Die Personenwaage SUPER-SERVAL - emsp.tu
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS SUPER-SERVAL Die digital anzeigende Personenwaage SUPER-SERVAL Von Fabian Bess, Sven Queisser und Henry Westphal Seite 5- 1 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS SUPER-SERVAL Die Idee Es sollte ein funktionales Äquivalent zum SERVAL mit heutiger Microcontrollertechnik geschaffen werden. Damit ist dann ein direkter Vergleich von Transistortechnik und aktueller Microcontrollertechnik möglich. Der SUPER-SERVAL, im Hintergrund der SERVAL Seite 5- 2 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS SUPER-SERVAL Der Unterschied wird deutlich sichtbar, wenn man beide, in Funktion und Meßgenauigkeit identische Geräte nebeneinanderlegt. Größenvergleich zwischen SERVAL und SUPER-SERVAL Seite 5- 3 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS SUPER-SERVAL Die Realisierung Das Herzstück des SUPER-SERVAL ist ein Microcontroller ADuC845 mit integriertem 24 Bit Sigma-DeltaA/D-Umsetzer. Fast alle zum Aufbau der Waage benötigten Peripherieblöcke bereits integriert, so daß außer dem Microcontroller nur noch wenige zusätzliche Bauelemente benötigt werden. Der Microcontroller ADUC845, Blockschaltbild und praktische Ausführung Seite 5- 4 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS SUPER-SERVAL Die folgende Abbildung zeigt die Leiterplatte des SUPER-SERVAL. In der Mitte der Leiterplatte ist der Microcontroller zu erkennen. Links vom Microcontroller befinden sich die Operationsverstärker für die Brückenversorgung und für den Brückenverstärker. Am linken Rand ist der Anschlußstecker für die Meßbrücke. Am rechten Rand der Leiterplatte befinden sich Gleichrichter und Ladekondensator sowie ein getakteter Spannungsregler. Am oberen Rand der Leiterplatte befinden sich die LED-Anzeigen, am unteren Rand die Kalibriertaster. Die Leiterplatte des SUPER-SERVAL Seite 5- 5 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS SUPER-SERVAL Der A/D-Umsetzer des ADuC845 arbeitet mit dem Sigma-Delta-Verfahren. Dieses Verfahren stellt praktisch eine Weiterentwicklung des im SERVAL verwendeten Dual-Slope-Verfahrens dar, bei dem die Integration auf einen mit sehr kleinem Integrationskondensator auskommenden analogen Integrator und einem digitalen Filter aufgeteilt wird. Damit kann dieses Verfahren ohne externe Bauelemente auf einem Siliziumchip integriert werden. Das folgende Blockschaltbild zeigt den Aufbau eines Sigma-Delta-Umsetzers: Blockschaltbild eine Sigma-Delta A/D-Umsetzers Die Differenz zwischen dem analogen Eingangssignal X und dem rückgeführten Signal W, das nur zwei Zustände einnehmen kann, wird mit einem Integrator integriert. Der Ausgang des Integrators ist das Eingangssignal eines Comparators, dessen Ausgang wiederum, wie schon beschrieben, auf den Eingang der Schaltung zurückgeführt wird. Die Schaltung oszilliert. Am Ausgang des Comparators stellt sich ein Rechtecksignal D ein, dessen Tastverhältnis exakt zum analogen Eingangssignal proportional ist. Das Tastverhältnis dieses Signals kann beliebig viele Zwischenwerte annehmen, es ist also zeitanalog, wenn es auch nur zwei diskrete Spannungspegel einnehmen kann. Mit einem digitalen Filter, etwa einem Zähler, der dann, wenn das Signal D einen H-Pegel einnimmt vorwärts zählt, aber bei einem Low-Pegel des Signals rückwärts zählt, erhält man einen der analogen Eingangsspannung proportionalen Zählerstand. Durch die Abtastung des zeitkontinuierlichen Signals D mit dem Zählertakt ergibt sich prinzipbedingt eine Diskretisierung der