Mehrkanalige Sigma-Delta A/D-Wandler der AD7124-Familie können als Drei- und Vierleiter-Messsysteme eingesetzt werden. Was die Komponenten können, welche Auflösung und welches Signal-Rausch-Verhältnis das sind und welche sinnvollen Schaltungen integriert sind, wird im folgenden Artikel diskutiert.

Pinbelegung des AD7124-4. Analoge Geräte

Es gibt verschiedene Arten von Temperatursensoren, die bei der Entwicklung von Temperaturmesssystemen nützlich sind. Die Auswahl des Sensortyps richtet sich nach dem zu messenden Temperaturbereich und der geforderten Genauigkeit. Auch die Leistung des A/D-Wandlers (ADC) beeinflusst die Genauigkeit des Temperaturmesssystems. Da die Amplitude des Sensorsignals recht klein ist, wird oft ein hochauflösender ADC benötigt. Sigma-Delta-Wandler haben eine hohe Auflösung, erreichen ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis und verfügen über integrierte Schaltungen für Vorverstärker, Puffer und Filter, die für Temperaturmesssysteme sinnvoll sind.

Technische Daten des AD7124-4 / AD7124-8

Im Folgenden beschreiben die beiden Autoren Temperaturmessverfahren mit Drei- und Vierleiter-Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs) als Anwendungsbeispiel für ein Messsystemmodul der AD7124-Familie von Analog Devices. Sie diskutieren die Verwendung interner Schaltungen und Funktionen (Erregerstromquellen, Vorverstärker, Signalpuffer, FIR-Filter und andere) und erläutern die Leistung des ADC.

RTDs eignen sich für Temperaturmessungen im Bereich von -200 bis 800°C und sind sehr linear. Typische Materialien für solche Temperatursensoren sind Nickel, Kupfer und Platin, wobei Platinsensoren mit 100 Ω und 1000 Ω (PT100, PT1000) am weitesten verbreitet sind. Die Sensoren sind in Ausführungen mit zwei, drei oder vier Anschlussleitungen erhältlich, wobei Ausführungen für Drei- und Vierleitermessungen am häufigsten eingesetzt werden. Ein RTD benötigt einen Erregerstrom, um eine Messspannung zu erzeugen. Der Spannungspegel variiert je nach RTD-Typ von mehreren zehn bis mehreren hundert Millivolt.

Abb. 1: AD7124 als Dreileiter-Temperaturmesssystem verdrahtet. Analoge Geräte

Abbildung 1 zeigt ein Dreileiter-RTD-System. Der abgebildete AD7124 enthält alle notwendigen Funktionsblöcke zur Messsignalerfassung und -verarbeitung. Bei dieser Messmethode werden zwei identische, aufeinander abgestimmte Stromquellen verwendet, die die Spannungsabfälle auf den Messleitungen kompensieren. Ein Erregerstrom fließt durch RREF, RL1 RTD und RL3. Ein Kompensationsstrom fließt durch RL2 und RL3 und erzeugt eine Spannung an RL2, die der Spannung an RL1 entgegengesetzt ist. Der Verlust der Messleitungen an RL1 und RL2 beeinflusst die Spannungsmessung am RTD nicht mehr.

Die Spannung am Messwiderstand RREF ist die Referenzspannung für den A/D-Wandler, der auch Schwankungen des Erregerstroms erfasst. Dadurch können Ungenauigkeiten in der Messkette durch Stromschwankungen, Temperaturdrift und Übergangswiderstände ausgeglichen werden. Der Benutzer kann den Erregerstrom des AD7124 so konfigurieren, dass der Wandlungsbereich maximal ausgenutzt wird, was zu einer erhöhten Genauigkeit führt.

Abb. 2: Genauigkeit eines PT100 in Dreileiterschaltung aus Abb. 1 bei drei verschiedenen Betriebstemperaturen der Schaltung. Analoge Geräte

Die niedrige Messspannung am RTD muss verstärkt werden, um den Wandlungsbereich des ADC besser auszunutzen und das Signal-Rausch-Verhältnis zu maximieren. Die im AD7124 integrierten Vorverstärker (PGA, Programmable Gain Array) sind auf Verstärkungen von 1 bis 128 programmierbar und ermöglichen einen Kompromiss zwischen Erregerstrom, Verstärkung und Genauigkeit.

Vor der AD-Wandlung ist eine Filterung erforderlich, um Anti-Aliasing zu gewährleisten und Störungen im Messsignal zu reduzieren. Dies kann mit den internen analogen Puffern erfolgen. Alternativ können alle Analogeingänge sowie die Referenzeingänge vom Anwender frei mit RC-Filtern beschaltet werden, die die Genauigkeit der Messung nicht beeinträchtigen.

Im System ist eine Kalibrierung erforderlich, um Verstärkungs- und Offsetfehler zu eliminieren. Abbildung 2 zeigt den Temperaturfehler dieses Dreileiter-Widerstandsthermometers der Klasse B nach dem internen Null- und Messbereichsabgleich. Bei drei unterschiedlichen Betriebstemperaturen der Schaltung liegt der Gesamtmessfehler über den gesamten Temperaturbereich von -50 bis 200 °C deutlich unter ± 1 °C.

