Vereinfachtes Messgerätedesign
Spannungsqualität standardkonform messen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Die Sigma-Delta-ADCs der AD777x-Familie
Bei der Reihe AD777x handelt es sich um eine Familie simultan abtastender, achtkanaliger 24-bit-A/D-Wandler. In den Chip sind jeweils acht vollwertige Sigma-Delta-ADCs integriert, die Ab- tastraten von 16, 32 und 128 kSamples/s unterstützen. Dank ihres geringen Eingangsstroms können die AD777x-Bausteine direkt an den jeweiligen Sensor angeschlossen werden. Jeder Eingangskanal verfügt ferner über eine programmierbare Verstärkerstufe mit Verstärkungsfaktoren von 1, 2, 4 und 8, sodass Sensoren mit niedrigerer Ausgangsamplitude an den vollen Eingangsbereich des ADC angepasst werden können, um den Dynamikbereich der Signalkette maximal auszuschöpfen. Die ADCs der AD777x-Familie lassen sich mit Referenzspannungen von 1 V bis 3,6 V betreiben und bieten einen analogen Eingangsbereich von 0 bis 2,5 V oder ±1,25 V.
Zur Anpassung an unterschiedliche Sensorausgangskonfigurationen sind die analogen Eingänge für differenzielle, pseudo-differenzielle und massebezogene Signale konfigurierbar. Ein Abtastratenwandler steht zur Verfügung, um eine feinstufige Auflösungskontrolle des AD7770 zu ermöglichen. Somit ist der Einsatz auch in Anwendungen möglich, in denen die Auflösung der Ausgangsdatenrate an Änderungen der Netzfrequenz in 0,01-Hz-Schritten angepasst werden muss. Die AD777x-Reihe bietet überdies eine große Eingangssignalbandbreite von 5 kHz (AD7771: 10 kHz).
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Ein Datenausgang und SPI-Kommunikationsschnittstellen stehen zur Verfügung, jedoch kann auch die SPI-Schnittstelle zur Ausgabe der Sigma-Delta-Umwandlungsergebnisse konfiguriert werden. Der Temperaturbereich beträgt -40 bis +105 °C, allerdings ist die Funktionsfähigkeit bis +125 °C gegeben (bei einer Versorgungsspannung von 3,3 V oder ±1,65 V).
In Bild 4 ist eine typische dreiphasige Anwendungsschaltung mit der AD777x-Familie in einem Spannungsqualitäts-Messinstrument zu sehen. Der Strom wird mit Stromwandlern erfasst, die Spannung mit Widerstandsteilern.
16-/18-bit-Datenerfassungs-systeme der AD7606x-Familie
Die Reihe AD7606x besteht aus simultan abtastenden, achtkanaligen Analog/Digital-Datenerfassungssystemen (Data Acquisition Systems, DAS) mit Auflösungen von 16 bzw. 18 bit. Jeder Kanal verfügt über eine schützende Klemmfunktion für den analogen Eingang, einen PGA (Programmable Gain Amplifier), einen Tiefpassfilter und einen nach dem SAR-Prinzip (Successive Approximation Register) arbeitenden 16/18-bit-ADC. Im AD7606x sind ferner ein flexibler digitaler Filter, eine driftarme 2,5-V-Präzisionsreferenz samt Referenzpuffer zum Ansteuern des ADC sowie flexible, parallele und serielle Schnittstellen enthalten.
Der Baustein AD7606B benötigt für den Betrieb nur eine Versorgungsspannung von 5 V und unterstützt echte bipolare Eingangsbereiche von ±10 V, ±5 V und ±2,5 V bei Abtastraten von 800 kSample/s (AD7606B) bzw. 1 MSamples/s (AD7606C) auf allen Kanälen. Die eingangsseitige Klemmung toleriert unterschiedliche Spannungen mit vom Anwender wählbaren Eingangsbereichen (±20 V, ±12,5 V, ±10 V, ±5 V und ±2,5 V). Der AD7606x wird mit einer einzigen Versorgungsspannung von 5 V betrieben. Dieser Single-Supply-Betrieb sorgt zusammen mit der chipintegrierten Filterstufe sowie der hohen Eingangsimpedanz dafür, dass auf externe Treiber-Operationsverstärker, für die bipolare Versorgungsspannungen erforderlich wären, verzichtet werden kann.