Werte. Über die Wahl der Wortbreite der Zähler (oder der Konstanten einer anderen Implementation des Integrators) hat man die Möglichkeit, zwischen hochauflösende Messungen bei langsamen Abtastraten oder weniger auflösende Messungen bei schnellen Abtastraten zu wählen. Dies ist beim ADuC 845 in weiten Grenzen möglich. Seite 5- 6 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS SUPER-SERVAL Die auf dem Microcontroller laufende Software wurde in C geschrieben, hierbei fand die Entwicklungsumgebung IAR-Studio Anwendung. Das folgende Flußdiagramm zeigt den Ablauf des Hauptprogramms: Der Ablauf des Hauptprogramms Das Hauptprogramm setzt auf einer Hardware-Abstraktionsebene für den AduC845 auf, die von der TIGRIS-Elektronik GmbH bereitgestellt wurde. Zum Abgleich des Nullpunkts drückt man bei unbelastetem Wägeteller die „0kg“-Taste. Der vorhandene Offset wird ermittelt und vom Meßwert abgezogen und im EEPROM nichtflüchtig abgespeichert. Zum Abgleich des Endwerts belastet man den Wägeteller mit 80kg und drückt die „80kg“-Taste. Aus der vorhandenen Differenz zum Nullwert wird der Steigungsfaktor berechnet, auf den aktuellen Meßwert angewendet und nichtflüchtig im EEPROM abgespeichert. Alle zukünftigen Messungen werden dann mit diesen Kalibrierwerten verrechnet, die auch, dank nichtflüchtiger Speicherung, nach einem erneuten Einschalten der Waage wieder zur Verfügung stehen. Seite 5- 7 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS SUPER-SERVAL Die Ergebnisse Die einwandfreie Funktion der Waage konnte nach kürzester Zeit erreicht werden, es stellten sich keine ernsthaften Probleme. Der SUPER-SERVAL wurde mit Kalibriergewichten mit einer Genauigkeit von +/- 1g getestet. Es wurde der selbe Wägeteller benutzt, mit dem auch der SERVAL getestet wurde Es zeigten sich die folgenden Ergebnisse Gewicht: Angezeigter Wert: 0kg 20kg 40kg 60kg 80kg 00.01 20.06 40.07 60.07 80.00 Die Genauigkeit entspricht praktisch der des SERVAL. Test des SUPER-SERVAL mit einem 20kg-Kalibriergewicht Seite 5- 8 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS SUPER-SERVAL Interessant ist es, den Projektablauf beim SUPER-SERVAL mit dem Projektablauf beim SERVAL zu vergleichen: Der SUPER-SERVAL wurde in einem Bruchteil der Zeit und zu einem Bruchteil der Kosten des SERVAL fertiggestellt. Es zeigte sich eine hohe Effizienz durch vorgefertigte Elemente wie insbesondere den Microcontroller. Aber es gab auch weit weniger Möglichkeiten, kreativ zu sein Die Inbetriebnahme des SUPER-SERVAL Seite 5- 9 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS SUPER-SERVAL Es trat jedoch im Rahmen der Inbetriebnahme zunächst ein sehr interessanter Fehler auf: Es zeigte sich zunächst die Unmöglichkeit, den Nullpunkt exakt zu kalibrieren. Wenn man bei unbelastetem Wägeteller die „0kg“-Taste drückte, dann ging die Anzeige, wie beabsichtig, auf den Wert „00.00“. Wenn man aber die Taste losließ, dann stellte sich ein Wert in der Größenordnung. „00.10“, also +100g ein. Zunächst wurde ein Fehler in der Software vermutet. Es zeigte sich jedoch, daß durch den Druck auf die Kalibriertaste die Leiterplatte ein wenig durchgebogen wurde. Hierbei wurde auch auf einen relativ großen Keramikkondensator (3,3uF), der als Teil eines Tiefpaßes direkt zum Eingang des Brückenverstärkers parallelgeschaltet ist ein Biegemoment ausgeübt. Dies führte, bedingt durch piezoelektrische Effekte, zu einem Spannungsaufbau von ca. 3uV über dem Kondensator, was einem Offset von ca. 100g entspricht. Durch den Austausch dieses Keramikkondensators gegen einen