Wandlung von PWM-Signale in 4…20mA - All

AM 462 - Interfaceschaltung zwischen Prozessor und SPS
- Wandlung von PWM-Signale in 4…20mA Der Artikel beschreibt eine einfache Schnittstellenschaltung zur Wandlung eines PWMSignals in ein Einheitssignal (4…20mA). Er erläutert die Anbindung eines Prozessors an
das analoge Netz, das zur Übertragung der Prozessorsignale zur SPS oder DDC.
Vorraussetzung für ein einfaches Interface sind: das PWM-Ausgangssignal eines Prozessors, ein Tiefpaß und ein Spannungs/Stromwandler.
Neben der Darstellung der prinzipiellen Möglichkeiten zur D/A-Wandlung wird die Konvertierung eines digitalen Prozessorausgangs (PWM) in ein Stromsignal mittels eines einfachen Triefpasses erläutert und dieser geeignet dimensioniert.
Die folgenden Ausführungen gelten sinngemäß für alle Spannungs/Strom-Wandler-ICs
der Analog Microelectronics GmbH der Serie AM4X2 und AM4X0 [1]. Im nachfolgenden
Artikel wird beispielhaft der AM462 behandelt.
Abbildung 1: Verschiedene Typen aus der Serie AM4X2 und AM4X0
Ausgangssituation
Als industrietypische Anwendung wird eine Konfiguration zugrunde gelegt (Abbildung 2), bei
der ein Messsignal nach der Signalerfassung in einem nachfolgenden Prozessor bearbeitet
wird und anschließend als analoge Information in einem industriellen Netz zu einem Empfänger übertragen werden soll. Für die bewährte Stromübertragung stellt sich für viele Anwender
die Frage:
Wie wandelt man das digitale Prozessorsignal in ein adäquates Stromsignal z.B. 4...20mA?
Der nachfolgende Artikel soll diese Frage beispielhaft für das 4…20mA (Life-zero-)Signal
beantworten und eine Hilfestellung bei der Dimensionierung einer solchen Interface-Schaltung geben.
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AM 462 - Interfaceschaltung zwischen Prozessor und SPS
- Wandlung von PWM-Signale in 4…20mA -
Regler
V = 5V
Meßsignal
µP
D
D
Spannung/StromWandler
A
24V
4...20mA
Abbildung 2: Typische Industrieanwendung: Anbindung eines µProzessor an das 4…20mA Netz
einer SPS oder DDC
D/A-Wandlung
Für nahezu alle Anwendungen findet man heute geeignete, kostengünstige µProzessoren. Sie
eignen sich z.B. zum Signalabgleich, zur Linearisierung, zur Steuerung und gegebenenfalls
neben der Signalbearbeitung auch zur Messkanal- oder Typenidentifizierung. Die internen
Routinen und Prozesse laufen alle digital ab; ihre Ergebnisse müssen aber für den Informationstransfer Industrieanwendungen in analoge Werte gewandelt werden.
Ist für das übergeordnete Kommunikationssystem der SPS oder der DDC z.B. ein analoges
Strom(Ausgangs)Signal von 4…20mA erforderlich, so erfolgt die Wandlung vom Meß- zum
Stromsignal in aufeinander folgenden Schritten. Zunächst muß das Messsignal verstärkt,
digitalisiert (A/D-Wandlung) und nach der Bearbeitung im Prozessor wieder in ein adäquates
analoges Spannungssignal gewandelt werden (D/A-Wandlung). Nach der Wandlung und der
gegebenenfalls notwendigen Glättung wird das analoge Spannungssignal in einen adäquaten
Strom transformiert und dieser auf die gewünschten Stromausgangswerte kalibriert.
Meßsignal
Meßsignal
µP
µP
D
D
AM462
A
D
PWM
Tiefpaß
AM462
4...20mA
4...20mA
Abbildung 3: Mögliche Schnittstellenkonfigurationen für die Signalwandlung mit
dem AM462 für das 4…20mA Netz
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- Wandlung von PWM-Signale in 4…20mA Falls ein D/A-Wandler im Prozessor (siehe Abbildung 3) integriert ist und vorausgesetzt, dass
das Signal genügend geglättet und die Auflösung für die Messgenauigkeit ausreichend ist,
benötigt man noch die Transformation des analogen DC-Spannungssignals in den gewünschten Stromwert.
