Komplette Sensor-to-Bits-Lösung

Bild 1: Typische SPS-Signalkette. Analog Devices

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPSen) sind das Kernstück vieler Systeme für die Fertigungsautomatisierung und Prozesssteuerung. SPSen überwachen und steuern komplexe Systemvariablen oder rufen diese ab. In Verbindung mit Sensoren und Aktoren nutzen Fertigungsautomatisierungssysteme und Prozesssteuerungen speicherprogrammierbare Steuerungen zur Messung und Steuerung analoger Prozessvariablen wie etwa Druck, Temperatur und Durchfluss. SPSen findet man in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen. Darunter Produktionsstätten, Ölraffinerien, Medizingeräte und Luftfahrtsysteme. Diese verlangen eine hohe Genauigkeit und müssen möglichst lange unterbrechungs- und fehlerfrei arbeiten. Außerdem müssen SPSen aufgrund hohen Wettbewerbsdrucks ständig preiswerter und in immer kürzeren Zeiten entwickelt werden.

Mit kleiner Grundfläche erhältlich und ideal für genaue Industrie-, Messtechnik-, Power-Line- und medizinische Datenerfassungskarten mit mehreren Eingangsbereichen, senkt der Baustein ADAS3022 die Kosten und verkürzt die Zeit bis zur Markteinführung. Gleichzeitig bietet er 16-Bit-Genauigkeit bei 1 MSample/s.

SPS-Applikationsbeispiel

Bild 1 zeigt die vereinfachte Signalkette für eine speicherprogrammierbare Steuerung, wie sie in der Fertigungsautomatisierung und Prozessteuerung eingesetzt wird. Die SPS besteht normalerweise aus analogen und digitalen I/O-Modulen, einer CPU und Power-Management-Schaltungen.

In Industrieapplikationen erhalten analoge Eingangsmodule ihre Signale von entfernt angeordneten Sensoren. Diese befinden sich oft in rauen Umgebungen mit extremen Temperaturen und hoher Luftfeuchte. Auch starke mechanische Schwingungen und ein Umfeld mit explosiven Chemikalien sind typisch für den Einsatz analoger Eingangsmodule. Typische Signale sind massebezogene oder differenzielle Spannungen von 5 V, 10 V, ±5 V und ±10 V (Full-scale) oder Stromschleifen mit 0 bis 20 mA, 4 bis 20 mA und ±20 mA. Wenn lange Kabel mit einer hohen  Wahrscheinlichkeit starker elektromagnetischer Interferenzen (EMI) verwendet werden sollen, werden Stromschleifen wegen ihrer hohen Rauschimmunität gerne bevorzugt.

Analoge Ausgangsmodule steuern in der Regel Aktoren wie Relais, Spulen und Ventile. Sie liefern normalerweise Ausgangsspannungen von 5 V, 10 V, ±5 V und ±10 V (Full-scale) sowie 4 bis 20 mA. Typische Analog-I/O-Module haben 2, 4, 8 oder 16 Kanäle. Um strenge Industriestandards erfüllen zu können, müssen diese Module gegen Überspannung, Überstrom und EMI-Spitzen geschützt werden. Die meisten SPSen enthalten digitale Isolation zwischen dem ADC und der CPU sowie zwischen der CPU und dem DAC. High-End SPSen haben eventuell auch eine galvanische Isolation zwischen den Kanälen, wie durch IEC-Standards spezifiziert. Bei vielen I/O-Modulen lassen sich massebezogene oder differenzielle Eingangsbereiche, Bandbreite und Durchsatzrate kanalweise per Software programmieren.

In modernen SPSen übernimmt die CPU zahlreiche Steuerungsaufgaben und greift in Echtzeit auf Informationen zu, um intelligente Entscheidungen treffen zu können. Der Betrieb der CPU mit neuester Software und innovativen Algorithmen ermöglicht unter anderem die Anbindung an das Internet, um Diagnosen durchzuführen und Fehler aufzuspüren. Üblicherweise eingesetzte Kommunikationsschnittstellen sind RS-232, RS-485, Industrial Ethernet, SPI und UART.

Diskrete Implementierung eines Datenerfassungssystems

Bild 2: Analoge Eingangssignalkette mit diskreten Bauteilen. Analog Devices

Analoge Module für speicherprogrammierbare Steuerungen oder ähnliche Datenerfassungssysteme lassen sich mit diskreten, leistungsstarken Bauteilen realisieren (Bild 2). Dabei muss auf Kriterien wie Eingangssignalkonfiguration sowie die Geschwindigkeit des Gesamtsystems, Genauigkeit und Präzision geachtet werden. Die hier vorgestellte Signalkette nutzt den Multiplexer ADG1208/ADG1209 (Low-Leakage), den schnell einschwingenden Instrumentenverstärker AD8251 mit programmierbarer Verstärkung (PGIA), den schnellen Anpassverstärker AD8475 sowie das 18 Bit PulSAR ADC-Modell AD7982 mit differenziellem Eingang und die rauscharme Spannungsreferenz ADR4550. Diese Lösung bietet vier verschiedene Verstärkungsbereiche. Bei maximalem Eingangssignalbereich von ±10 V müssen die Entwickler die Kanalumschalt- und Einschwingzeiten von Multiplexern und andere Probleme bei der Signalaufbereitung bedenken. Das Ziel, echte 16-Bit-Leistungsfähigkeit bei 1 MSample/s zu erreichen, kann selbst beim Einsatz dieser leistungsstarken Bauteile eine große Herausforderung sein.