Folienkondensator konnte dieses Problem gelöst werden. Brückenverstärker Keramik kondensator Kalibriertaster Der ursprünglich vorhandene Keramikkondensator am Eingang des Brückenverstärkers Seite 5- 10 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS SUPER-SERVAL Die Details Die Beschaltung des Microcontrollers Der Microcontroller (U201) wird mit einer Spannung von +5V versorgt. Als Schwingquarz wird ein Standard-Uhrenquarz mit einer Frequenz von 32,768kHz eingesetzt. Der Download des Programms geschieht über die serielle Schnittstelle des Microcontrollers, alle hierzu benötigten Anschlüsse sind über den Steckverbinder J201 herausgeführt. Art und Belegung des Steckverbinders passen zu einer TIGRIS-eigenen Programmieradapter-Baugruppe. AVDD 32 XTAL2 14 XTAL1 5 1 DVDD DVDD DVDD +5VA TP201 48 20 34 U201 ADuC845_MQFP 33 Y201 32.768 kHz +5VD DAC P3.1/TxD Analoge Eingangsspannung TP202 TP203 TP204 TP205 TP206 TP207 1 1 1 1 1 1 1 2 3 4 9 10 11 12 13 P3.0/RxD 17 16 P1.0/AIN1 P1.1/AIN2 P1.2/AIN3/REFIN2+ P1.3/AIN4/REFIN2P1.4/AIN5 P1.5/AIN6 P1.6/AIN7/IEXC1 P1.7/AIN8/IEXC2 AINCOM/DAC +5VD 6 REFIN+ REFIN- /EA R201 8 7 40 +5VD AGND 4 5 6 7 8 9 10 1-2 RXD/TXD TTL-Pegel R203 1K 5-6: Emulator 7-8 S/W-Download Taster +5VD 15 R202 DGND DGND DGND Anschluß Download/Debug/Reset 47 21 35 ALE SCLOCK(I2C) SDATA 42 26 27 TP216 TP217 1 1 P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD 18 19 22 23 24 25 TP208 TP209 TP210 TP211 1 1 1 1 P2.0/SCLOCK(SPI) P2.1/MOSI P2.2/MISO P2.3/SS/T2 P2.4/T2EX P2.5/PWM0 P2.6/PWM1 P2.7/PWMCLK 2 3 9-10 Resettaster RESET 28 29 30 31 36 37 38 39 43 44 45 46 49 50 51 52 P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 /PSEN 41 1 1K +2.5V_REF J201 CON10 1K Microcontroller R204 2K2 R205 2K2 +5VD DIS_D0 DIS_D1 DIS_D2 DIS_D3 DIS_/STAT0 DIS_/STAT1 SW_0 SW_1 DIS_/LE1 DIS_/LE2 DIS_/LE3 +5VD EEPROM U202 AT24C04 6 5 +5VD 8 4 SCL SDA VCC GND I2C-Subadresse = 1 A0 A1 A2 WP 1 2 3 +5VD R206 R207 R208 0R0 0R0 0R0 7 Der Microcontroller und seine Beschaltung Zur Aufnahme der Kalibrierdaten ist ein externes EEPROM des Typs AT24C04 (U202) an den I2C-Bus des Microcontrollers angebunden. Das interne EEPROM wurde aus Kompatibilitätsgründen zur vorhandenen TIGRIS-eigenen Hardware-Abstraktion nicht verwendet. Seite 5- 11 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS SUPER-SERVAL Da die interne Referenzquelle des ADuC845 nicht den hier gestellten Anforderungen genügt, wurde eine deutlich genauere externe Referenzquelle des Typs ADR421 (U103) verwendet. Diese Referenzspannungsquelle gibt eine Spannung von +2,5V +/- 3mV ab. U103 ADR421 2 VIN VOUT 6 +2.5V_REF GND +5VA 4 + C106 10uF C107 0.1uF Die Referenzquelle Seite 5- 12 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS SUPER-SERVAL Die Brückenversorgung Die Brückenversorgung soll eine möglichst hohe Spannung bereitstellen damit die Ausgangsspannung der Brücke möglichst groß gegenüber den unvermeidlichen Störspannungen ist. Andererseits darf sie aber nicht beliebig nahe an die Versorgungsspannung +5V heranreichen, da in diesem Fall keine Stabilisierung der Spannung mehr möglich ist. Unter Verwendung eines „Rail-to-Rail“-Operationsverstärkers AD8629 mit geringer Restspannung am Ausgang läßt sich eine Brückenversorgungsspannung von 4,55V realisieren. 