Softwareseitig stehen die folgenden Features zur Verfügung:
➔ Zusätzliche Oversampling-Optionen bis zum Faktor 256
➔ Kanalweise Kalibrierbarkeit von Verstärkung, Offset und Phasenlage
➔ Open-Circuit-Erkennung für den analogen Eingang
➔ Multiplexer mit Diagnosefunktion
➔ Überwachungsfunktionen für ungültige Schreib- und Lese-Transaktionen am SPI-Interface, CRC (Cyclic Redundancy Check), Über- und Unterspannungsereignisse, Busy-Stuck-Monitor und Reset-Erkennung.
Zertifizierte Lösung für die Spannungsqualitäts-überwachung gemäß IEC, Klasse S
Das vollständig integrierte und mehrphasige Energiezähler-IC des Typs ADE9430 ergibt zusammen mit der auf einem Host-Mikrocontroller laufenden Softwarebibliothek ADSW-PQ-CLS eine Komplettlösung von Analog Devices gemäß IEC 61000-4-30, Klasse S (Tabelle 2).
Mit dieser Integration reduziert sich der Zeit- und Kostenaufwand für die Entwicklung von Spannungsqualitäts-Überwachungsprodukten signifikant. Durch organische Integration der Erfassungs- und Berechnungseinheiten vereinfacht die aus ADE9430 und ADSW-PQ-CLS bestehende Lösung die Implementierung und Zertifizierung von Energie- und Spannungsqualitäts-Überwachungssystemen.
In Bild 5 ist das Blockschaltbild eines dreiphasigen Spannungsqualitäts-Überwachungssystems mit der Lösung aus ADE9430 und ADSW-PQ-CLS zu sehen, in dem Stromwandler für die Strommessung und Widerstandsteiler für die Spannungsmessung genutzt werden.
ADE9430-basiertes analoges Frontend für ein Spannungsqualitäts-Messinstrument gemäß Klasse S
Mit seinen sieben Eingangskanälen kann der ADE9430 für ein dreiphasiges oder bis zu drei einphasige Systeme verwendet werden. Für Strommessungen unterstützt er mit einer externen analogen Integrierfunktion sowohl Stromwandler als auch Rogowskispulen, und für die Spannungsqualitätsüberwachung und die Energiemessung bringt er ein integriertes AFE (Analog Front End) mit. Der ADE9430 ist pinkompatibel zu den Bausteinen ADE9000 und ADE9078, die in Bezug auf die Analog- und Metrologiefunktionen eine ähnliche Performance bieten. Die wichtigsten Features sind:
➔ Sieben Sigma-Delta-Kanäle (24 bit)
➔ Signal-Rauschabstand: 101 dB
➔ Großer Eingangsspannungsbereich: ±1 V, 707 mVrms, Full-Scale bei einem Verstärkungsfaktor von 1
➔ Differenzielle Eingänge
➔ Messgenauigkeit Klasse 0,2
➔ 1-Zyklus-Effektivwertberechnung, Netzfrequenz, Nulldurchgang, fortschrittliche Messtechnik
➔ Wellenform-Puffer
➔ Fortlaufend neu abgetastete Daten: 1024 Punkte pro 10/12 Netzzyklen
➔ Fortschrittliche Messtechnik für Grundfrequenzen von 50 Hz und 60 Hz
➔ Unterstützung der Wirkenergiestandards IEC 62053-21 und IEC 62053-22, EN 50470-3 OIML R46 und ANSI C12.20
➔ Unterstützung der Blindenergiestandards IEC 62053-23 und IEC 62053-24
➔ Schneller Kommunikations-Port: SPI (Serial Port Interface) mit 20 MHz
Softwarebibliothek ADSW-PQ-CLS
Die Softwarebibliothek ADSW-PQ-CLS ist eigens für die Integration mit dem ADE9430 ausgelegt, um Messungen der Spannungsqualität gemäß IEC 61000-4-30, Klasse S, durchzuführen. Sie implementiert sämtliche Parameter, die in der Norm IEC 61000-4-30 für Instrumente der Klasse S definiert sind. Welche Parameter für Spannungsqualität im Einzelnen genutzt werden sollen, bleibt dem Anwender überlassen. Die Bibliothek benötigt nur wenig CPU/RAM-Ressourcen und ist nicht auf bestimmte Prozessorkerne oder Betriebssysteme angewiesen (mindestens ARM Cortex-M). Zu den unterstützten CPU-Architekturen gehören die Kerne Arm Cortex-M0, Cortex-MO+, Cortex-M1, Cortex-M3 und Cortex-M4.