Für den AD7982 sind maximal 290 ns Transientenanstiegszeit bei einem Full-scale-Sprung spezifiziert. Um die spezifizierte Systemleistungsfähigkeit bei 1 MSample/s garantieren zu können, müssen PGIA und Funnel-Verstärker in unter 710 ns einschwingen. Für den AD8251 ist jedoch eine Einschwingzeit von 785 ns auf 16 Bit (0,001 %) bei einem 10-V-Sprung spezifiziert. Somit wird im ±10-V-Bereich der maximale Durchsatz, der für diese Signalkette garantiert werden kann, weniger als 1 MSample/s betragen.

Integrierte Lösung vereinfacht die Entwicklung

Bild 3: Blockdiagramm des ADAS3022. Analog Devices

Hergestellt in iCMOS, einer proprietären Hochvolt-Prozesstechnologie für Industrieanwendungen, enthält der 1 MSample/s schnelle 16-Bit-Datenerfassungschip ADAS3022 einen achtkanaligen Low-Leakage Multiplexer, einen PGIA mit hoher Impedanz und hoher Gleichtaktunterdrückung, eine 4,096-V-Referenz samt Puffer mit hoher Genauigkeit und geringer Drift sowie einen 16-Bit-SAR-ADC (Bild 3).

Diese komplette Sensor-to-Bits-Lösung benötigt gegenüber diskreten Implementierungen nur ein Drittel so viel Platz auf der Leiterplatte. Sie hilft Ingenieuren, die Entwicklung moderner, industrietauglicher Datenerfassungssysteme zu vereinfachen und zugleich Platz, Entwicklungszeit und Kosten zu sparen. Da Pufferung, Pegelanpassung, Verstärkung, Dämpfung oder andere Methoden zur Aufbereitung der Eingangssignale integriert sind, sowie obige Einschränkungen hinsichtlich Gleichtaktunterdrückung, Rauschen und Einschwingzeit entfallen, werden viele Herausforderungen bei der Entwicklung 1 MSample/s schneller 16-Bit-Datenerfassungssysteme einfacher gemeistert. Die Lösung liefert die beste 16-Bit-Genauigkeit ihrer Klasse (±0,6 LSB typisch INL) und weist eine geringe Offsetspannung sowie eine niedrige Temperaturdrift auf. Außerdem bietet sie ein optimiertes Rauschverhalten (SNR typisch 91 dB) bei 1 MSample/s (Bild 4). Das Bauteil ist für den Einsatz im industriellen Temperaturbereich (-40 bis +85 °C) spezifiziert.

Bild 4b: INL-Performance des ADAS3022. Analog Devices

Bild 4a: FFT-Performance des ADAS3022. Analog Devices

Der ADAS3022 kann zur Messung von bis zu acht massebezogenen oder vier differenziellen Eingangssignalen verwendet werden. Sieben bipolare Eingangsbereiche decken den gesamten Bereich industrieller Signalpegel ab (±640 mV bis ±24,576 V). Dies ermöglicht den direkten Anschluss an die meisten Sensorschnittstellen. Der Eingangsbereich jedes Kanals lässt sich unabhängig von den anderen Kanälen programmieren. Somit eignet sich das Bauteil für verschiedene Mess- und Schutzkonzepte. Der On-Chip-Multiplexer ermöglicht Kanal-Scanning. Interne Referenz und Puffer machen externe Bauteile überflüssig.

Der PGIA hat einen großen Gleichtakteingangsbereich, echte Hochimpedanzeingänge (mehr als 500 MΩ) und einen großen Dynamikbereich. Er eignet sich somit für 4…20-mA-Stromschleifen und zur genauen Messung kleiner Sensorsignale. Eingangsgleichtaktstörungen aus AC-Versorgungsleitungen, Elektromotoren und anderen Quellen werden mit min 90 dB (CMR) unterdrückt.

Ein differenzieller Hilfs-Eingangskanal arbeitet mit Signalen bis ±4,096 V. Er umgeht Multiplexer- und PGIA-Stufen und gestattet den direkten Anschluss an den 16 Bit SAR-AD-Wandler. Ein auf dem Chip integrierter Temperatursensor kann die lokale Temperatur überwachen.

