Analoge Signale mit einer Verstärkung von G-512 verarbeiten: Ein Testaufbau zeigt, wie ein Messsystem zur analogen Signalsynthese realisiert werden kann.

Mit dem NJU9103 hat NJRC ein neues analoges Frontend (AFE) mit eingebautem PGA (Programmable Gain Amplifier) ​​entwickelt, das analoge Signale mit einer Verstärkung von G-512 verarbeiten kann. Durch die Kombination des NJU9103 mit einem STM32F429 Mikrocontroller von ST Microelectronics können Entwickler relativ einfach ein kostengünstiges Sensorsignalverarbeitungssystem zusammenstellen. Der Aufbau des Systems ähnelt dem eines Oszilloskops, kann aber auch Informationen über die Anstiegsgeschwindigkeit, Auflösung und Genauigkeit des NJU9103 ausgeben.

Dieser Artikel beschreibt anhand eines Anwendungsbeispiels, wie mit dem AFE NJU9103 von NJRC und dem Discovery Board STM32F429 von ST Microelectronics analoge Sensorsignale zur Analyse verstärkt werden können. Es ist ähnlich aufgebaut wie ein Oszilloskop, kann aber zusätzliche Informationen ausgeben.

Für die Verarbeitung von Sensorsignalen eignet sich der NJU9103, da er nicht nur über einen großen Messbereich verfügt, sondern mit acht Pins auch sehr kleine Abmessungen hat. Er verfügt außerdem über einen integrierten 16-Bit ΔΣ A/D-Wandler mit Abtastraten von 0,814 bis 6,51 ksps mit einem Differenzeingang und optional einem Pseudo-Differenzeingang. Mit einer SP-Schnittstelle können Parameter direkt über einen Mikrocontroller angepasst werden. Mit den dazugehörigen Evaluation Boards des Frontends und des Mikrocontrollers und nur wenigen passiven Komponenten lassen sich Signalanalyse und Signalsynthese einfach realisieren.

Zusammen mit dem Evaluation Kit STM32F429 dient das AFE NJU9103 zur Sensorsignalverarbeitung. Rutronik

Das Evaluierungskit NJU9103 wurde ursprünglich für ein STM32 Nucleo-F411RE-Entwicklungskit entwickelt. Da zur Auswertung die Arduino-Schnittstelle mit einem GUI Nucleo Board nicht benötigt wird, ist ein PC zur Anzeige der Messergebnisse erforderlich. Um das Messsystem zu vereinfachen, verzichteten die Entwickler bewusst auf den Einsatz des Nucleo-Boards. Stattdessen wurde das STM32F429 Discovery Board als anwenderorientierte Demonstration verwendet.

In der Anordnung erzeugt der STM32F429 ein PWM-Signal, das über einen einpoligen Tiefpassfilter und einen Spannungsteiler an den Differenzeingang des NJU9103 angeschlossen wird. Anschließend sendet das System die digitalen Messergebnisse über die SP-Schnittstelle an die MCU, wo sie auf dem Display angezeigt werden. Die Kombination der Demoboards, bestehend aus PGA, ADC, Analogschalter und Kalibrier-DAC, veranschaulicht die Leistungsfähigkeit des analogen Frontends in Bezug auf Auflösung, Genauigkeit, Verstärkung und Geschwindigkeit.

In diesem Anwendungsfall konfigurieren die Entwickler die MCU mit der PC-basierten Software STM32CubeMX, während das AFE mit Hilfe des MDK (Microcontroller Development Kit) von Keil oder Atollic Truestudio programmiert wird. Über den SPI-Bus können Befehle und Daten übertragen werden. Die dazu erforderliche Software stellt ST Microelectronics auf ihrer Homepage zur Verfügung. Darüber hinaus empfiehlt Rutronik Entwicklern, die Board Support Packages zu nutzen.

Die Kommunikation mit dem NJU9103 erfolgt über den SPI1. Der Timer TIM3 erzeugt das PWM-Signal, während TIM4 den Interrupt adressiert, um die Messergebnisse auf einem Display anzuzeigen.

Um ein exaktes PWM-Signal zu erzeugen, müssen die Zähler und Vorteiler in TIM3 vorher definiert und eingestellt und der Ausgang als Pull-Up konfiguriert werden. Die Frequenz von TIM3 wird über das Taktsignal von APB1 (Advanced Peripheral Bus) eingestellt. Bitte beachten Sie, dass nur die APB1-Schnittstelle die maximale Taktfrequenz für den TIM3-Timer bereitstellt.

Um das Sinussignal zu synthetisieren, muss das PWM-Signal (Duty Cycle) in einem Array erzeugt werden. Zur Filterung und Glättung des PWM-Signals wird ein Tiefpass 1. Ordnung (1 kOhm / 1 µF) mit einem 3 dB-Punkt bei 1 kHz verwendet. Der ohmsche Spannungsteiler kann unter Berücksichtigung der gewählten Verstärkungsstufen des PGA im AFE gewählt werden. Am Ausgang erhält man dann ein Sinussignal. Es ist zu beachten, dass die maximale Eingangsspannung am Differenzeingang des AFE 1 V nicht überschreiten darf.

Nachdem das Demoboard mit Cube-MX konfiguriert wurde, wird die SPI-Kommunikation und das Display initialisiert. Das Board Support Package enthält viele nützliche Funktionen, die die Bedienung erleichtern.

Beim Setzen der Register des AFE über die SPI-Kommunikation müssen Entwickler auf einen wichtigen Punkt im Datenblatt achten: Mit den entsprechenden Adressen der Register können statt typischerweise das gesamte Byte nur die Bits 4 bis 7 definiert werden. Die Register können initialisiert werden. Die Abtastfrequenz des ADC kann über den Timer TIM4 eingestellt werden. Nach dem Satz von Nyquist hängt die Abtastfrequenz von der zu messenden Signalfrequenz ab. Das Sinussignal kann auch über ein angeschlossenes Display angezeigt werden.

Das System kann in dieser Anwendung mit der Software STM32CubeMX von ST Microelectronics konfiguriert werden. Rutronik

Die Kombination der beiden Demoboards in dieser Konfiguration ist eine gute Plattform, um die Leistungsfähigkeit des neuen AFE von NJRC zu demonstrieren. Der Aufbau zeigt auch die vielfältigen Möglichkeiten im Bereich der analogen Sensorsignalverarbeitung in den verschiedenen Anwendungsgebieten.

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