Für die Distribution an Endanwender wird die Bibliothek als CMSIS-PACK-Datei (.pack) mit Kompatibilität zu Keil Microvision, IAR Embedded Workbench Version 8.x oder Analog Devices CrossCore Embedded Studio zur Verfügung gestellt. Die Lizenzgebühr für die Softwarebibliothek ist im Kaufpreis des ADE9430 enthalten. Ein exemplarisches serielles PC-CLI (Command Line Interface) steht zum Evaluieren der Bibliothek und ihrer Features zur Verfügung. Die Darstellung der Spannungsqualitäts-Parameter durch das CLI geht aus Bild 6 hervor.
ADE9430 Evaluation Kit
Das EVAL-ADE9430ARDZ ermöglicht eine schnelle Evaluierung und Prototypentwicklung von Energie- und Spannungsqualitäts-Messsystemen der Klasse S mit dem ADE9430 und der Power Quality Library ADSW-PQ-CLS. Die Power Quality Library und ein Anwendungsbeispiel werden angeboten, um die Implementierung größerer Systeme zu vereinfachen. Das Kit bietet eine Plug-and-play-Nutzererfahrung, sodass die Parameter der Spannungsqualität eines dreiphasigen elektrischen Systems auf einfache Weise ermittelt werden können.
Die Hardware des Kits bietet folgende Merkmale:
➔ Stromwandlereingänge
➔ Hochspannungs- und Hochstromeingänge
➔ Nennspannung 240 Vrms (mit Potenzialteiler)
➔ Maximale Stromstärke 80 A (mit mitgelieferten Stromwandlersensoren)
2,5 kV Isolationsspannung
➔ Eingebaute Echtzeituhr, um Messungen mit Zeitstempeln zu versehen
➔ Vorab zertifiziert gemäß IEC 61000-4-30, Klasse S (erfordert anwenderseitige Kalibrierung)
➔Bibliothek ADSW-PQ-CLS und Anwendungsbeispiel auf MCU des Typs Arm Cortex-M4
➔ Serielles CLI für PC zur Konfiguration und Aufzeichnung von ➔Spannungsqualitätsparametern.
Die für den Anschluss des EVAL-ADE9430ARDZ an einen PC erforderlichen Verbindungen gehen aus Bild 7 hervor.
Das EVAL-ADE9430ARDZ besteht aus einer Leiterplatte mit vier Stromeingängen sowie drei Spannungseingängen und einem Neutralleitereingang. Auf der Platine befinden sich ein ADE9430, Isolatoren, eine Echtzeituhr, ein Cortex-M4-basiertes Entwicklungs-Board NUCLEO-413ZH von STMicroelectronics mit einem Anwendungsbeispiel der ADSW-PQ-CLS-Bibliothek sowie drei Stromsensoren.
Zertifizierung
Die Lösung aus ADE9430 und ADSW-PQ-CLS bietet die zertifizierte Fähigkeit zur präzisen Messung von Spannungsqualitätsparametern gemäß den Anforderungen der Norm IEC 61000-4-30, Klasse S. Damit bietet Analog Devices eine Komplettlösung an, die sich als sofort einsatzbereite Plattform zur Bewältigung einer Vielzahl kritischer Designherausforderungen darstellt und Zeit- beziehungsweise Entwicklungsaufwand reduziert.
Literaturnachweis
1. »IEC 61000-4-30:2015: Electromagnetic Compatibility (EMC)-Part 4-30: Testing and Measurement Techniques-Power Quality Measurement Methods.« International Electrotechnical Commission, Februar 2015.
Der Autor
Jose Mendia
kam 2016 zur Energy and Industrial System Group von Analog Devices. Zurzeit arbeitet er im Designzentrum in Edinburgh (UK) als Senior Engineer im Bereich Produktapplikationen.
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