Da dies wegen des Offsetwertes von 4mA in der Regel nicht über ein passives Widerstandsnetzwerk realisiert werden kann, muß man beispielsweise eine spannungsgesteuerte Stromquelle aufbauen, die den Fußpunktwert von 4mA erzeugen kann. Auf dem Markt gibt es
Standart-ICs, die diese Aufgabe erfüllen können. Dazu gehört z.B. die Serie AM4X2 und
AN4X0 der Analog Microelectronics, die im günstigsten Fall ohne große Anpassung direkt an
den D/A-Wandler angeschlossen werden können [2].
Sofern im Prozessor kein D/A-Konverter integriert ist und aus Kostengründen kein weiterer
Baustein eingesetzt werden kann, muß das digitale Prozessorausgangssignal mit anderen
Methoden in ein DC-Signal gewandelt werden. In vielen Fällen hilft dazu ein hardwaremäßig
im Prozessor installierter PWM-Ausgang (Pulsweitenmodulation), dessen Signal in den gewünschten Strom transformiert werden muß. Bei der Pulsweitenmodulation wird eine rechteckförmige Spannung erzeugt, bei der das Verhältnis von Einschaltzeit zur Periodendauer T
gemäß dem digitalen Messwert variiert wird.
Ist weder ein D/A-Konverter noch ein hardwaremäßiger PWM-Ausgang vorhanden, wie es
bei low-cost Risk-Prozessoren oft der Fall ist, kann man das PWM-Signal softwaremäßig
erzeugen und einen I/O-Ausgang des Prozessors als PWM-Ausgang programmieren. Dazu
kann im Prozessor eine Timer gesteuerte Interrupt-Routine benutzt werden.
1
T
10
U1
tp =
U1
1
tp = T
2
U1
tclk T
tp
t
t
t
U1
tp =
9
T
10
t
Abbildung 4: Verschiedene Tastverhältnisse bei der Pulsweitenmodulation
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AM 462 - Interfaceschaltung zwischen Prozessor und SPS
- Wandlung von PWM-Signale in 4…20mA Zur Erzeugung des PWM-Signals wird der Ausgang softwaremäßig innerhalb der Periode T
ein- und ausgeschaltet, wobei die Pulsweite tp dem digitalisierten Messwert entspricht.
Da der I/O-Ausgang eines Prozessors in seinen Ausgangsregistern normalerweise diskrete
Spannungen (z.B.U1 = 0/ 3,3V oder 0/ 5 Volt) mit der Taktfrequenz f = 1/tclk erzeugt und da
der I/O Ausgang nun dem PWM-Signal entspricht, hat das PWM-Signal die Amplitude U1.
Das Verhältnis von Einschalt- und Periodendauer tp/T wird als Tastverhältnis oder duty
cycle bezeichnet. (siehe Abbildung 4). Die zeitliche Entwicklung des Tastverhältnisses
entspricht der im Prozessor bearbeiteten Messinformation.
Filterung
Bei der folgenden Beschreibung der Filterung und der Dimensionierung des Tiefpassfilters
geht man davon aus, dass am Ausgang desProzessor bereits ein PWM-Signal anliegt.
Zur Wandlung des PWM-Signals in ein analoges Spannungssignal wird üblicherweise eine
arimethische Mittelung mit Hilfe eines Tiefpassfilters vorgenommen.
Dabei muß das pulsweitenmodulierten Signal der quasistatischen Bedingung: fm<< fp (fm =
Änderung des Meßwertes, fp = 1/tp) genügen, um durch die erwähnte Tiefpassfilterung (siehe
Abbildung 5) in einen DC-Wert gewandelt werden zu können.
