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© Analog Devices Inc Application Notes | 29 Oktober 2021

Ein 16-Bit-Ausgangsmodul mit Spannungs- und Stromausgang isoliert vom Mikrocontroller ansteuern

Dieser Analogtipp beschreibt, wie sich ein 16-Bit-Ausgangsmodul mit dem Single-Chip Spannungs- und Stromausgangs-DAC AD5422 und dem digitalen Isolator ADuM1401 vollständig isoliert vom Mikrocontroller ansteuern lässt.

Egal ob in Gebäuden oder in Fabrikhallen, überall werden heutzutage programmierbare Steuerungen zur Regelung verschiedenster Prozesse, Maschinen und Anlagen benötigt. Man spricht hierbei von Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), bzw. von verteilten Steuerungssystemmodulen (DSC), an welche die Geräte angeschlossen sind. Um diese Geräte steuern zu können, verfügen die SPSen und verteilten Steuerungssystemmodule in der Regel über Ausgangsmodule, welche Stromausgänge, Spannungsausgänge oder eine Kombination davon haben. Industrielle Steuermodule umfassen die standardmäßigen analogen Ausgangsspannungs- und Strombereiche ±5 V, ±10 V, 0 V bis +5 V, 0 V bis +10 V, 4 mA bis 20 mA und 0 mA bis 20 mA. Vor allem im industriellen Sektor wird hierbei oftmals eine galvanische Trennung zwischen Mikrocontroller und Ausgangsperipherie benötigt. Klassische Lösungen sehen einen diskreten Aufbau vor, um die digitalen Signale vom Mikrocontroller in analoge Signale zu wandeln bzw. die verschiedenen analogen Ausgänge bereitzustellen, als auch die galvanische Trennung zu realisieren. Allerdings weist ein diskreter Aufbau eine Menge Nachteile gegenüber integrierten Lösungen auf. So führen beispielsweise die hohe Anzahl an Komponenten zu einer erheblichen Systemkomplexität, Platinengröße und hohen Kosten. Zusätzliche Eigenschaften wie Kurzschlussfestigkeit oder auch Fehlerdiagnostik unterstreichen dies Nachteile. Eine bessere Lösung ist es, möglichst viele Funktionen auf einem einzigen IC zu integrieren, wie z.B. mit dem hochpräzise 16-Bit-Digital/Analog-Wandler AD5422 von Analog Devices Inc. (ADI). Er bietet neben der Digital-Analog-Wandlung eine voll integrierte programmierbare Stromquelle und einen programmierbaren Spannungsausgang und wird damit den Anforderungen industrieller Prozesssteuerungsanwendungen gerecht. Abbildung 1: Vereinfachte Beispielsschaltung zur isolierten Ansteuerung einer analogen Ausgangsstufe mit dem AD5422 und dem ADuM1401 In Abbildung 1 ist eine Beispielschaltung zur vollständig isolierten Ansteuerung einer analogen Ausgangsstufe eines Ausgangsmoduls zu sehen. Sie eignet sich speziell für SPSen und verteilte Steuerungssystemmodule in der Prozesssteuerung, bei denen standardmäßige Stromausgänge von 4 mA bis 20 mA und unipolare oder bipolare Ausgangsspannungsbereiche benötigt werden. Dabei kommt der AD5422 in Kombination mit dem digitalen Vierkanal-Isolationsbausteins ADuM1401 zum Einsatz. Die Ausgänge des 16-Bit-Digital/Analog-Wandler (DAC) AD5422 sind per serieller Schnittstelle (SPI) konfigurierbar. Zudem verfügt der Baustein über integrierte Diagnosefunktionen, die in industriellen Umgebungen nützlich sein können. Die erforderliche Isolationsfestigkeit zwischen dem Mikrocontroller und dem DAC wird mit dem ADuM1401 erreicht, dessen vier Kanäle für die SPI-Anbindung an den AD5422 verwendet werden: drei Kanäle übertragen die Daten (LATCH, SCLK und SDIN), der vierte Kanal empfängt die Daten (SDO). Gerade im industriellen Bereich ist es erforderlich, robuste Ausgänge gegenüber hohen Störspannungen bereitzustellen. Die Anforderungen an die Robustheit werden in Normen wie der IEC 61000 festgehalten. Sie spezifiziert beispielsweise die Anforderungen in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Um diesen Normen gerecht zu werden, ist zusätzlich eine externe Schutzbeschaltungen an den Ausgängen erforderlich. Eine mögliche Schutzbeschaltung ist in Abbildung 2 dargestellt. Abbildung 2: IEC 61000-konforme Schutzbeschaltung der Ausgänge des AD5422 Der Stromausgang IOUT ist wahlweise im Bereich von 4 mA bis 20 mA oder 0 mA bis 20 mA programmierbar. Die Spannungsausgabe erfolgt über den separaten Pin VOUT, der für Spannungsbereiche von 0 V bis +5 V, 0 V bis +10 V, ±5 V oder ±10 V konfigurierbar ist. Die Messbereichsüberschreitung für alle Spannungsbereiche beträgt hierbei 10%. Beide Analogausgänge sind kurzschluss- und leerlauffest und können kapazitive Lasten von bis zu 1 µF als auch induktive Lasten bis zu 50 mH treiben. Der AD5422 erfordert eine analoge Spannungsversorgung (AVDD) im Bereich von 10,8 V bis 40 V. Für die digitale Versorgungsspannung (DVCC) werden 2,7 V bis 5,5 V benötigt. Alternativ kann DVCC auch als Versorgungspin für weitere Komponenten im System oder als Abschluss für Pull-Up-Widerstände dienen. Hierzu gilt es den DVCC-SELECT-Pin offen (engl. floaten) zu lassen, wobei die interne 4,5V-LDO-Spannung an den DVCC-Pin gelegt wird. Der maximale verfügbare Versorgungsstrom liegt bei 5mA. In der dargestellten Schaltung wird der DVCC zur Versorgung der galvanisch getrennten Seite des ADuM1401 verwendet. Zum Erzielen hochpräziser Wandlungsergebnisse des 16-Bit DAC wird die externe Referenzspannung ADR4550 herangezogen. Hierbei handelt es sich um eine hochpräzise, ​​stromsparende, rauscharme Spannungsreferenz mit einem maximalen Anfangsfehler von ± 0,02%, einer hervorragenden Temperaturstabilität und einem geringen Ausgangsrauschen. Diese dargestellte Schaltung eignet sich insbesondere für Ausgangsmodule von SPSen bzw. von verteilten Steuerungssystemmodulen, welche sowohl Strom- als auch Spannungsausgänge bereitstellen und EMV-Normen wie die IEC 61000 erfüllen müssen. Quelle: „16-Bit, Fully Isolated Output Module Using the AD5422 Single-Chip Voltage and Current Output DAC and the ADuM1401 Digital Isolator“; https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/an-1519.pdf (Stand: 18.06.2020)[:] Über den Autor: Thomas Brand, © Analog Devices Inc.
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