Verwendung von Burnout-Stromquellen zur Wheatstone-Brücken-Erkennung
Viele aktuelle Hochleistungs-ADCs wie der AD7190 enthalten eine eingebaute sogenannte Burnout-Stromquelle, die angeblich zur Erkennung eines offenen Stromkreises im Sensor verwendet werden kann. Die meisten Hersteller bieten jedoch keine einfache Erklärung, wie dies gemacht werden kann.
In diesem Blogbeitrag werde ich versuchen zu erklären, wie diese Stromquellen für praktische Anwendungen nützlich sein können. Für dieses Beispiel nehmen wir an, dass der ADC einen idealisierten Differenzkanal hat und mit einer einfachen Wheatstone-Brücken-Dehnungsmessstreifen verbunden ist:
Was ist eine Burnout-Stromquelle?
Die meisten ADCs enthalten zwei Burnout-Stromquellen:
- Eine, die aus der analogen Versorgungsspannung speist und in den positiven Eingang fließt
- Eine, die aus dem negativen Eingang speist und in die analoge Masse fließt
Diese Burnout-Stromquellen haben normalerweise sehr niedrige und feste Stromwerte — für den AD7190 beträgt er $500,nA$.
Wendet man dies auf die Wheatstone-Brücke an, erhält man:
Die abgleichene Wheatstone-Brücke ohne Stromquellen bildet zwei gleiche Spannungsteiler mit einem Teilungsverhältnis von 2: Sowohl der positive als auch der negative ADC-Eingang sind auf $\frac{1}{2} V_{DDA} = 2.5,V$ vorgespannt (wobei $V_{DDA}$ die analoge Versorgungsspannung des ADC und die Brücken-Erregerspannung ist. Während diese für viele praktische Anwendungen nicht gleich sein müssen, nehmen wir für dieses Beispiel der Einfachheit halber an, dass sie gleich sind). Wir könnten auch äquivalent sagen: Der Strom, der durch R1 und R2 fließt, verursacht einen Spannungsabfall von $2.5,V$ über R3 bzw. R4.
Wir können ein vereinfachtes Modell verwenden, um qualitativ zu verstehen, was passiert:
Durch Ignorieren aller Ströme, die durch R1 und R4 fließen, ist der Strom durch R2 und R3 gleich I1 bzw. I2. Mit dem Ohmschen Gesetz, ausgedrückt als $U = I{\cdot}R$, können wir berechnen:
Da wir annehmen, dass kein Strom durch R1 und R4 fließt und die IN(+)- und IN(-)-Knoten auf $2.5,V$ vorgespannt sind, ergibt das Hinzufügen der Burnout-Stromquellen $V_{IN(+)} = 2.5,V + 175,{\mu}\text{V}$ und $V_{IN(-)} = 2.5,V - 175,{\mu}\text{V}$, was eine Differenz von $V_{IN(+)} - V_{IN(-)} = 2\cdot175 {\mu}\text{V}$ ergibt.
Nun müssen wir den Strom berücksichtigen, der durch R1 und R4 fließt. Obwohl die Mathematik hierfür den Rahmen dieses Artikels überschreitet, können wir leicht eine LTSpice-Simulation verwenden (Simulationsdatei herunterladen), um die Zahlen zu sehen. Das Ausführen dieser Simulation zeigt, dass $V_{IN(+)} - V_{IN(-)} = 175,{\mu}\text{V}$. Dies gilt unabhängig von der Versorgungsspannung, solange $I_{R1,R4} \gg I_{Burnout}$. Diese Bedingung kann als erfüllt angenommen werden für jede realistische Konfiguration, wenn $V_{DDA} \gt 1,\text{V}$.
Wir können daher schließen, dass bei angeschlossener abgeglichener Wheatstone-Brücke und aktivierten Burnout-Stromquellen: $V_{IN(+)} - V_{IN(-)} = \frac{I_{Burnout} \cdot (R_3 + R_2)}{2}$. Wenn $R_3 \approxeq R_2$, kann dies vereinfacht werden zu: $V_{IN(+)} - V_{IN(-)} = I_{Burnout} \cdot R_{2,3}$
Erkennung offener Stromkreise
Nun nehmen wir an, dass kein Sensor angeschlossen ist, d.h. R1 bis R4 werden als unendliche Widerstände angenommen.
Eine ideale Stromquelle würde eine unendlich hohe Spannung erzeugen, wenn sie versucht, einen konstanten Strom durch einen unendlichen ohmschen Widerstand zu treiben. Die Burnout-Stromquellen in ADCs weisen diese Eigenschaft nicht auf: Die maximale Spannung, die sie erzeugen können, ist $V_{DDA}$, während die minimale Spannung $0,\text{V}$ beträgt. In der Praxis werden diese Werte die Schienen meistens nicht erreichen, aber für die meisten praktischen Konfigurationen können wir diese Tatsache ignorieren.
Dies bedeutet, dass ein offener Stromkreis bedeuten würde, dass $V_{IN(+)} = V_{DDA}$ und $V_{IN(-)} = 0,\text{V}$ und daher $V_{IN(+)} - V_{IN(-)} = V_{DDA} - 0,\text{V} = V_{DDA}$.