Die Anordnung des Präzisionsreferenzwiderstandes in der Erregerstromleitung des RTD (RL1) ist gut geeignet für Dreileitersysteme mit nur einem RTD. Wenn mehrere RTDs am gleichen ADC verwendet werden, sollte der Präzisionswiderstand in der gemeinsamen Rückleitung (RL3) platziert werden. Alle RTD-Sensoren teilen sich einen Referenzwiderstand. Bei dieser Implementierung ist jedoch eine genauere Erfassung der einzelnen Erregerströme und Temperaturdriften erforderlich. Zur Minimierung von Messfehlern können zwei Methoden verwendet werden:

Abb. 3: AD7124 als Vierleiter-Temperaturmesssystem verdrahtet. Analoge Geräte

1) Messung der einzelnen Erregerströme (über den Kreuzmultiplexer) und der Spannungen am Präzisions-Referenzwiderstand und der internen Low-Drift-Referenz des ADC.

2) Chopping-Modus, bei dem die Ströme auf den verschiedenen Seiten des RTD vertauscht werden und der Durchschnitt der beiden Ergebnisse in die Gesamtberechnung der Temperatur eingeht.

Für die Vierleitermessung wird nur eine Erregerstromquelle benötigt. Abbildung 3 zeigt die entsprechende Verdrahtung des AD7124.

Abb. 4: Genauigkeit eines PT100 in Vierleiterschaltung aus Abb. 3 bei drei verschiedenen Betriebstemperaturen der Schaltung. Analoge Geräte

Die internen analogen Puffer werden für Anti-Aliasing und Störsignalunterdrückung aktiviert. Auch hier erzeugt RREF die Referenzspannung für den ADC. Diese Konfiguration liefert eine ratiometrische Messung zwischen der Referenzspannung und der über dem RTD erzeugten Spannung. Der ratiometrische Aufbau stellt sicher, dass Abweichungen im Erregerstrom die Genauigkeit des Gesamtsystems nicht beeinträchtigen.

Abbildung 4 zeigt den RTD-Temperaturfehler eines Vierleiter-Widerstandsthermometers der Klasse B nach der internen Nullpunkt- und Messbereichskalibrierung. Bei drei unterschiedlichen Betriebstemperaturen der Schaltung liegt der Gesamtmessfehler über den gesamten Temperaturbereich von -50 bis 200 °C deutlich unter ± 0,8 °C und ist damit etwas kleiner als bei der Dreileiter-Schaltung.

Temperaturen ändern sich in der Regel eher langsam, weshalb die meisten Messsysteme mit einer geringen Abtastrate von maximal 100 Samples / s arbeiten. Ein ADC mit geringer Bandbreite ist daher ausreichend. Die Auflösung muss jedoch hoch sein. Sigma-Delta-ADCs sind im Grunde 1-Bit-Wandler, erreichen aber als übergeordnetes System eine höhere Auflösung (bei AD7124 24 Bit) durch Hintereinanderschaltung mehrerer Differenz- und Integratorstufen (in der Praxis oft drei bis vier Stufen) und mehrfachem Oversampling . .

Die Integratoren und der nachgeschaltete digitale Rauschfilter verursachen eine gewisse Latenz, wodurch diese Wandler eine geringe Bandbreite aufweisen, aber unempfindlich gegenüber höherfrequenten Störsignalen sind. Dank des mehrstufigen Wandlerdesigns erreichen Sigma-Delta-Wandler ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis. Mit der damit verbundenen Rauschformung verschiebt sich die Rauschenergie aus dem Nutzbereich in einen höheren, nicht relevanten Frequenzbereich. Ein nachgeschalteter digitaler Filter dämpft Signale oberhalb des relevanten Frequenzbandes.

Das digitale Filter bildet jedoch Frequenzbandabbildungen oberhalb und bei Vielfachen der Abtastfrequenz. Daher sind zusätzliche externe Anti-Aliasing-Filter erforderlich. Wegen der Überabtastung reicht für die meisten Anwendungen ein einfaches RC-Filter erster Ordnung aus. Die Sigma-Delta-Architektur eines 24-Bit-ADC erzeugt effektiv eine Spitze-zu-Spitze-Auflösung von bis zu 21,7 Bit, die sozusagen flimmerfrei ist.

Abbildung 5: Dämpfungscharakteristik eines Nachfilters mit 25 SPS im Bereich 40 bis 600 Hz. Analoge Geräte

Neben der Rauschunterdrückung, wie oben bereits erläutert, eignet sich das digitale Filter auch zur Unterdrückung der Zeilenfrequenz. Werden Anlagen an Netzspannung betrieben, entstehen im Frequenzspektrum Oberwellen als Vielfaches von 50 bzw. 60 Hz. AD-Wandler mit geringer Bandbreite verwenden hauptsächlich Sinc-Filter, die so programmiert werden können, dass Frequenzeinbrüche bei 50 oder 60 Hz und deren Vielfachen entstehen. Mehrere Notch- oder Notch-Filter bilden einen Kammfilter, der die Netzfrequenz und deren Oberwellen unterdrückt.