Dieses hohe Maß an Integration spart Platz auf der Leiterplatte und senkt die Bauteilekosten. Es macht den ADAS3022 zum idealen Bauteil für platzkritische Applikationen wie automatische Testgeräte (ATE), Power-Line Monitoring, Industrieautomatisierung, Prozesssteuerung, Patientenüberwachung und andere Industrie- und Messsysteme, die mit industrieüblichen ±10-V-Signalpegeln arbeiten.

Bild 5: Komplette achtkanalige Datenerfassungslösung mit integriertem PGA. Die Schaltung wird mit nur einer Spannung von 5 V versorgt. Analog Devices

Bild 5 zeigt ein komplettes achtkanaliges Datenerfassungssystem (DAS). Die Analog- und Digitalbereiche des ADAS3022 werden mit ±15 V und +5 V, die Logik-I/Os mit 1,8 bis 5 V versorgt. Der hocheffiziente DC/DC-Boost-Wandler ADP1613 mit geringem Ripple ermöglicht den Betrieb des DAS an nur einer Spannung von 5 V. Konfiguriert als massebezogene, Primary Inductance Ćuk (SEPIC) Topologie mit dem Designtool ADIsimPower stellt der ADP1613 die bipolaren ±15-V-Versorgungen für Multiplexer und PGIA ohne Beeinträchtigung der Leistungsdaten zur Verfügung.

Tabelle 1: Rauschen für den ADAS3022 und die diskrete Signalkette. Analog Devices

Das Rauschen des ADAS3022 und das der diskreten Signalkette sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Zur Berechnung des gesamten Rauschens der kompletten Signalkette werden die Eingangssignalamplitude, die äquivalente Rauschbandbreite (ENBW) und das eingangsbezogene Rauschen (RTI) aller Bauteile herangezogen. Das einpolige Tiefpassfilter (LPF) zwischen AD8475 und AD7982 (Bild 2) dämpft die Spitze, die vom Switched-Capacitor-Eingang des AD7982 kommt und begrenzt das HF-Rauschen. Die -3dB-Bandbreite (f_-3dB) des LPF beträgt 6,1 MHz (R = 20 Ω, C = 1,3 nF). Dies ermöglicht ein schnelles Einschwingen des Eingangssignals bei Wandlungen mit 1 MSample/s. Das ENBW des LPF lässt sich so berechnen:

ENBW = π/2 × f_–3dB = 9,6 MHz.

Man beachte, dass bei dieser Berechnung das Rauschen der Spannungsreferenz und des Tiefpassfilters unberücksichtigt bleiben, da es sich nicht wesentlich auf das Gesamtrauschen niederschlägt. Dieses wird dominiert vom PGIA.

Man stelle sich ein Beispiel vor, in dem der ±5V-Eingangsbereich genutzt wird. In diesem Fall wird der AD8251 für eine Verstärkung von 2 eingestellt. Der Funnel-Verstärker ist für alle vier Eingangsbereiche auf eine feste Verstärkung von 0,4 eingestellt. An den AD7982 wird ein differenzielles Signal mit 0,5 bis 4,5 V angelegt (4 V_ss). Das RTI-Rauschen des ADG1208 erhält man aus der Johnson/Nyquist-Rauschgleichung (e_n² = 4K_BTR_ON mit K_B = 1,38E–23J/K, T = 300K und R_ON = 270 Ω). Das RTI-Rauschen des AD8251 ergibt sich aus seiner Rauschdichte von 27 nV/√Hz, wie im Datenblatt für eine Verstärkung von 2 spezifiziert.

Auf ähnliche Weise leitet sich das RTI-Rauschen des AD8475 von seiner Rauschdichte (10 nV/√Hz) mit einer Verstärkung von 0,8 (2 × 0,4) ab. In jeder Berechnung beträgt das ENBW = 9,6 MHz. Das RTI-Rauschen des AD7982 wird aus seinem SNR von 95,5 dB, wie im Datenblatt für eine Verstärkung von 0,8 angegeben, berechnet. Das gesamte RTI-Rauschen der vollständigen Signalkette wird basierend auf der Quadratsummenwurzel (RSS) des RTI-Rauschens der diskreten Bauteile berechnet. Das gesamte SNR von 89,5 dB lässt sich mit der Gleichung SNR = 20log(V_{in eff}/RTI_Total) berechnen.

Obwohl die theoretische Rauschabschätzung (SNR) und die gesamte Leistungsfähigkeit der diskret aufgebauten Signalkette mit dem ADAS3022 vergleichbar sind, speziell bei niedrigeren Verstärkungen (G = 1 und G = 2), ist es keine ideale Lösung bei höheren Durchsatzraten von bis zu 1 MSample/s. Der ADAS3022 kann gegenüber der diskreten Lösung die Kosten um bis zu 50 Prozent und den Platzbedarf auf der Leiterplatte um etwa 67 Prozent senken. Außerdem kann er mit drei zusätzlichen Eingangsbereichen arbeiten: ±0,64 V, ±20,48 V und ±24,576 V. Die diskrete Lösung kann dies nicht.

(jj)