8 +5VA U102A AD8629 +2.5V_REF 3 + R108 10R 1 +4,55V +Ubr 4 2 - C105 1n R109 820R 0.1% R110 1K 0.1% Die Brückenversorgung Die Brückenversorgungsspannung muß aber auch bei einer möglichen Unterspannung an der +5VVersorgung von 5V -–5% = 4,75V noch in voller Genauigkeit über der Brücke anstehen. Der Strom durch die Brücke ist: 4,55V / 1kOhm = 4,55mA. Dann ergibt sich ein Spannungsverlust von typisch 0,11V am Ausgang des AD8629. An R108 ergibt sich ein weiterer Spannungsabfall von 4,5mA * 10 Ohm = 5 mV. Die Versorgungsspannung muß also um mindestens 0,11V + 0,005V = 0,12V über der Brückenversorgungsspannung liegen, das ist im vorliegenden Fall 4,55V + 0,12V = 4,67V. Damit ist das Kriterium erfüllt. Mit R108 und C105 wird der Operationsverstärker von der Kapazität des Brückenanschlußkabels entkoppelt. Die Verstärkung der Stufe ist: 1 + 820R / 1K = 1,82, womit sich die gewünschte Ausgangsspannung von 2,5V * 1,82 = 4,55V ergibt. Seite 5- 13 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS SUPER-SERVAL Der Brückenverstärker Hier wird nicht, wie beim SERVAL, ein Kompensationsverfahren verwendet, stattdessen wird direkt die Ausgangsspannung der Brücke gemessen. Es ergibt sich eine (Differenz der) Ausgangsspannung von ungefähr 2,7mV bei einer Belastung des Wägetellers mit 100kg. Die letzte Anzeigestelle entspricht somit nur noch einer Spannungsdifferenz von 0,27 uV. Der A/D-Umsetzer des AduC845 hat bereits einen internen Differenzverstärker, so daß es nicht mehr, wie beim SERVAL, notwendig ist, die Ausgangsspannung der Brücke (oder des Brückenverstärkers) auf die Systemmasse zu beziehen. Der empfindlichste Eingangsbereich des AdUC845 ist +/-20mV. Es zeigt sich damit die Notwendigkeit, das Ausgangssignal der Brücke (differentiell) zu verstärken, da man ansonsten den vorhandenen Eingangsbereich nur zu 2,7mV/ 2*20mV = 7% ausnutzen würde, Damit ist der Abstand des Nutzsignals zu den vorhandenen Störeinflüssen zu gering. Für die Festlegung der Verstärkung wird von einer Ausgangsspannung der Brücke von bis zu 3mV ausgegangen. Weiterhin soll der A/D-Umsetzer auch dann nicht an die Bereichsgrenzen kommen, wenn der Offset der Brücke ebenfalls 3mV betragen würde. Es ergibt sich eine maximal mögliche Verstärkung von: 20mV / 6mV = 3,33. Aus praktischen Gründen wird eine Verstärkung von 3 gewählt. Diese kann, wie noch gezeigt wird, auf einfache Weise mit drei Widerständen mit dem gleichen Ohmwert eingestellt werden, womit sich dann der Vorteil des Gleichlaufs der Temperaturdrift dieser Widerstände ergibt. Für den Brückenverstärker wird ebenfalls der Baustein AD8629 verwendet. Da dieser intern chopperstabilisiert ist, ergibt sich eine geringe Offsetspannung von maximal 1uV, und, wie vom SERVAL bekannt, von besonderer Wichtigkeit, eine geringe Offsetdrift von nur 0,002 uV/°C. Das folgende Schaltbild zeigt den Brückenverstärker. U101A 8 +5VA +Ubr AD8629 3 + 10K 2 - R106 100R 4 R101 1 1K C103 NB R104 1K 0.1% R105 1K 0.1% Zum A/D-Umsetzer R103 C?? 10uF Folie 1K 0.1% 1K C104 NB 4 1K 5 R107 100R 10K 8 R102 AD8629 7 + 6 - 1K U101B +5VA Der Brückenverstärker Seite 5- 14 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS SUPER-SERVAL Der Verstärker arbeitet rein differentiell. Wenn das Kriterium des Gleichgewichtszustands erfüllt ist, dann ist die Spannung zwischen den Eingängen der jeweiligen Operationsverstärker Null. In diesem Fall muß aber über R103 die selbe Spannung anliegen, die auch über dem Eingangskondensator C?? / 10uF anliegt. Da die Eingänge (praktisch) keinen Strom aufnehmen, muß über R104 und R105 jeweils die selbe Spannung anliegen, die auch über R103 anliegt. In der Folge erhält man am Ausgang die um den Faktor drei verstärkte Eingangsspannung. Der mit R101, R102 und C??/10uF aufgebaute Tiefpaß hat eine Grenzfrequenz von 0,8 Hz. Dieser Filter dient vor allem zur Unterdrückung des Netzbrumms. Es wurde bereits erwähnt, daß C??