TechTipp: Digital I/O Basics

Ziel
Ein Überblick über Digital I/O-Techniken, die zur Messdatenerfassung verwendet werden:

  • Pull-up- und Pull-down-Widerstände
  • TTL zu Solid State Relais
  • Spannungsteiler
  • Tiefpassfilter

Zielgruppe
Dieses Dokument richtet sich an Benutzer, die digitale Ein- und Ausgabekanäle eines Datenerfassungssystems konfigurieren und verwenden wollen.

Theorie
Pull-up- und Pull-down-Widerstände
Wird ein Gerät eingeschaltet oder zurückgesetzt, so werden die Digital I/O-Pins in der Regel als Eingang mit hoher Impedanz ausgelegt. An diesen Eingängen kann genügend Strom vorhanden sein, um angeschlossene Ausgabegeräte wie Solid State Relais (SSR) zu schalten.

Um ein unkontrolliertes Schalten zu vermeiden und digitale Ausgänge in einem definierten Status zu initialisieren, können alle digitalen Anschlüsse mit einem Pull-up- oder Pull-down-Widerstand entweder auf High oder Low gesetzt werden.

Pull-up-Widerstand
In der Pull-up-Konfiguration sind die I/O-Kanäle über Widerstände mit der Logik-Spannung verbunden.

Wird das Digital I/O-Gerät zurückgesetzt und wechselt in den Eingangsmodus mit hoher Impedanz, dann werden die I/O-Kanäle auf High gezogen.

Das Digital I/O-Gerät und die daran angeschlossenen Geräte erkennen ein High-Signal. Ein Kanal im Ausgabemodus besitzt ausreichend Leistung, um das über den Pull-up-Widerstand erzeugte High-Signal zu übersteuern und den Kanal auf Low 0 Volt zu setzen.

 

Pull-down-Widerstand
In der Pull-down-Konfiguration sind die I/O-Kanäle über Widerstände mit dem Logik Ground verbunden.

Wird das Digital I/O-Gerät zurückgesetzt und wechselt in den Eingangsmodus mit hoher Impedanz, dann werden die I/O-Kanäle auf Low gezogen.

Das Digital I/O-Gerät und die daran angeschlossenen Geräte erkennen ein Low-Signal. Ein Kanal im Ausgabemodus besitzt ausreichend Leistung, um das über den Pull-down-Widerstand erzeugte Low-Signal zu übersteuern und den Kanal auf High 5 Volt zu setzen.
Pull-up Widerstand Pull-down Widerstand

Die Digital I/O-Geräte mit USB- und Ethernet-Schnittstelle von Measurement Computing sind mit integrierten Pull-Widerständen ausgestattet.

TTL zu Solid State Relais
Viele Anwendungen erfordern digitale Ausgänge, die hohe AC- oder DC-Spannungen ein- und ausschalten und solche Spannungen detektieren können. Hohe Spannungen können mit den TTL-basierten digitalen Kanälen eines Gerätes nicht direkt angesteuert oder detektiert werden. Über SSR-Bausteine können AC-Spannungen und hohe DC-Spannungen gesteuert und detektiert, sowie eine Isolation >1000 V sichergestellt werden. SSR-Bausteine sind die empfohlene Schnittstelle zu AC- und hohen DC-Signalen.

Der bequemste Weg die SSR-Bausteine einzusetzen, besteht darin, sie auf einen Grundträger zu montieren – eine Platine mit Sockeln für SSR-Bausteine und einer ausreichenden Versorgung, um die SSR-Bausteine zu schalten. Informationen zu SSR-Bausteinen und passenden Grundträgern erhalten Sie über Measurement Computing.

Spannungsteiler
Um ein Signal zu detektieren, das zwar auf gemeinsamem Ground, aber außerhalb des maximal zulässigen Spannungsbereiches eines digitalen Eingangs liegt, kommt der Einsatz eines Spannungsteilers oder eines externen Moduls in Betracht, mit denen das Spannungslevel des Eingangssignales in einen sicheren Bereich überführt werden kann. Beachten Sie, dass diese Methode keinen Isolationsschutz bietet.

Laut Ohmschem Gesetz ist: Spannung = Strom * Widerstand

In einem Spannungsteiler ist der Spannungsabfall über einen der Widerstände proportional zu seinem Widerstand geteilt durch die Summe der Widerstände im Stromkreis.

