogbaugruppen vereinfachen. Durch das  durchgängig verwendete SPI  Interface kann das System im laufenden Betrieb umkonfiguriert werden. Dies geschieht durch einen Mikrocontroller der einen Betrieb an einem PC oder am EPC System ermöglicht. Die verwendete Software steht kostenlos zur Verfügung. Die Spannungsversorgung des Systems ist kostenoptimiert, industrietauglich und robust.

Das 16/24-Bit Analog I/O Board EPC-EXTB07 zeigt Lösungsansätze für isolierte 16-bit-Analogsignalpfade. Die Low-level-Eingangsstufen für den mV-Bereich und die High-Level-Eingänge für 0 ..10V / 0..20 mA sind per SPI im Betrieb umkonfigurierbar, z.B. für Messbereichsumschaltung. Die isolierte Spannungsversorgung der einzelnen Kanäle basiert auf einer sehr kleinen, effizienten und kostenoptimierten Lösung. Das Board kann über USB für den Betrieb am PC oder eine externe 6 V … 42-V-Quelle für den Betrieb im EPC versorgt werden.

Potentialprobleme vermeiden

Das neue EPC-EXTB16 Board bietet zwei voneinander isolierte Eingangskanäle, um Spannungs- und Stromsignale messen zu können, sowie zwei voneinander isolierte Ausgangskanäle für Spannungssignale.

Kanal 1 verfügt über einen Instrumentenverstärkereingang, um mV-Signale beliebiger analoger Sensoren aufzunehmen (Bild 2). Kanal 2 kann zwei verschiedene Signale aufnehmen, entweder ein 0(4)..20 mA-Signal oder ein Spannungssignal von bis zu +/-12 V. Beide Kanäle nutzen einen ADC161S626, der über eine isolierte SPI mit dem Hostcontroller verbunden ist. Die beiden identischen Ausgangskanäle verwenden je einen DAC161S055 mit LM7341 als Ausgangsstufe. Die Ansteuerung des DAC erfolgt über eine isolierte SPI. Da die Kanäle nicht nur untereinander, sondern auch gegen Erde isoliert sind, lassen sich einfach Erdschleifen oder sonstige Potentialprobleme vermeiden. Die Wandler werden von einem 32-Bit Mikrocontroller gesteuert, der auch die Kommunikation mit dem PC oder dem EPC übernimmt.

Eingangskanal 1 für mV-Signale

Der Schaltungsteil nutzt den digital parametrierbaren Instrumentenverstärker LMP8358. Er integriert viele Merkmale, die ihn in dieser Kombination als Analogsensor-Interface einzigartig machen. Über SPI lassen sich folgende Funktionen kontrollieren:

– Autozero Funktion ohne Ausgangssignalverzerrung

– Eingangsfehlererkennung : Kurzschluß, Drahtbruch, „schlechte Verbindung“, z.B. durch Wackelkontakt

– Frequenzkompensation, Eingangsmultiplexer und Polarität

– Verstärkung in den Stufen 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000

Der eingesetzte Low-Power ADC vom Typ ADC161S626 ist ein SAR-Wandler mit einer Auflösung von 16-Bit bei maximal 250kS/s und verfügt über  einen differentiellen Eingang. Dies ist in einer „unruhigen“ industriellen Umgebung hinsichtlich der Störunempfindlichkeit besonders vorteilhaft. Die Schaltung zeigt, wie ein „single-ended“ Operationsverstärkerausgang mit einem differentiellen ADC-Eingang optimal verbunden wird.

An diesen Kanal lassen sich Sensoren wie Thermoelemente, PT100/PT1000, Dehnungsmessstreifen oder Drucksensoren anschließen.

Zum SPI Interface und zur Versorgungsspannung ist der Kanal über HCPL900J Optokoppler und einen Flyback DCDC-Wandler vollständig isoliert. Tabelle 2 zeigt die Spezifikationen des ADCs.