Das aus dem Prozessor erhaltene Rechtecksignal U1 (PWM-Signal) wird in einem Tiefpaß gefiltert, so dass sich ein gemitteltes DC-Ausgangssignal (U2) ergibt, das dem Tastverhältnis
tp/T proportional ist. Es gilt:
U2 =
1
T
t0 +T
∫ U 1 (t )dt ⎯⎯→ U 2 = U 1 T
t
t0
V=5V
6...35V
µP
AM462
Tiefpass
U1
U1
z.B. 4...20mA
U2
U2
R
DC Signal mit Restwelligkeit
∆U2
C
t
t
Abbildung 5: Anbindung eines Prozessors mit PWM-Ausgang an das 4…20mA Stromnetz mit Hilfe einer spannungsgesteuerten Stromquelle (AM462)
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AM 462 - Interfaceschaltung zwischen Prozessor und SPS
- Wandlung von PWM-Signale in 4…20mA Das gefilterte PWM-Signal entspricht der Spannung U2, die anschließend in das
Einheitssignal (4…20mA) gewandelt werden soll. Bei einem Tastverhältnis von z.B. 0,5 stellt
sich in einem 5 Volt-System eine Ausgangsspannung von 2,5Volt (arithmetisches Mittel) ein.
Mit der oben stehenden Formel ist noch nichts über die Dimensionierung der Tiefpassschaltung sowie dessen Verhalten auf den Fehler im Stromsignal ausgesagt. Es bleibt die
Frage:
Wie dimensioniere ich den Tiefpaß in Abhängigkeit von den resultierenden Fehlern im
Stromausgangssignal? Oder, was muß man tun, damit das PWM-Signal vernachlässigbar
wenig zum Fehler des Stromsignals beiträgt und welche Einflussgrößen spielen bei der
Dimensionierung eine Rolle?
Dimensionierung
Prinzipiell geht man davon aus, dass der Tiefpaß keinen oder nur einen geringen Beitrag zum
Gesamtfehler des Ausgangsstroms haben sollte. Das heißt: Die Störungen, die aus der Tiefpaßfilterung resultieren (Restwelligkeit), sollen möglichst klein sein.
Die PWM-Amplitude wird mit U1, die Restwelligkeit auf U2 mit ∆U2 bezeichnet. Mit einer
geeigneten Analyse kann man unter der Randbedingung:
∆U2 << U1
zeigen, daß ∆U2 am größten (max∆U2) wird, wenn gilt:
1
tp = T
2
Für max∆U2 folgt:
max ∆U 2 =
(1)
U1 ⋅ T
4⋅ R ⋅C
(2)
Das heißt, die Restwelligkeit hängt neben der PWM-Amplitude U1, von der PWM-Periodendauer T und von der Dimensionierung der Tiefpasskomponenten R und C ab.
Aus dem Vorhandensein eines Tiefpasswiderstandes R ergibt sich durch den Input BiasStrom (IINPUT) der spannungsgesteuerten Stromquelle (Spannungs/Strom-Wandler-AM462)
am IC-Eingang ein Offset UOff, der ebenfalls einen Fehleranteil ∆Iout im Ausgangsstrom zu
Folge hat.
U Off = I INPUT ⋅ R
(3)
Man erkennt, daß der Offset (3) und die Restwelligkeit (2) bezüglich des Widerstandes R ein
gegenläufiges Verhalten haben, was für die Berechnung von R und C gleichbedeutend mit
einem Optimierungsproblem ist. Randbedingung zur Berechnung ist der praktisch relevante
Fall, dass beide Fehleranteile im Ausgangsstrom den gleichen Wert haben sollen.