/10uF nicht als Keramikkondensator ausgeführt sein darf, da Keramikkondensatoren bei mechanischer Beanspruchung (auch durch Temperaturwechsel) aufgrund piezoelektrischer Effekte Spannungen abgeben, wodurch erhebliche Meßfehler entstehen können. Mit R106/R107 und C103/C104 besteht die Möglichkeit, den Operationsverstärker von den pulsförmigen Eingangsströmen des A/D-Umsetzers zu entkoppeln. Seite 5- 15 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS SUPER-SERVAL Die LED-Anzeigen Es wurden LED-Punktmatrixanzeigen des Typs Hewlett-Packard 5082-7340 mit integriertem Speicher und Decoder verwendet. An die vier Dateneingänge der Anzeige wird die anzuzeigende Ziffer, zwischen „0“ und „F“ in Binärform angelegt. Mit einem Puls am Übernahmeeingang wird das Datenwort zur Anzeige gebracht und gespeichert. U??B 74HCT125 6 9 7 BL LE 6 U??C 74HCT125 4 5 IN1 IN2 IN4 IN8 8 12 +5VD U302 5082_7340 11 7 DIS_D3 +5VD U??D 74HCT125 +5VD BL LE 6 4 5 IN1 IN2 IN4 IN8 GND DIS_/LE0 DIS_/LE1 R306 10K 8 1 2 3 VCC 13 R305 DIS_D2 8 1 2 3 10K 5 10 DIS_D1 3 VCC 2 4 DIS_D0 U301 5082_7340 GND 1 +5VD U??A 74HCT125 Dezimalpunkt 1 +5VD 2 R309 1K LED301 LED_rot 4 5 BL LE VCC IN1 IN2 IN4 IN8 GND 8 1 2 3 6 DIS_/LE2 R307 10K +5VD 7 +5VD U303 5082_7340 4 5 BL LE VCC IN1 IN2 IN4 IN8 GND 8 1 2 3 6 DIS_/LE3 R308 10K +5VD 7 +5VD U304 5082_7340 Die LED-Anzeigen Seite 5- 16 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS SUPER-SERVAL Es zeigte sich, daß die Eingänge dieser Anzeigen einen relativ hohen Strombedarf in der Größenordnung 1,6mA haben. Die Parallelschaltung der Dateneingänge der vier vorhandenen Anzeigen führt dann zu einem Gesamtstrom von 6,4mA. Die Ausgänge des ADuC845 sind nicht in der Lage, diesen Strom zu liefern. Daher wurde ein Treiberbaustein des Typs 74HCT125 zwischen die Ausgänge des Microcontrollers und die Dateneingänge der Anzeigen geschaltet. Seite 5- 17 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS SUPER-SERVAL Die Stromversorgung Der weitaus größte Stromverbraucher sind die LED-Anzeigen, die jeweils bis zu 170mA aufnehmen. Mit vier Anzeigen ergibt sich dann ein Strombedarf von 680mA. Der Microcontroller und die übrige Schaltung nehmen dagegen nur einen zweistelligen mA-Betrag auf, so daß sich hier eine detaillierte Betrachtung erübrigt. Um die benötigte Leistung mit hohem Wirkungsgrad und geringem Platzbedarf zur Verfügung zu stellen, wird ein (sekundär) getakteter Spannungsregler eingesetzt. Die Erfahrung hat gezeigt, daß die Störspannungen, die ein Abwärts-Durchflußwandler ohne galvanische Trennung abgibt schon mit einfachen Maßnahmen, wie einem LC-Tiefpaß soweit reduziert werden kann, daß auch analoge Schaltungen mit kleinen Signalpegeln einwandfrei arbeiten. Da dies nicht für primärgetaktete Schaltregler mit Transformatorkopplung gilt, aber auch um des deutlich geringeren Aufwands willen, wurde eine sekundärgetaktete Lösung mit einem 50HzNetztransformator gewählt. Hierbei wurde eine Standardschaltung, die bei einer Ausgangsspannung von 5V bis zu 1A abgibt, aus einem früheren Semester übernommen: 7 OUTPUT OUTPUT NC NC NC NC NC NC NC NC NC NC NC NC NC NC NC ON/OFF L401 PE-53608 292UH 2 3 4 5 6 9 11 13 16 19 20 21 22 23 24 10 1 8 12 + V IN V IN GND GND GND 15 14 +15V_UR FB U401 LM2575/SO 17 18 +5VD D402 + 10BQ040 C401 270uF / 50V C402 270uF / 50V Der Abwärtsregler Die Arbeitsweise der Schaltung wird mit dem Blockschaltbild des Bausteins LM2575 erklärt: Blockschaltbild des Bausteins LM2575 in seiner Anwendungsschaltung Seite 5- 18 