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Mikrocontroller als digitale Synthesizer Saubere Sinusschwingungen mit variablen Frequenzen erzeugen

Autor / Redakteur: Michael Müller-Aulmann* / Kristin Rinortner

In vielen Bereichen der angewandten elektronischen Messtechnik werden sinusförmige Anregungen verwendet, um physikalische oder auch chemische Größen zu ermitteln. Dazu muss eine saubere Sinus-Schwingung über einen analogen Schwingkreis erzeugt werden. Durch die Integration von analogen und digitalen Schaltungselementen ist dies seit einiger Zeit flexibel mit digitalen Synthesizern möglich.

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( Archiv: Vogel Business Media )

In vielen Bereichen der angewanden elektronischen Messtechnik, von der einfachen elektronischen Bauteilbestimmung (z.B.: Induktivitäten, Kapazitäten), der Blutanalyse in der Medizin bis zur zerstörungsfreien Materialprüfung in der Weltraumtechnik müssen physikalische oder chemische Größen erfasst werden. Hierzu wird sehr oft ein Sensor durch ein am Eingang angelegtes Signal erregt. Er liefert dann ein Ausgangssignal, das in einer definierten Beziehung die zu messende Größe widerspiegelt.

Neben der einfachen Anregung des Sensors mit einem Gleichstrom (z.B. PT100) oder einer Gleichspannung ist in vielen Fällen die Anregung mit einem sinusförmigen Signal, manchmal sogar mit sich ändernder Frequenz, von Vorteil.

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Bei einer einfachen Suche im Internet werden rund eine Million Links zu dem Thema sinusförmige Anregung (im Englischen: sinusoidal excitation) in den verschiedensten Bereichen angezeigt.

Kostengünstige Alternative: Digitale Synthesizer

Um solche Signale zu erzeugen, war es in der Vergangenheit notwendig, entsprechende Schwingkreise mit einem möglichst sauberen sinusförmigen Ausgangssignal aufzubauen. Wurde eine variable Frequenz benötigt, war der Aufwand entsprechend höher. Durch die Integration von analogen und digitalen Schaltungselementen ist dies schon seit einiger Zeit sehr flexibel mit digitalen Synthesizern möglich. Solche integrierten DDS-Bausteine (Direct Digital Synthesizer), wie z. B. die AD983x-Serie von Analog Devices, bieten eine kostengünstige und Platz sparende Alternative zum Erzeugen solcher Signale über einen leistungsfähigen DSP oder Mikrocontroller und Digital/Analog-Wandler.

Bild 1: Blockdiagram des ADuC7128/29 (Archiv: Vogel Business Media)

In diesem Artikel werden die grundsätzliche Aufgabenstellungen für solche Systeme erläutert, die dafür integrierten Funktionsblöcke in den Derivaten der ARM7TDMI-basierenden Precision Analog Microcontroller, die ADuC7128/29, vorgestellt, sowie anhand von Applikationsbeispielen der Einsatz eines derartigen Bauteils erläutert.

Die schwungvolle Unterstützung: ADuC7128/29

Um die gesamte Elektronik für den Aufbau solcher Messsysteme möglichst kompakt und kostengünstig zu realisieren, hat Analog Devices auf Kundenanforderungen reagiert und die ADuC7128/29 auf den Markt gebracht. Diese neuen Derivate enthalten alle Blöcke der ADuC702x-Famile, so wie sie in Ausgabe 8/2004 der ELEKTRONIKPRAXIS vorgestellt wurden. Zusätzlich wurde nun ein DDS-Block neben anderen Erweiterungen integriert. Der DDS-Block kann über einen 10-Bit-Digital/Analog-Wandler, einen nachfolgenden Tiefpass und einen Leistungstreiber für eine 100-Ω-Last ein sauberes Sinusignal im Frequenzbereich von 0 bis 1 MHz liefern. Diese neuen Derivate sind für Anwendungen konzipiert, bei denen eine saubere sinusförmige Anregung benötigt wird, aber der Mikrocontroller-Kern nicht mit der Erzeugung des Signals belastet werden soll, sondern für die eigentliche Messaufgabe und die Kommunikation zur Verfügung stehen bleibt.

Applikationsbeispiel 1: Ultraschall-Sensor

Ein einfaches Beispiel für ein Messsystem, bei dem der integrierte DDS-Block einen Vorteil bieten kann, sind qualitativ höherwertige Ultraschall-Sensoren. Nicht nur wie sie für die Entfernungsmessung benutzt werden, sondern auch wie sie in der Materialprüfung eingesetzt werden. Über den DDS-Block wird je nach Übertrager und Anwendung ein kontinuierliches sinusförmiges Signal oder ein Signalblock mit einer Frequenz in einem Bereich von unter einem Hertz bis hin zu einigen 100 kHz erzeugt.

Nach entsprechender Signalaufbereitung kann dann, z.B. mit dem Komparator direkt gekoppelt, mit einem Zähler die Laufzeit bzw. entsprechend der Abstand gemessen werden. Oder man wertet über den schnellen Analog/Digital-Wandler das Rückkopplungssignal entsprechend aus, um Aussagen über die Güte eines Materials zu machen.

Applikationsbeispiel 2: Servo-Motor mit Resolver-Digital-Wandler

Die Precision Analog Microcontroller der ersten Generation mit ARM7TDMI-Kern waren schon in den größeren Gehäusetypen mit einem PWM-Block (Pulsweitenmodulation) für Motoranwendungen ausgestattet. Die neuen Derivate ADuC7128/29 enthalten neben dem DDS-Block einen Quatrature-Encoder für die einfache Positionsbestimmung des Rotors über einen optischen Encoder. In der rauen Industrieumgebung werden aber auch die robusteren Resolver zur Positionsbestimmung des Rotors gerne eingesetzt. Diese bieten neben der höheren Robustheit den Vorteil, dass ohne zusätzlichen Aufwand die Position des Rotors direkt nach dem Einschalten bestimmt werden kann.

