Platine ADAC12

Die Platine ADAC12 stellt eine Erweiterungskarte für das oben erwähnte Mikroprozessorsystem uP1 dar. Sie enthält einen 12-Bit-AD-Wandler mit 8-Kanal-Multiplexer und programmierbarem Verstärker. Vier Kanäle davon sind mit Eingangsvorverstärker und Eingangsfilter ausgestattet. Außerdem bietet die Platine noch zwei DA-Wandlern mit jeweils 12 Bit Auflösung Platz. Die Abbildung zeigt den Schaltplan der Platine.

Die Karte belegt 32 aufeinander folgende Adressen im IO-Adressraum der Platine uP1, deren Beginn durch den Jumper J2 festgelegt wird. Für alle in diesem Buch beschriebenen Experimente muss Jumper J2 auf /SEL1 gesetzt sein. In der folgenden Tabelle sind die vier möglichen Basisadressen aufgeführt:

Schaltplan der Platine ADAC12

Von den 32 Adressen werden aber nur 14 Adressen belegt, die sich folgendermaßen aufteilen (alle Adressangaben beziehen sich auf die über Jumper J2 eingestellte Basisadresse):

Vorverstärker und Filter

Die Vorverstärker für die Kanäle 0 bis 3 sind Instrumentenverstärker, deren Verstärkung mit Hilfe der Widerstände R5, R13, R21 und R29 eingestellt werden können. Die Verstärkung ergibt sich aus der Gleichung

A = 1 + 40000/Rx.

Die im Schaltplan und in der Stückliste angegebenen Werte von 10 kΩ ergeben also eine Verstärkung von fünf. Bei jedem Vorverstärker kann der Offset mit Hilfe der Cermet-Potentiometer P5 bis P8 auf null abgeglichen werden.

Der Eingangswiderstand der Vorverstärker ist sehr hoch (typ. 10 10 Ω), er kann durch Einsetzen der Widerstände R3 und R4 (bzw. R11 und R12, R19 und R20, R25 und R26) auf den gewünschten Wert begrenzt werden. Diese Widerstände sollten für jeden Kanal gleich groß sein, da sonst die Gleichtaktunterdrückung herabgesetzt wird. Zum Schutz gegen zu hohe Eingangsspannungen sind die Eingänge mit Zenerdioden (12V) abgesichert.

Die bei den Kanälen 0 bis 3 eingesetzten Filter sind einfache Sallen-Key-Filter 2. Ordnung, die eine Gleichspannungsverstärkung von eins aufweisen. Die Grenzfrequenz ist auf 10 kHz eingestellt, was gut zur höchsten Datenerfassungsrate des AD-Wandlers passt. Der Leser sollte sich jedoch im Klaren sein, dass die Grenzfrequenz entsprechend dem Nyvist-Theorem der jeweiligen Abtastrate angepasst werden muss. Dazu können (für Kanal 0) entweder die Kondensatoren C3 und C4 oder die Widerstände R6 und R8 verändert werden. Eine Erhöhung der Kapazitätswerte bzw. der Widerstandswerte ergibt niedrigere Grenzfrequenzen und umgekehrt. Zu beachten ist, dass das Verhältnis der Kapazitäten C4 zu C3 etwa gleich zwei und das Verhältnis der Widerstände genau gleich eins sein sollte.

Multiplexer und programmierbarer Verstärker

Als 8-Kanal-Multiplexer und programmierbarer Verstärker wird der Typ PGA100 herangezogen, da dieser Baustein die Verstärkung in 8 Stufen im Verhältnis von jeweils 2:1 einstellen kann. Durch die binäre Verstärkungseinstellung lässt sich mit einfachen Mitteln leicht ein großer dynamischer Bereich der AD-Konversion erzielen. Da dieser Baustein aber relativ teuer ist, kann er für Anwendungen, die nur einen Datenerfassungskanal benötigen und mit 12 Bit Dynamik auskommen, auch überbrückt werden. In diesem Fall ist eine Brücke zwischen dem aktiven Eingangskanal und dem Pin 11 von IC15 zu legen.

AD-Wandler

Als AD-Wandler wird der Baustein ADC574 eingesetzt. Dieser Wandler arbeitet nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation und bietet eine Konversionszeit von 25 µsek bei 12 Bit Auflösung. Die Daten werden in zwei Bytes übergeben, die auf zwei verschiedenen I/O-Adressen gelesen werden können. Die Auflösung des Ergebnisses kann per Software zwischen 8 Bit und 12 Bit umgeschaltet werden. Dazu wird zum Start der Konversion wahlweise entweder das High-Byte (für 12 Bit) oder das Low-Byte (für 8 Bit) des AD-Wandlers beschrieben.

Die maximale Eingangsspannung des AD-Wandlers kann durch einen Jumper (J1) auf entweder +/- 10 V oder +/- 5 V eingestellt werden.

DA-Wandler

Die Platine ADAC12 beinhaltet auch zwei komplette 12-Bit-DA-Wandler, die eine Spannung zwischen -10V und +10V mit einer Auflösung von ca. 5 mV ausgeben können. Die DA-Wandler werden im Binary-Offset-Code angesteuert, 0000H entspricht -10 V, 8000H entspricht 0 V und FFFFH entspricht +10 V. Das Datenwort wird in zwei Bytes in folgender Weise übergeben: Der 12-Bit-Wert wird zuerst mit 16 multipliziert (4 Bits nach links schieben), dadurch rückt das MSB (Bit 11) auf die Stelle von Bit 15, die Bits 0 bis 3 werden gleich null. Dann wird zuerst das niederwertige Byte auf die Low-Byte-Adresse des gewünschten DACs ausgeben und darauf das höherwertige Byte auf die High-Byte-Adresse. Der DA-Wandler speichert intern das niederwertige Byte und erst bei der Übergabe des höherwertigen Bytes wird der neue 12-Bit-Wert in analoger Form ausgegeben.

Ablauf der Erfassung eines Messwertes

Zur Messung einer Spannung mit der Karte ADAC12 muss der ansteuernde Mikrocomputer die Karte in zwei Phasen ansteuern. Zuerst muss an den Multiplexer die gewünschte Kanalnummer und Verstärkung ausgegeben werden. Mit dieser Umschaltung wird zugleich per Hardware die Sample & Hold-Schaltung für ca. 10 µsek in den Sample-Modus geschaltet. Der Mikrocomputer muss diese Zeit abwarten (z.B. durch Ausführen von ein paar Dummy-Befehlen), bis er den AD-Wandler starten darf. Geschieht der Start des AD-Wandlers zu früh, so kann es bei Eingangssignalen mit höherer Anstiegsgeschwindigkeit zu Verfälschungen des Messergebnisses kommen. Nach dem Start der Konversion muss der Mikrocomputer die Zeit für den Digitalisierungsvorgang (je nach Typ des AD-Wandlers und Auflösung zwischen 10 und 25 µsek) abwarten. Dann kann er das Ergebnis der Konversion vom AD-Wandler lesen und weiterverarbeiten.

Die folgende Stückliste und der Bestückungsplan erleichtern den Aufbau der Platine. Da bei dieser Platine teure Bausteine verwendet werden, ist es ratsam, vor der eigentlichen Inbetriebnahme die Platine ohne Bauteile unter Spannung zu setzen und alle Pins der teuren Bausteine nochmals auf die richtigen Spannungspegel zu überprüfen (+/- 12 Volt darf nur an den dafür vorgesehenen Pins anliegen).

Sonstiges:

Layout und Bestückungsplan der Platine ADAC12