Die Suche nach dem lokalen Minimum bezüglich des Offsets und der Restwelligkeit führt auf
der Basis der Gleichungen (2) und (3) zu der Gleichung für den Widerstand R:
R=
max ∆U 2
I INPUT
(4)
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- Wandlung von PWM-Signale in 4…20mA Die Kapazität C errechnet sich zu:
C=
I INPUT ⋅ T ⋅ U 1
4 ⋅ max ∆U 2 2
⋅
(5)
Mit der Bestimmung von R und C ist der Tiefpaß unter der Randbedingung der vorgegebenen
gleichen Fehleranteilen (∆IOUT), die aus der Restwelligkeit und dem Offset resultieren,
festgelegt. Unabhängig von der konkreten Dimensionierung ist als Randbedingung für die
praktische Ausführung unter Umständen der Verlustfaktor der Kapazität C (tanδ) und der
Temperaturkoeffizient zu beachten, der neben der Baugröße und den Kosten für den zu
benutzenden Kondensator Einfluss auf die Systemeigenschaften haben kann.
Die Tiefpassgrenzfrequenz fg (3dB Punkt des RC-Filters), mit der eine Änderung des PWMSignals (fm) übertragen werden kann, beträgt:
fg =
U 2 = U1⋅
1
U1
tp
T
1
2 ⋅π ⋅ R ⋅ C
fg =
fp
(6)
1
2⋅π ⋅ R⋅ C
U1
U2
fg
U2
f
2
Zeitbereich
Frequenzbereich
3
U1
fg
U2
f
U2
Abbildung 6: Restwelligkeit in Abhängigkeit von der Tiefpaßgrenzfrequenz
Aus der Abbildung 6 wird prinzipiell einsichtig, dass die Restwelligkeit und die Tiefpassgrenzfrequenz gekoppelte Größen sind. Je kleiner die Restwelligkeit sein soll, desto kleiner
wird auch die Grenzfrequenz zu wählen sein.
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- Wandlung von PWM-Signale in 4…20mA Aus Gleichung (4) und (5) folgt:
fg =
2 ⋅ max ∆U 2
U1 ⋅ T ⋅ π
(7)
woraus ersichtlich ist, dass mit einem vorgegebenen max∆U2 auch die Grenzfrequenz fg
festgelegt ist.
Berücksicht werden sollte, dass als Nebenbedingung gilt: Tiefpassgrenzfrequenz fg < fit.
Dabei ist fit die Übertragungsfrequenz des nach geschalteten ICs, die im Falle des AM462 mit
ca. 50kHz angegeben wird.
AM462 - Ein industrielles Spannungs/Stromwandler-IC
Bei dem AM462 (Abbildung 7und 8) handelt es sich um ein Spannungs/Strom-Wandler-IC in
Form eines mehrstufigen Verstärkers mit einer Reihe von Zusatz- und Schutzfunktionen, die
wahlweise benutzt werden können und somit eine hohe Flexibilität und Funktionalität
ermöglichen. Das IC ist konsequent in allen Funktionen modular aufgebaut. Alle Funktionsblöcke sind einzeln über die entsprechenden Pins zugänglich und können extern verknüpft
oder separat betrieben werden.
VREF
VCVREF
1
AM462
VCVSET
C1
R3
15
13
R4
16
VS
VSET
I
2
OP2
11
R0
10
Spannungsreferenz
9
VBG
V
VINP
8
3
T1
D1
OP1
5
4
R1
R2
VOUTAD
6
14
R5
IOUT
VINDAI
Ground
Abbildung 7: 3-Draht-Anwendung des AM462 als Spannungs/Strom-WandlerIC mit 4…20mA Stromausgang
Die Funktionsblöcke des AM462 sind im Einzelnen:
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AM 462 - Interfaceschaltung zwischen Prozessor und SPS
- Wandlung von PWM-Signale in 4…20mA 1. Eine Operationsverstärkerstufe
Die Verstärkerstufe (OP1) eignet sich für massebezogene Eingangssignale von 0 bis VCC5V. Die Verstärkung ist über zwei externe Widerstände einstellbar. Der Ausgang der
Operationsverstärkerstufe ist so konzipiert, dass er bei entsprechender Belastung bis auf
Null eingestellt werden kann. Der OP1 ist spannungsbegrenzt, wodurch selbst bei eingangseitiger Überspannung die nachfolgenden Stufen geschützt werden.