Eingangskanal für Normsignale 0 ..10V / 0(4) ..20 mA

Um industrietypische Signale von  0…10V / 0(4) .. 20mA erfassen zu können, hat das EXTB16 entsprechend konfigurierte Eingänge (Bild 3). Als Eingangsstufe kommt ein LMP7312 „Fractional Gain Amplifier“ zum Einsatz. Mit diesem lassen sich Signale entweder verstärken oder dämpfen. Dadurch lässt sich sehr einfach ein Frontend für alle denkbaren analogen Signale, die im Industrieumfeld anzutreffen sind, aufbauen. Auch dieses Bauelement lässt sich über eine SPI konfigurieren. Folgende Funktionen können ausgewählt werden:

– Auswahl des Spannungseingangs (Dämpfungspfad)

– oder des Stromeingangs (Verstärkerpfad)

– Einstellung der Verstärkung / Dämpfung

Genau wie im Eingangskanal für mV-Signale wird auch hier ein ADC161S626 16-Bit ADC verwendet. Die Verschaltung des LMP7312 mit dem ADC161S626 gestaltet sich sehr einfach, da der LMP7312 über einen differenziellen Ausgang verfügt.

Die Ausgangskanäle für 0 bis +/-10V

Die beiden Ausgangskanäle des EPC-EXTB16 sind identisch aufgebaut (Bild 4). Der über SPI programmierbare DAC161S055 bietet  Funktionen, die dem Anwender eine hohe Flexibilität erlauben. Die Doppelpuffer mit Rücklesemöglichkeit lassen in Systemen mit mehreren DACs eine simultane Ausgabe mehrerer Kanäle zu. Außerdem lassen sich verschiedene Startup- und Resetbedingungen einstellen und der Systemstatus lässt sich auslesen. Die Versorgungsspannung kann zwischen 2,7 V und 5,25 V liegen. Das Logikinterface hat eine eigene Versorgung und arbeitet bis hinunter auf 1,8 V.

Um die unipolare Ausgangsspannung des DAC in den geforderten Bereich von mindestens +/-10V zu bringen, wird ein LM7341 „Rail to Rail Input and Output“ OP verwendet. Dieser wird differentiell an den DAC angeschaltet. Er eignet sich bestens für Anwendungen, die einen weiten Versorgungs- und Ausgangsspannungsbereich bei hoher Gleichtaktunterdrückung benötigen. Er kann außerdem hohe kapazitive Lasten treiben. Wird eine höhere Bandbreite bei niedrigerem Rauschen benötigt, steht der pinkompatible LM7321 zur Wahl.

Die Spannungsversorgung

Das EPC-EXTB16 kann entweder über den USB-Anschluss oder über eine externe 24-V-Einspeisung versorgt werden. Sind beide Eingänge aktiv, übernimmt die 24-V- Spannung die Versorgung. Dies geschieht über eine sehr einfache Spannungsweiche, wie in Bild 5 gezeigt. Um eine robuste, industrietaugliche Spannungsversorgung zu gewährleisten übernimmt ein LMZ14201 Spannungsreglermodul die Erzeugung der 5-V-Busspannung des Systems. Dieses Modul im TO263-Gehäuse hat einen extrem weiten Eingangsspannungsbereich von 6 V … 42 V und liefert 1-A-Ausgangsstrom.

Die einzelnen Versorgungsspannungsbereiche, besonders die isolierten DC/DC-Wandler, wurden mit sehr wenig Aufwand realisiert. Interessant ist  die Erzeugung der isolierten Speisung für die Ein- und Ausgänge. Auf ein marktübliches, isoliertes DC/DC Modul wurde verzichtet. Stattdessen übernimmt ein als Flyback geschalteter LM2733 Boost Regler diese Aufgabe. Das Feedback wird über die Rückspannung des Transformators ohne Optokoppler gewonnen. Diese Schaltung ermöglicht es durch die Wahl eines geeigneten Transformators nahezu beliebige Isolationsklassen und Baugrößen zu realisieren. Die auf dem EPC-EXTB16 verwendete Schaltung ist für 7V/50mA dimensioniert, was durch die Verwendung der Low-Power Komponenten im Signalpfad vollkommen ausreicht (Bild 6).

Aus der isolierten 7-V-Busspannung wird auch die symmetrische Versorgungsspannung für die Operationsverstärker gewonnen. Dafür  wird auf den Standard-Regler LM2841, zurückgegriffen (Bild 7). Er arbeitet als invertierender Buckregler, der anstatt mit einer einfachen Drossel mit einem Transformator beschaltet ist. Da die Belastung beider Ausgangsspannungen in etwa gleich ist, reicht diese einfache Schaltungsvariante für die OP-Versorgung aus. Auf den Einsatz von LDOs zur „Feinregelung“ konnte verzichtet werden, da der versorgte OP LM7341 eine exzellente PSRR von 106dB aufweist.