TechTipp: Signalanschluss an analoge Eingänge (Teil 1)

Ziel
Grundlegendes Verständnis der Signalanschlüsse an analoge Eingänge:

  • Single-ended Eingänge
  • Differenzielle Eingänge
  • Gleichtaktspannung
  • Gleichtaktspannungsbereich
  • Erdung des Messsystems und Isolation

Zielgruppe
Anwender von Messgeräten, die sich mit dem korrekten Anschluss der analogen Signale zur Durchführung präziser Messungen befassen wollen. Wenn Sie mit diesen Konzepten bereits vertraut sind, können Sie zu TechTipp: Signalanschluss an analoge Eingänge (Teil 2) übergehen.

Theorie
Single-ended und Differenzielle Eingänge konfigurieren
Ein typisches DAQ-Gerät zur Messdatenerfassung bietet die Wahl zwischen single-ended und differenziellen analogen Eingängen.

Single-ended Eingänge
Single-ended Eingänge messen die Spannung zwischen dem Eingangssignal und dem analogen Ground (AGND) (Abbildung 1). Da dies nur eine physikalische Verbindung pro Eingang erfordert, kann eine Single-ended-Konfiguration mit demselben Anschluss und internem Multiplexer doppelt so viele Kanäle überwachen wie eine differenzielle 2-Draht-Konfiguration.

Single-ended Eingang


Abbildung 1.
Grundlegende Konfiguration des Single-ended Eingangs


Differenzielle Eingänge
Differenzielle Eingänge messen die Spannung zwischen zwei unterschiedlichen Eingangssignalen (Abbildung 2). Ein differenzieller Eingang widersteht elektromagnetischen Störungen (EMV) besser als ein Single-ended Eingang. Der größte Anteil der EMV-Störungen wird in beiden Leitungen induziert. Der Eingang des Messgerätes erfasst nur die Differenz zwischen den Leitungen, ein gemeinsames Störsignal wird eliminiert. Dieser Effekt ist der größte Vorteil einer Twisted Pair 2-Draht-Messung. Die Verdrillung stellt sicher, dass beide Drähte nahezu identischen äußeren Einflüssen ausgesetzt sind.

Differenzieller Eingang


Abbildung 2.
Grundlegende Konfiguration des differenziellen Eingangs


Gleichtaktspannung und Gleichtaktspannungsbereich
Der hauptsächliche Unterschied zwischen einer single-ended und differenziellen Konfiguration der Eingänge ist die gemeinsame Verbindung (aka Gleichtakt) der analogen Spannungseingänge.

Multikanalmessungen in Single-ended-Konfiguration setzen eine gemeinsame Referenzspannung bzw. einen gemeinsamen Bezugspunkt voraus, damit bestimmte Arten von Messfehlern verhindert werden. Bei den meisten Single-ended-Messgeräten muss dieser gemeinsame Bezugspunkt die Masseverbindung sein, die mit dem Computer hergestellt wird. Dies macht die Messung anfällig sowohl für elektromagnetische Störungen, als auch für Rauschen im Ground der Signalquelle.

Abbildung 3 zeigt eine Single-ended-Konfiguration mit der Gleichtaktspannung (Vcm). Jeder Spannungsunterschied zwischen Ground g1 und Ground g2 kommt im Eingangsverstärker als fehlerhafter Signalanteil an. Falls ein optimaler Erdungspunkt für Single-ended Eingänge nicht verfügbar ist, wird eine differenzielle Konfiguration zwingend erforderlich.

Single-ended-Konfiguration der Eingänge mit Gleichtaktspannung


Abbildung 3:
Single-ended-Konfiguration der Eingänge mit Gleichtaktspannung


Eine differenzielle Konfiguration der Eingänge ist widerstandsfähiger gegen EMV-Einflüsse als eine Single-ended-Konfiguration, da differenzielle Anschlüsse Gleichtaktspannungen neutralisieren bzw. ignorieren können und die Differenz zwischen den zwei Anschlusspunkten messen. Konstante Spannungen oder Spannungsspitzen in der Gleichtaktspannung können unterdrückt werden.

Differenzielle Konfiguration der Eingänge mit Gleichtaktspannung


Abbildung 4.
Differenzielle Konfiguration der Eingänge mit Gleichtaktspannung

Vcm wird in einer differenziellen Konfiguration der Eingänge ignoriert, jedoch nur innerhalb des sogenannten Gleichtaktspannungsbereiches (Common Mode Range). Ein Verstärker im Differenzmodus besitzt üblicherweise einen Gleichtaktspannungsbereich von ±10 V. Die Gleichtaktspannung plus die Signalspannung (Vcm + Vs) muss innerhalb dieses Bereiches liegen.

Der Gleichtaktspannungsbereich von ±10 V wird in Abbildung 5 dargestellt.

Gleichtaktspannung


Abbildung 5.
Gleichtaktspannung Vcm = +4 V


Das Eingangssignal kann nicht gemessen werden, falls es größer als 10 V gegenüber AGND ist, selbst im differenziellen Modus. Das Gerät kann beispielsweise eine Spannungsdifferenz von 1 V zwischen 13 V und 14 V nicht messen aufgrund der Beschränkung des Gleichtaktspannungsbereiches auf ±10 V.