Dies bedeutet, dass der ADC den maximal möglichen Wert anzeigen wird (z.B. 0xFFFFFF für einen 24-Bit-ADC).
Wenn die Burnout-Stromquellen deaktiviert sind, ist die Spannung an den Eingangsklemmen undefiniert und hängt von Leckströmen auf der PCB und der Eingangsstufe des ADC ab.
Basierend auf diesen Informationen können wir schließen, dass ein offener Stromkreis erkannt werden kann, indem die Burnout-Stromquellen aktiviert und geprüft werden, ob der ADC den maximal möglichen digitalen Ausgabewert zeigt. In den meisten Fällen kann auch ein Wert sehr nahe am Maximum als offener Stromkreis betrachtet werden.
Quantitative Schätzung von Brückenwiderständen mit Burnout-Stromquellen
Für viele Schaltungen ist es nützlich, eine Schätzung des tatsächlichen Widerstands der verwendeten Wheatstone-Brücke zu erhalten — dies kann beispielsweise nützlich sein, um die Erregerspannung automatisch zu konfigurieren.
Mit dem Burnout-Stromquellen-Wert und der oben abgeleiteten Gleichung $V_{IN(+)} - V_{IN(-)} = I_{Burnout} * R_{2,3}$ können wir leicht erkennen, dass die durch die Burnout-Ströme induzierte Differenzspannung von den Widerständen $R_2$ und $R_3$ der Brücke abhängt.
Normalerweise haben die Burnout-Stromquellen weite Toleranzbereiche und müssen über den gesamten Betriebsbereich und aufgrund von Fertigungstoleranzen mit bis zu 20% Abweichung gerechnet werden. Für die Erkennung offener Stromkreise spielt der genaue Strom keine Rolle, solange $I_{burnout} \gg I_{leakage}$. Jedoch führt eine Stromabweichung zwischen den beiden Stromquellen zu einem signifikanten Fehler im beobachteten Spannungsabfall: $E = \frac{|I_a - I_b|}{}$. Für quantitative Messungen müssen diese Toleranzen berücksichtigt werden — ohne individuelle Kalibrierung bedeutet dies, dass wir den genauen Widerstand der Brücke nicht bestimmen können. Es ist jedoch immer noch leicht möglich, den Brückenwiderstand in eine von mehreren Klassen einzuteilen, zum Beispiel Dehnungsmessstreifen mit einem Widerstand von:
- $120 \Omega$
- $350 \Omega$
- $1200 \Omega$
Dies kann mit dem folgenden Algorithmus durchgeführt werden:
for i in 1..n- Burnout-Stromquelle deaktivieren
- ADC-Spannung $V_{a,i}$ messen
- Burnout-Stromquelle aktivieren
- ADC-Spannung $V_{b,i}$ messen
- Burnout-Differenz berechnen ${\Delta}V_i = V_{b,i},-,V_{a,i}$
- Durchschnittlichen zusätzlichen Spannungsabfall durch Burnout berechnen: $\overline{{\Delta}V},=,\sum^{n}_{i=0}{\Delta}V_i$
Beachte, dass wir, um eine möglicherweise unausgeglichene Brücke zu berücksichtigen, nur die Differenz zwischen dem ADC-Wert mit aktivierter Burnout-Stromquelle und dem mit deaktivierter Burnout-Stromquelle interpretieren dürfen.
Die Mittelung wird durchgeführt, damit Sensorwertänderungen während des Messzeitraums (die in Widerstandsänderungen für mindestens ein Brückenelement übersetzt werden) und Rauschen so weit wie möglich aus der Gleichung eliminiert werden. Ein größerer Wert für $n$ führt zu geringeren Fehlern im resultierenden Wert. Für schnell wechselnde Eingangssignale wird eine hohe Abtastrate empfohlen, um die Zeit zwischen a- und b-Messungen zu minimieren. Für mehrkanalige ADCs wird ebenfalls empfohlen, nur einen Kanal zu einem Zeitpunkt zu messen und den Zero-Latency-Modus aus diesem Grund zu deaktivieren.
Wir können dann den beobachteten Widerstand berechnen mit
$$R_{\text{observed}}\,=\,\frac{\overline{{\Delta}V}}{I_{\text{burnout}}}$$Beispielsweise, wenn $\overline{{\Delta}V} = 165,{\mu}V$ und $I_{burnout} = 500,nA$, dann ist $R_{observed} = 330,\Omega$. Dieser Wert ist ausreichend nahe an $350,\Omega$. Die Differenz könnte durch ADC-Fehler, Burnout-Strom-Abweichungen und Widerstands-Abweichungen im Sensor selbst verursacht werden (verursacht durch sowohl statische Fertigungstoleranzen als auch dynamische Widerstandsänderungen).
Beachte, dass viele ADCs einschließlich der AD7190-Serie nur nominale Werte und keine garantierte Toleranz für die Burnout-Ströme spezifizieren.