Im Spannungsteiler werden zwei Widerstände so ausgewählt, dass der gewünschte Bruchteil der Eingangsspannung erreicht wird.

Spannungsteiler

Abbildung 3. Schema des Spannungsteilers

Der proportionale Spannungsabfall wird Dämpfung genannt. Die variable Dämpfung ist proportional zur Differenz zwischen der gewünschten Ausgangsspannung (entspricht der maximalen Eingangsspannung des Gerätes) und der vollen Eingangsspannung auf der Feldseite. Die Formel zur Berechnung des Dämpfungsfaktors lautet:

A = U / U1 = (R1 + R2) / R1

Wenn die Feldspannung U also zwischen 0 und 10 Volt liegt und das Messgerät eine maximale Eingangsspannung (U1) von 5 Volt erlaubt, muss die Dämpfung (A) 10:5, also 2 betragen. Mit einem Gesamtwiderstand (R1 + R2) von 20 kOhm:

2 = (10K + 10K) / 10K

Bei geforderter Dämpfung A und einem vorhandenen Widerstand R2, kann der zweite Widerstandswert R1 berechnet werden:

R1 = (A – 1) * R2

Digitale Eingänge benötigen recht häufig Spannungsteiler. Um ein Signal zu erfassen mit den Zuständen AUS (0 V) und EIN (24 V), kann es nicht direkt mit den digitalen Eingängen der meisten Messgeräte verbunden werden. Die Spannung muss auf 5 V gesenkt werden. Die geforderte Dämpfung ist 24 / 5, also 4,8. Mit Hilfe der Gleichung von oben kann der passende Widerstandswert R1 zu einem gegebenen Widerstand R2 bestimmt werden. Beachten Sie, dass ein TTL-Eingang auf EIN steht, sobald die Spannung größer als 2,5 V ist.

Berechnung der Verlustleistung im Spannungsteiler
Die Widerstände R1 und R2 verbrauchen die gesamte Leistung über den Spannungsteiler nach der Gleichung:

Strom = Spannung / Widerstand

Je höher der Gesamtwiderstand (R1 + R2), desto weniger Leistung wird im Spannungsteiler verbraucht. Als Merkregel gilt:

  • Bei einer Dämpfung von 5:1 oder weniger sollte kein Widerstand kleiner als 10 kOhm sein.
  • Bei einer Dämpfung größer als 5:1 sollte kein Widerstand kleiner als 1 kOhm sein.

Tiefpassfilter zum Entprellen der Eingänge
Ein Eingangssignal kann Rauschen aufweisen, das einer externen Komponente zuzuordnen ist, mit der das Signal erzeugt wird. Häufig ist diese externe Komponente ein mechanischer Schalter.

Um dieses Rauschen zu verringern, kann ein Tiefpassfilter in den Signalleitungen zwischen Quelle und digitalem Messgerät eingesetzt werden. Ein Tiefpassfilter dämpft Frequenzanteile oberhalb der Grenzfrequenz.

Die Grenzfrequenz ist jene Frequenz, oberhalb derer keine Spannung mit Bezug zu einem definierten zeitlichen Gradienten den Stromkreis erreichen. Wenn ein Tiefpassfilter eine Grenzfrequenz von z. B. 30 Hz aufweist, würden die mit der Netzspannung (50/60 Hz) verbundenen Interferenzen größtenteils herausgefiltert. Ein Signal von 25 Hz würde mit geringerer Dämpfung passieren.

In einer digitalen Schaltung kann ein Tiefpassfilter dazu verwendet werden, ein Eingangssignal eines Schalters oder externen Relais zu entprellen oder zu filtern. Die früher verwendeten Quecksilberschalter/-relais neigen beim Schließen zum Prellen und erzeugen dabei ein pulsierendes Störgeräusch.

Die folgende Abbildung zeigt einen einfachen Tiefpassfilter erster Ordnung, der aus einem Widerstand R und einem Kondensator C besteht.

Tiefpassfilter

Abbildung 4. Schema des Tiefpassfilters

Die Grenzfrequenz wird nach folgender Formel berechnet:

Fc = 1/(2πRC)

mit π = 3,141...
Widerstand R [Ohm]
Kapazität C [Farad]
Grenzfrequenz Fc [1/s]

R = 1/(2πCFc)


Weitere Informationen
Falls Sie Fragen haben oder weitere Informationen benötigen, wenden Sie sich bitte an Measurement Computing:

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