Um mit einem solchen Resolver die Position zu bestimmen, ist es notwendig, diesen mit einem sinusförmigen Signal zu speisen. Die Frequenz des Sinussignals liegt im Bereich von 4 bis ca. 20 kHz, je nach Resolver-Typ. Für einfache Servo-Applikationen kann mit einem AduC7128/29 der Motor angesteuert werden und über einen Resolver je nach Drehzahl die Position des Rotors mit einer entsprechenden Auflösung gemessen und geregelt werden.

Applikationsbeispiel 3: Kommunikation

In der Kommunikation werden natürlich sehr oft sinusförmige Signale zum Ausmessen von Übertragungsleitungen benutzt. Auch dafür lässt sich der DDS-Block sehr flexibel einsetzen. Diese Applikation soll allerdings hier nicht angeführt werden, sondern die Kommunikation selbst.

Es gibt viele Anwendungen, bei denen die Kommunikation nicht über gesonderte Leitungen aufgebaut werden soll oder, aus Kostengründen, kann. Es sollen vorhandene Leitungen für die Energieversorgung mit benutzt werden. Hierbei handelt es sich entweder um Leitungen mit Gleichspannung (Spannungsbereich 12 bis 24 V) oder Wechselspannung (Spannungsbereich 85 bis 250 V oder höher). Die Übertragung erfolgt über Modulation eines sinusförmigen Signals auf das vorhandene Spannungssignal in Form von OOK (On-/Off-Keying) oder FSK (Frequency-Shift-Keying). Beim ersten Modulationsverfahren wird ein sinusförmiges Signal entsprechend der zu übertragenden Information an- oder ausgeschaltet.

Im zweiten Fall wird zwischen zwei Frequenzen umgeschaltet. Beide Modulationsarten sind in der Praxis mit Datenraten von 2,4 bis ca. 50 kBaud im Einsatz. Die nutzbaren Frequenzbereiche für die Modulation sind entsprechend geregelt und liegen im Bereich von einigen kHz bis zu über 160 kHz. Die Hochfrequenzbereiche für die Breitbandkommunikation sollen hier nicht betrachtet werden.

Mit dem integrierten DDS-Block des ADuC7128/29 kann nun wiederum das entsprechende sinusförmige Signal generiert werden, ohne den Micokontroller-Kern zu belasten.

Der Empfang von Informationen wird nach entsprechender Signalaufbereitung wieder – wie bei dem 1. Beispiel über den Komparator und den angekoppelten Zähler – sehr einfach realisiert. Neben fertigen integrierten Bauteilen für diese Art von Applikationen bietet dieser Lösungsansatz wesentlich mehr Flexibilität and zusätzliche Funktionalität in einem System-on-Chip (SOC).

Analoge Mikrocontroller mit 24-Bit-ADC

Wie anhand der Beispiele aufgezeigt, wird es durch sinnvolle Kombination der entsprechenden Peripherieblöcke und der Applikationssoftware möglich, Aufgaben mit den neuen Derivaten der Precision Analog Microcontroller zu lösen. Angetrieben durch Kundenanforderungen werden kontinuierlich weitere Produkte entwickelt. Aus diesen ergeben sich dann auch immer wieder Bauteile, die frei verfügbar sind.

Ein Beispiel dafür sind die hier vorgestellten Derivate mit integriertem DDS-Block, die ADuC7128/29. Neben den ADuC703x, die vor allem für die Applikation im Automobil für die Batterieüberwachung konzipiert wurden und bereits 16-Bit-Analog/Digital-Wandler enthalten, wird es in naher Zukunft auch Precision Analog Microcontroller geben, deren Auflösungen des Analog/Digital-Wandlers bis 24 Bit spezifiziert sind.

Was sind Precision Analog MicroConverter

  • Anwendungsspezifische analoge Peripheriefunktionen, die gegenüber bisherigen, diskret aufgebauten Lösungen die Entwicklungszeit verkürzen und die Kosten senken.
  • Die geschickte Kombination von Peripherieblöcken und Applikationssoftware ermöglicht es, vielfältige Aufgaben mit den neuen Derivaten zu lösen.
  • Ideal für Anwendungen, die eine saubere sinusförmige Anregung benötigen, wobei der Microcontroller-Kern nicht mit der Erzeugung des Signals belastet wird, sondern für die eigentliche Messaufgabe und die Kommunikation zur Verfügung steht. Der integrierter DDS-Block kann über einen 10-Bit-Digital/Analog-Wandler, einen nachfolgenden Tiefpass und einen Leistungstreiber für eine 100-Ω-Last ein sauberes Sinussignal im Frequenzbereich von 0 bis 1 MHz erzeugen.
  • Erlauben den Einsatz von Resolvern zur Positionsbestimmung eines Rotors. Mit einem gegenüber optischen Encodern robusteren Resolver kann man die Position des Rotors direkt nach dem Einschalten ermitteln. Für einfache Servo-Applikationen kann der Motor mit einem ADuC7128/29 angesteuert werden und über einen Resolver die Position des Rotors gemessen und geregelt werden.

*Michael Müller-Aulmann ist Product-Line-Applications-Engineer bei Analog Devices in Limerick, Irland.

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