Abbildung 1-1 Zeigt die Implementierung eines auf isolierten Verstärkern basierenden Messdesigns.

Abbildung 1-1 Implementierung von isolierten Verstärkern

Die Eingangsstufe eines isolierten Verstärkers besteht aus einem Eingangsverstärker, der einen Delta-Sigma (ΔΣ)-Modulator ansteuert. Die Verstärkung des Eingangsverstärkers ist fest und wird durch interne Präzisionswiderstände eingestellt. Der ΔΣ-Modulator wandelt das analoge Eingangssignal anhand der internen Referenzspannung und des Taktgenerators in einen digitalen Bitstrom um. Die Treiber übertragen den Ausgang des Modulators über eine Isolationsbarriere, die den Hoch- und den Niederspannungsbereich trennt. Der empfangene Bitstrom und der Taktgeber werden synchronisiert und von einem analogen Tiefpassfilter auf der Niederspannungsseite verarbeitet und als analoges Ausgangssignal dargestellt.

Der Differenzausgang eines isolierten Verstärkers wird häufig in einen einseitig geerdeten Analogausgang mit einer auf einem Operationsverstärker basierenden Schaltung umgewandelt. Dieser Operationsverstärker-basierte Schaltkreis kann auch einen Tiefpassfilter implementieren, um die Signalbandbreite weiter auf eine gewünschte Bandbreite zu reduzieren und dadurch die Rauschleistung des Systems zu verbessern.

Der Analog-zu-Digital-Wandler (ADC), entweder extern oder intern am Mikrocontroller (MCU) oder digitalen Signalprozessor (DSP), empfängt diesen analogen Rückkopplungsausgang und konvertiert diesen in den digitalen Bereich zurück.

Abbildung 2-1 Zeigt die Implementierung einer Messlösung auf Basis isolierter Modulatoren.

Abbildung 2-1 Implementierung eines isolierten Modulators

Die Eingangsstufe isolierter Modulatoren ähnelt der isolierter Verstärker. Die Treiber übertragen den Modulatorausgang über die Isolationsbarriere. Der isolierte Datenausgangs-DOUT stellt einen digitalen Bitstrom von 1 und 0 bei einer viel höheren Frequenz (bis zu 20 MHz) bereit. Der Zeitmittelwert dieses Bitstromausgangs ist proportional zur analogen Eingangsspannung. Das gemessene Signal wird mit einem Digitalfilter innerhalb der Mikrocontroller-Familien wie TMS320F2807x und TMS320F2837x, einem DSP, oder einem feldprogrammierbaren Gate-Array (FPGA) rekonstruiert.

Tabelle 3-1 zeigt den grundlegenden Leistungsunterschied zwischen isolierten Verstärkern und isolierten Modulatoren.

In einem Design auf Basis eines isolierten Verstärkers wird das gemessene Analogsignal mehreren Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlungen unterzogen. Die Stufen innerhalb des isolierten Verstärkers, der differenziellen und unsymmetrischen Stufe und des ADC (extern oder intern) der MCU oder des DSP reduzieren die Gesamtgenauigkeit und das Rauschverhalten und erhöhen die Latenz. Die feste Tiefpassfilterimplementierung in der Ausgangsstufe des isolierten Verstärkers begrenzt die Signalbandbreite. Eine externe Operationsverstärker-basierte Schaltung für die Umwandlung von differenziellen in unsymmetrische Signale kann verwendet werden, um einen aktiven Tiefpassfilter zu erzeugen, der die Signalbandbreite weiter begrenzt und dadurch die Rauschleistung verbessert. Der isolierte Verstärker eine feste Latenz aus. Designs auf der Basis isolierter Verstärker werden aufgrund ihrer Vertrautheit in der Nutzung und der relativ einfachen Implementierung häufig verwendet.

Wie in Abbildung 2-1 gezeigt, wird das gemessene Analogsignal in einem isolierten Modulator-basierten Design nur einer Analog-Digital-Wandlung unterzogen. Dieses Design macht eine differenzielle zu unsymmetrische Stufe überflüssig, wodurch die Anzahl der Komponenten und die Designgröße reduziert werden. Der in einem Design mit isoliertem Verstärker verwendete A/D-Wandler, der in vielen Situationen die maximal erzielbare Abtastauflösung und Genauigkeit einschränkt, ist nicht mehr erforderlich. Dieser isolierte modulatorbasierte Ansatz bietet eine verbesserte Signalrauschleistung und Gesamtgenauigkeit und kann eine höhere Signalbandbreite und geringere Latenz erreichen als ein isoliertes verstärkerbasiertes Design. Isolierte Modulatoren bieten einen viel schnelleren digitalen Bitstream-Ausgang, typischerweise bis zu 20 MHz. Das Sigma-Delta-Filtermodul (SDFM) in den Mikrocontroller-Familien (z. B. TMS320F2807x und TMS320F2837x) bietet eine einfache Möglichkeit, die Rauschleistung und Signalbandbreite oder Latenz zu optimieren. Wie in Tabelle 3-2 gezeigt, führt eine Implementierung mit höherem Oversampling-Verhältnis (OSR) zu einer besseren Genauigkeit und einer optimierten Abtastauflösung, aber gleichzeitig auch zu einer geringeren Signalbandbreite und einer höheren Latenz. Auf ähnliche Weise verringert die Minderung des OSR die Genauigkeit und die Abtastauflösung, erhöht aber die Bandbreite und führt zu einer geringeren Latenz. Ein ähnlicher DSP oder ein FPGA kann auch einen solchen Digitalfilter implementieren.

Darüber hinaus können, wie in Abbildung 3-1 gezeigt, mehrere digitale Filter parallel implementiert werden, um alles gleichzeitig zu erreichen: eine höhere Abtastauflösung, eine geringere Latenz und eine höhere Bandbreite. Einer der Digitalfilter kann einen hohen OSR-Digitalfilter für ein besseres Rauschverhalten implementieren, und ein anderer kann einen Digitalfilter mit kurzer Latenzzeit implementieren.

Abbildung 3-1 Implementierung von zwei Digitalfiltern parallel

Aufgrund der Systemvorteile, die ein isoliertes modulatorbasiertes Design bietet, ist ein Trend zu beobachten, bei Hochleistungssystemen auf isolierte modulatorbasierte Designs umzusteigen.