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A/D-Wandler von Texas Instruments

Negative Spannungsschienen überwachen

2. Mai 2019, 13:18 Uhr | Von Dan Tooth, Senior Analogue Field Applications Engineer (MGTS) bei Texas Instruments

Bild 1: Anhebung der Pegel negativer Spannungen (Level-Shifter)

Auch wenn in modernen elektronischen Systemen die positiven Spannungsschienen zunehmen, nutzen einige Systeme negative Spannungsschienen. In sicherheitskritischen Anwendungen müssen die Spannungsschienen überwacht werden, aber wie geht das mit negativen Spannungsschienen?

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Ist aus Gründen der funktionalen Sicherheit die Überwachung der Spannungsschienen in einem System erforderlich, dann stellt sich die Frage, wie negative Spannungen in einen A/D-Wandler (ADC) eingespeist werden können, um alle Schienen, sowohl positive als auch negative, zu überwachen. Typischerweise sind A/D-Wandler nämlich unipolar, sprich: sie akzeptieren nur positive Eingangsspannungen und werden mit einer einzigen positiven Versorgungsspannung versorgt.

In diesem Beitrag werden drei Möglichkeiten dargestellt, wie Entwickler einen A/D-Wandler zur Überwachung von negativen Spannungsschienen verwenden können. Wenn es darum geht, bipolare Analogsignale aus der Signalkette an einen ADC anzuschließen, dann eignen sich dafür ein voll differenzieller Operationsverstärker und ein ADC mit einem differenziellen Eingang. Für solch eine Anwendung kommen beispielsweise Differenzverstärker wie THS4531A/41/51/61 und die Dual-Versionen THS4532/52/62 in Frage.

Level-Shifter

Eine Möglichkeit, negative Eingangsspannungen zu messen, besteht darin, den Spannungspegel auf ein positives Niveau zu heben. Wie in Bild 1 gezeigt, wird eine 2,5-V-Spannungsreferenz _(Uref) so eingesetzt, dass die ADC-Messungen ratiometrisch durchgeführt werden. In Bild 1 werden drei negative Spannungsschienen überwacht, und der pegelverschobene Ausgang _Uouteiner dieser negativen Spannungen ist gegeben durch

U_out = (R1∙U_neg+R2∙U_ref) / (R1+R2)

Wenn der Mikrocontroller über eine interne Spannungsreferenz _(Uref) verfügt, die gepuffert und auf einen Pin herausgeführt wird, kann sie anstelle einer externen Spannungsreferenz verwendet werden. Allerdings ist in diesem Fall zu beachten, dass eine externe Spannungsreferenz eine höhere Genauigkeit und bessere Drifteigenschaften aufweist. Die Widerstandsteiler-Netzwerke stellen eine Last für die Spannungsreferenz dar, und es ist am besten, diese so zu minimieren, dass sie deutlich unter dem maximalen Strom liegt, den die Spannungsreferenz liefern kann. Im Interesse optimaler Leistung sollte eine gepufferte Spannungsreferenz aus der REF6025-Familie verwendet werden.

Wenn zum Beispiel die negative Spannung U_neg1 = –1,3 V, U_ref = 2,5 V und R1 = 10 kΩ betragen und der Pegel von U_neg1 auf 0,6 V verschoben werden soll, dann beträgt R2 = 10 kΩ. Für eine negative Spannungsschiene, die sich von 0 auf –1,3 V verringert, wird U_outvon 1,25 auf 0,6 V sinken. In dem Fall ist es sinnvoll, jeden Spannungsausgang mit einer Schottky-Klemmdiode zu versehen, damit er nicht zu weit ins Negative ausschlägt, wenn Uref fehlt. – Alternativ kann auch der TL7726 verwendet werden; dabei handelt es sich um eine Klemmschaltung mit sechs Kanälen, die die Spannung sowohl an 0 V als auch an die Spannung am REF-Pin klemmt. Die Spannung am REF-Pin sollte zwischen 4,5 und 5,5 V liegen, um den Spezifikationen des Datenblattes zu entsprechen; Tests über den Temperaturbereich zeigen, dass auch 3,3 V unter Prüfstandsbedingungen gut funktionieren.

Die pegelverschobenen Ausgangsspannungen und U_refsind entkoppelt, um das Laden der Abtastkondensatoren des ADC zu ermöglichen. Während bei niedrigen Abtastraten ein Kondensator ausreicht, ist für schnellere Abtastungen ein Pufferverstärker notwendig, um den Entkopplungskondensator zwischen den Abtastungen schneller aufzuladen.