2. Eine V/I-Wandlerstufe
Auf der Ausgangsseite sorgt die Wandlerstufe (V/I-Stufe) für die Umsetzung der Eingangsspannung in einen zwischen 0 und 20mA frei einstellbaren Ausgangsstrom. Hierbei steuert
die Ausgangsstufe des Wandlers einen externen Transistor an, der dafür sorgt, daß die
Verlustleistung außerhalb des ICs abgeführt wird. Stromnullpunkt und Stromendwert
lassen sich einfach über zwei externe Spannungsteiler einstellen.
3. Eine Bandgapreferenz
Die Referenzspannungsquelle des AM462 erlaubt die Spannungsversorgung von externen
Komponenten (z.B. Sensoren, µProzessoren usw.). Der Wert der Referenzspannung VREF
kann über den Pin VSET auf VREF = 5V/10V eingestellt werden. Unter Verwendung von
zwei externen Widerständen lassen sich auch Zwischenwerte einstellen.
4. Ein Operationsverstärker
Die zusätzliche Operationsverstärkerstufe (OP2) ist als Strom- bzw. Spannungsquelle zur
Versorgung von externen Komponenten einsetzbar. Der positive Eingang des OP2 ist
dabei intern auf die Spannung VBG gelegt, so daß der Ausgang durch einen bzw. zwei
externe Widerstände über einen weiten Bereich einstellbar ist.
Darüber hinaus besitzt das IC einen internen Überspannungsschutz für den Verstärker (OP1),
einen integrierten Verpolschutz bezüglich der Ausgangsstufe (V/I-Wandler) über den vollen
Spannungsbereich und eine Ausgangsstrombegrenzung, die das IC gegen Zerstörung schützt.
VREF
3,3 V
VCVR EF
1
AM462
R7
VCVS ET
C1
R3
15
13
R4
16
VS
VSET
I
2
OP2
R6
R0
10
Spannungsreferenz
9
VBG
V
VINP
PWM
11
8
3
T1
D1
OP1
R
C
5
4
R1
6
14
R5
IOUT
4...20 mA
R2
Ground
Abbildung 8: Interfaceschaltung AM462: PWM – Stromnetz 4..20mA im 3 Draht- Betrieb
Zusammenfassung
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AM 462 - Interfaceschaltung zwischen Prozessor und SPS
- Wandlung von PWM-Signale in 4…20mA Das digitale Ausgangssignal eines Prozessors, dessen Takt und dessen I/O-Ausgangspannung
respektive PWM-Ausgang vorgegeben sind, kann mit einem einfachen Tiefpaß und einer
spannungsgesteuerten Stromquelle (am Beispiel des AM462) auf einfache Weise in ein
4...20mA Stromsignal gewandelt werden. Wie das PWM-Signal in das 4…20mA-Stromsignal
transformiert wird, ist mit einer ausführlichen Dimensionierung der Tiefpassschaltung in
dieser Anwendungsbeschreibung gezeigt.
Mit Hilfe der abgeleiteten Formeln kann die Interfaceschaltung leicht an die Randbedingungen der Anwender angepasst werden.
Die Dimensionierung der Tiefpaßschaltung ist in der vorliegenden Anwendungsbeschreibung
an dem Beispiel einer 3-Draht Schaltung aufgezeigt. Sie kann mit Hilfe der korrespondierenden Datenblätter [1] leicht auf die 2-Draht-Varianten übertragen werden, da die
Ausgangsbeschaltung im 2Draht- oder 3-Draht-Betrieb bis auf die Begrenzung der Eigenstromaufnahme (max. 4mA) im 2Draht-Betrieb keinen Einfluss auf die Schnittstellenschaltung hat.
Weiterführende Literatur:
Alle Informationen auf: www.analogmicro.de
[1] Datenblätter der Spannungs/Strom-Wandler-ICs: AM400, AM402, AM422, AM442,
AM460 und AM462
[2] Datenblatt AM462: siehe Anwendungen
[3] Pressenotiz: PR1012: Spannungs/Strom-Wandler-IC für 2 Draht-Stromschleifen Anwendungen
[4] Anwendungsnotiz: AN1010: Stromschleifenausgang für einen 0,5…4,5V Drucksensor
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