EBVChip Hunter Auf der Jagd nach »verlorenen« Signalen

Mit seinem differenziellen Ausgang ist der neue EBVchip »Hunter« in der Lage, galvanisch getrennte Sensor- und Messsignale auch in stark elektromagnetisch belasteten Umgebungen sicher zur Auswerte-Elektronik zu übertragen. Der Datenwandler entstand in Zusammenarbeit mit Avago.

In vielen Motorsteuerungen, Datenerfassungssystemen und industriellen Prozesssteuerungen, aber auch in vielen verschiedenen Anwendungen zur Strommessung und Stromüberwachung besteht eine wesentliche Aufgabe derartiger Systeme darin, von Sensoren angelieferte Messdaten an die Steuerungselektronik zu übermitteln. In Antrieben gilt es beispielsweise, die Ströme und die Zwischenkreis-Spannung zu messen. Die hierfür notwendigen Sensoren sind dabei direkt im Hochvolt-System beziehungsweise im Leistungskreislauf integriert, aber die Steuerungselektronik arbeitet bei Spannungen von 5 V oder 3,3 V mit reiner Niedervolt-Technologie.

Um Personen- und Sachschäden zu vermeiden, muss die Sensorwelt aus Sicherheitsgründen galvanisch von der Steuerungswelt getrennt sein: Es darf somit keine leitende Verbindung zwischen den beiden Stromkreisläufen geben. Die Methoden und Prüfstandards zur galvanischen Trennung sind am Markt bestens bekannt, und je nach Lösungsansatz kommen drei unterschiedliche Kopplungsverfahren zum Einsatz: kapazitive, induktive oder optische Kopplung.

Galvanisch getrennter Sigma-Delta-Modulator

Eine auf dem Markt auf Grund seiner Robustheit und Zuverlässigkeit besonders geschätzte Methode ist dabei der Einsatz von galvanisch getrennten Sigma-Delta-Modulatoren, bei denen die Signalübertragung auf optischem Wege erfolgt. An ihrem Ausgang liefern derartige Wandler einen hochfrequenten Datenstrom mit einer Frequenz von bis zu 20 MHz sowie ein Taktsignal.

Das Sigma-Delta-Verfahren funktioniert ähnlich wie eine Pulsbreitenmodulation: Wenn am Eingang der Wert Null anliegt, dann werden lauter Nullen übertragen, beim Maximalwert überträgt die Leitung permanent den Wert 1, und beim 50%-Wert wird zu 50% der Wert 1 und zu 50 % der Wert Null übertragen.
Dieses vom Sigma-Delta-Modulator angelieferte Signal wertet die Steuerungselektronik aus. EBV-Kunden nutzen zur Auswertung dieser Signale häufig ein FPGA, in dem ein Sinc3-Filter implementiert ist. So hat sich beispielsweise das von EBV Elektronik selbst erstellte Referenzdesign »Falcon Eye« in diesem Zusammenhang bestens bewährt.

Übertragungsproblemen vorbeugen

Allerdings kommt es in manchen Applikationen dabei zu Problemen bei der Übertragung des 20-MHz-Signals zum/vom Sigma-Delta-ADC, weil dieses Signal nicht immer störungsfrei oder EMV-sicher über die Leitung beziehungsweise über die Leiterplatte gelangt. Um diesem Problem vorzubeugen, suchte EBV Elektronik nach einer Lösungsmöglichkeit und fand sie in der Idee, für diese Datenübertragung einen differentiellen Datenstrom zu nutzen. Genau diese Funktionalität hat EBV Elektronik jetzt implementieren lassen. Als Basis diente dabei ein bereits auf dem Markt erhältlicher Wandler von Avago des Typs ACPL-796J, der eine vom TÜV zugelassene sichere Trennung zwischen den beiden Seiten bietet. In punkto Kriechstrecke, Transientenfestigkeit, Schutzschaltungen etc. entspricht der neue EBVchip dem bereits auf dem Markt bewährten ACPL-796J.
Im Gegensatz zum ACPL-796J, der auf der digitalen Seite ein 5-V- oder 3,3-V-Signal am Ausgang zur Verfügung stellt, liefert der neue Wandler, der die Bezeichnung, ACPL-798J trägt, am Ausgang ein differentielles LVDS-Signal (LVDS: Low-Voltage Differential Signalling). Bei dieser modifizierten Variante gelangen die Signale auch in Umgebungen zuverlässig an ihr Ziel, in denen starke elektromagnetische Einstrahlungen (EMV) herrschen.

Da der ACPL-798J das Ausgangs-Nutzsignal aus der Differenz der beiden Ausgangssignale erzeugt und die elektromagnetischen Einstrahlungen auf beide Ausgangsleitungen gleichzeitig sowie mit praktisch gleicher Intensität wirken, lässt sich das Nutzsignal am Zielort durch eine Subtraktion der beiden Signale zurückgewinnen, während die in beide Leitungen eingestrahlten Störsignale sich bei dieser Subtraktion gegenseitig aufheben.  

Während die Standard-Ausgänge, die jeweils ein Signal gegen Masse ausgeben, mit einem 5-V- oder einem 3,3-V-Pegel arbeiten, kommt die differenzielle Signalübertragung per LVDS mit viel geringeren Pegeln aus. Gemäß seinem Standard nutzt LVDS einen differenziellen 200-mV-Pegel, dessen Gleichstromanteil sich im Endeffekt noch aufhebt. Damit ergibt sich bei einer LVDS-Signalübertragung eine erheblich geringere Verlustleistung als bei herkömmlichen »Single-Ended«-Signalen. Die meisten FPGAs können problemlos mit LVDS-Signalen arbeiten, so dass auf der Auswerte-Seite so gut wie keinerlei Modifikationen notwendig sind.

Kleine Anpassung, großer Nutzen

Es handelt sich hierbei somit um eine kleine Änderung, die großen Nutzen bringt. Bei dieser exklusiv nur von EBV Elektronik erhältlichen LVDS-Variante des Avago-Wandlers ACPL-796J handelt es sich um einen EBVchip, der den Projektnamen Hunter beziehungsweise ACPL-798J trägt. EBV Elektronik kennt auf dem gesamten Weltmarkt keinen anderen Halbleiter, der mit dem Hunter vergleichbare Eigenschaften aufweist.
Hunter entspricht der Isolationsklasse IIIa gemäß DIN VDE 0110 und arbeitet mit externen Taktquellen im Bereich 15 MHz bis 25 MHz zusammen, wobei der Takt über die galvanische Trennung hinweg sicher übertragen wird. Dadurch kann der Baustein synchron zu einem beliebigen digitalen Controller die Datenakquisition durchführen. Auch die codierten Modulator-Daten überträgt der Baustein über die galvanisch getrennte Strecke hinweg. Auf der anderen Seite werden die Daten zurückgewonnen, decodiert und in einen seriellen Datenstrom umgewandelt.

Mit einem Signal-Rausch-Abstand von typischerweise 78 dB und einer differenziellen Nichtlinearität von 0,9 LSB bei einer Auflösung von 16 Bit sowie einem Verstärkungsfehler von typischerweise 2% eignet sich der für den Umgebungstemperaturen von –40 bis +105 °C ausgelegte Hunter für eine Vielzahl von Anwendungen im industriellen Umfeld.

Halle 4, Stand 535