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS SUPER-SERVAL Über einen Differenzverstärker (ERROR AMP) wird die Ausgangsspannung (Istgröße) mit einer internen Spannungsreferenz (Sollgröße) verglichen. Am Ausgang dieses Verstärkers steht die Regelabweichung an. Der Oszillator erzeugt eine Dreieckspannung mit einer Frequenz von 52kHz. Mittels eines Comparators wird diese Dreieckspannung mit der Regelabweichung verglichen. Daraus ergibt sich ein pulsweitenmoduliertes Signal, dessen Tastverhältnis der Regelabweichung proportional ist. Mit diesem Signal wird der Leistungsschalter (1 AMP SWITCH) angesteuert, womit dann der Regelkreis, über den Tiefpaß aus L1 und Cout geschlossen ist. Bei sperrendem Leistungsschalter fließt der in L1 / L401 fließende Strom über D1/D402 weiter. Durch L1/L401 stellt sich ein dreiecksförmiger Strom ein, dessen Mittelwert gleich dem Laststrom ist. Cout /C402 gleicht diese Stromschwankungen aus, indem die Spannung am Ausgang, bedingt durch Cout / C402 , praktisch konstantgehalten wird. C401 und C402 sind spezielle Elektrolytkondensatoren, die auch bei hohen Frequenzen einen geringen Innenwiderstand gewährleisten. Sie sind zudem induktivitätsarm aufgebaut. Der Eingangsstrom der Schaltung ist trapezförmig, daher werden gerade auch an C401 besondere Anforderungen gestellt, die nicht vom parallel zu C401 vorhandenen Ladekondensator des Netzteils übernommen werden können. Im ersten Entwurf wurde, zwischen L401 und dem Ausgang ein Nachfilter, bestehend aus 4,7uH und 150uF, eingefügt, Der Rückführungsanschluß (FB) des LM2575 wurde „hinter“ diesem Nachfilter angebunden. Die durch das Nachfilter entstehende zusätzliche Phasendrehung führte jedoch zu einem Schwingen des Regelkreises des LM2575, so daß dieses Filter wieder entfernt wurde. Die Versorgung der analogen Schaltungsteile geschieht nicht direkt mit der Ausgangsspannung des Schaltreglers, es wird stattdessen ein LC-Tiefpaß aus 4,7uF und 150uF sowie zusätzlichen Keramikkondensatoren dazwischengeschaltet. Die Grenzfrequenz dieses Filters ist 6kHz, damit wird die Schaltfrequenz (52kHz) um ca. 40dB gedämpft. L402 4.7uH +5VD +5VA + C403 150uF 35V C404 1uF CA205 100nF Das Nachfilter für die Versorgung der analogen Schaltungsteile Damit konnte, auch ohne das ursprünglich vorgesehenen zusätzliche Nachfilter eine für den störungsfreien Betrieb hinreichend kleine Restwelligkeit erzielt werden. Der Eingangsstrom des Schaltreglers kann, unter Annahme eines Laststroms von 750mA und eines Wirkungsgrades des Schaltreglers von 85% wie folgt abgeschätzt werden: Die Ausgangsleistung ist: 5V * 0,75A = 3,75W Die Eingangsleistung ist dann: 3,75W / 0,85 = 4,4W Bei 15V fließt dann ein Strom von 4,4W / 15V = 0,3A Seite 5- 19 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS SUPER-SERVAL D502 GF1B +15V_UR 11 D501 GF1B 22 D503 GF1B D504 GF1B + 2 F1 1A L PE N 1 230V 1 2 3 12V / 1A NETZDOSE 2 1 Es wird ein Standard-Netztransformator mit eiern Ausgangsspannung von 12V verwendet. Am Ladekondensator ergibt sich eine Spannung von (12V * 1,41) –1,4V = 15,5V. C501 3300uF 25V Netztransformator und Gleichrichter Über C501 ergibt sich eine Restwelligkeit von: 10ms * 0,3A / 3300uF = 0,9Vpp Dies erscheint zunächst geringer als notwendig, es ist aber zu beachten, daß die Grenzfrequenz des Tiefpasses am Ausgang des Schaltreglers, gebildet durch L401 und C402, etwa 600 Hz beträgt, mithin der Regelkreis des Schaltreglers bereits für 100 Hz eine reduzierte Verstärkung hat, also die Brummspannung nicht mehr vollständig abschwächen kann. Seite 5- 20