Abb. 6: Vergrößerter Ausschnitt aus Abb. 5 aus dem Bereich 40 bis 70 Hz. Analoge Geräte

Dem A/D-Wandler nachgeschaltete digitale Filter müssen eine kurze Einschwingzeit aufweisen, damit Mehrkanalsysteme eine ausreichend hohe Wandlungsrate erreichen. Die AD7124-Familie enthält Nach- oder FIR-Filter, die im Vergleich zu einem Sinc3- oder Sinc4-Filter eine gleichzeitige Netzfrequenzunterdrückung mit kürzeren Einschwingzeiten bieten. Abbildung 5 zeigt eine digitale Filteroption: Dieses Nachfilter hat eine Einschwingzeit von 41,53 ms und unterdrückt gleichzeitig 62 dB bei 50/60 Hz.

Die Leistungsaufnahme (drei Leistungsstufen konfigurierbar) und damit die Leistungsfähigkeit der Komponenten der AD7124-Serie hängen von der Art der Endanwendung ab. In manchen industriellen Anwendungen, beispielsweise zur Temperaturüberwachung in Fabriken, befindet sich das komplette Temperaturmesssystem inklusive Sensor, ADC und Mikrocontroller auf einer Platine, die aus der 4/20 mA Schleife gespeist wird.

Damit ist für die gesamte Platine ein Strombudget von maximal 4 mA vorgegeben. Bei tragbaren Geräten, wie Gasanalysatoren zur Gasanalyse in Bergwerken, muss die Temperatur gemessen und die Gasanalyse durchgeführt werden. Diese Systeme werden mit Energie aus einer Batterie versorgt, mit dem Ziel eine möglichst lange Batterielebensdauer zu erreichen. Bei solchen Anwendungen ist ein geringer Energieverbrauch bei gleichzeitig hoher Leistung unabdingbar.

Bei Anwendungen zur Steuerung von Prozessen kann dem System ein höherer Stromverbrauch zugebilligt werden. Für diese Art von Anwendung kann es erforderlich sein, in einer gegebenen Zeit mehr Kanäle zu durchqueren, während eine gegebene Leistung erreicht wird. Die Serie AD7124 verfügt über drei vom Benutzer wählbare Leistungsmodi.

Der ausgewählte Leistungsmodus bestimmt den Bereich der Ausgangsdatenraten zusätzlich zum Stromverbrauch der analogen Blöcke auf dem Chip. Somit kann die Komponente in schleifen- oder batteriegespeisten Systemen im Betriebsmodus für mittlere oder geringe Leistungsaufnahme betrieben werden. In Prozessleitsystemen kann die Komponente im Betriebsmodus für hohe Leistungsaufnahme betrieben werden, bei dem ein höherer Energieverbrauch zu einer Leistungssteigerung führt.

Die Diagnosefähigkeit von Geräten in industriellen Anwendungen wird immer wichtiger. Typische Diagnoseanforderungen sind die Überwachung von Spannungsversorgung, Referenzspannung, Analogeingängen, Lese-/Schreibvorgängen und Registerinhalten, Erkennung von Verbindungsunterbrechungen sowie Überprüfung der Wandlung, Kalibrierung und Signalkette.

Die AD7124-Familie hat alle genannten Diagnosefunktionen integriert, was insbesondere bei Systemen für fehlersichere Anwendungen Entwicklungszeit, externe Komponenten, Platzbedarf und Kosten reduziert. Die FMEDA (Failure Modes Effects and Diagnostic Analysis) einer typischen Temperaturmessanwendung, die mit dieser Komponente aufgebaut ist, hat gemäß IEC 61508 zu einem SFF (Safe Failure Fraction) von über 90 % geführt. Normalerweise sind zwei konventionelle ADCs erforderlich, um dieses Niveau von . zu erreichen Abdeckung.

Die Systemanforderungen an ein Temperaturmesssystem sind hoch. Sehr kleine Sensorspannungen müssen rauscharm und rückwirkungsfrei verstärkt werden, bevor sie vom ADC mit hoher Auflösung digitalisiert werden. Sigma-Delta-Wandler eignen sich für solche Anwendungen, da sie eine hohe Auflösung und hohe Genauigkeit bei geringem Rauschen bieten. Ein Temperaturmesssystem erfordert zusätzliche Schaltungen wie Erregerstromquellen und Signalpuffer.

Letztendlich bestimmt die Endanwendung das für das System zulässige Leistungsbudget. Tragbare, batterie- oder schleifengespeiste Systeme erfordern den Einsatz von Komponenten mit geringem Stromverbrauch sowie Redundanzen zur Ausfallsicherheit. Die Anforderungen an Eingangsmodule sind hoher Datendurchsatz und hohe Kanaldichte. Ein universelles Messmodul, das mehrere Sensortypen und Leistungsmodi unterstützt, kann in mehreren verschiedenen Endsystemen implementiert werden, was die Entwicklungszeit erheblich verkürzen kann.

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