Erdung des Messsystems und Isolation
Bei der Entscheidung, wie das Signal an das Messgerät angeschlossen werden soll, müssen bezüglich des Massebezugspunktes drei Fälle betrachtet werden:

  • Falls der Eingang des Messgerätes und die Signalquelle einen gemeinsamen Bezugspunkt teilen, kann die Signalquelle direkt mit dem Gerät verbunden werden.
  • Besteht ein Spannungsversatz (AC und/oder DC) zwischen dem Eingang des Messgerätes und der Signalquelle, ist das die Gleichtaktspannung. Abhängig von deren Betrag kann das Gerät direkt mit der Signalquelle verbunden werden. Dieser Fall wird im Abschnitt Systeme unter Gleichtaktspannungen (Offset) erläutert.
  • Falls Messgerät und Signalquelle bereits über isolierte Bezugspunkte verfügen, kann das Gerät direkt mit der Signalquelle verbunden werden.

Systeme mit gemeinsamen Bezugspunkten (Ground)
Im einfachsten Fall besitzen Signalquelle und Messgerät den gleichen Ground. Dies ist häufig der Fall, wenn die Versorgung oder Verstärkung der Signalquelle über das Messgerät erfolgt. Wenn die Konfiguration des Systems unter der Annahme eines gemeinsamen Bezugspunktes erfolgt, kann jeder Unterschied zwischen den Bezugspunkten von Gerät und Signal eine Fehlerspannung darstellen.

Sind Signalquelle oder Sensor nicht direkt mit AGND des Messgerätes verbunden, sollte angenommen werden, dass kein gemeinsamer Ground-Bezug vorhanden ist, selbst wenn ein Voltmeter 0,0 V anzeigt. Konfigurieren Sie das System so, als ob ein Potentialunterschied zwischen Signalquelle und Messgerät bestehen würde – besonders dann, wenn Sie eine hohe Verstärkung verwenden. Potentialunterschiede im Millivolt-Bereich reichen aus, um Fehler zu generieren, können von einem Voltmeter jedoch nicht erfasst werden.

Systeme unter Gleichtaktspannungen (Offset)
Die häufigsten Erdungssituationen schließen Bezugspunkte ein, die irgendwie miteinander verbunden sind, bei denen jedoch ein Spannungsversatz (Offset) zwischen Messgerät und Signalquelle auftritt. Diese Versatzspannung kann eine Wechsel- oder Gleichspannung oder eine Kombination aus beidem sein. Der Offset kann verschiedene Gründe haben, wie Einfluss von EMV oder Leitungswiderstände. Mit Ground-Offset wird ein solches System besser beschrieben, der Begriff Gleichtakt (Common Mode) hat sich jedoch eingebürgert und wird deshalb in diesem Dokument verwendet.

Kleine Gleichtaktspannungen: Ist der Potentialunterschied zwischen Signalquelle und Messgerät gering, überschreitet die Kombination aus Potentialdifferenz und Eingangssignal den zulässigen Gleichtaktspannungsbereich von ±10 V nicht. Genauer gesagt, muss die maximale Eingangsspannung plus der Potentialunterschied innerhalb von ±10 V liegen. Dieses Signal ist kompatibel mit dem Messgerät und das System kann in einer differenziellen Konfiguration ohne zusätzliche Signalkonditionierung angeschlossen werden. Die meisten Systeme fallen glücklicherweise in diese Kategorie und besitzen eine geringe Potentialdifferenz.

Große Gleichtaktspannungen: Ist der Potentialunterschied zwischen Signalquelle und Messgerät groß genug, überschreitet die Kombination aus Potentialdifferenz und Eingangssignal den zulässigen Gleichtaktspannungsbereich von ±10 V. In diesem Fall kann das Messgerät nicht direkt mit der Signalquelle verbunden werden. Ändern Sie die Ground-Bezugspunkte oder statten Sie das System mit isolierender Signalkonditionierung aus.

Nehmen Sie mit unserem Technischen Vertrieb Kontakt auf und klären Sie die Möglichkeiten zur Signalkonditionierung.

Vorsicht! Meiden Sie den Schutzkontakt einer Wechselspannungs-Steckdose. Steckdosen können große und grundsätzlich gefährliche Potentialdifferenzen aufweisen. Bedenken Sie, dass die Schutzleiter von 230V-Steckdosen an unterschiedlichen Stellen des Raumes über einen entfernten Schaltschrank miteinander verbunden sein können. Dies birgt die Möglichkeit, dass die Schutzkontakte eine erhebliche Potentialdifferenz aufweisen können – insbesondere, wenn die 230V-Steckdosen auf verschiedenen Phasen liegen.

Messgerät und Signalquelle besitzen isolierten Ground
Manche Signalquellen sind bereits elektrisch vom Messgerät isoliert. Abbildung 6 zeigt ein isoliertes System. Diese Signalquellen sind häufig batteriebetrieben oder entstammen komplexen Geräten. Systeme mit isoliertem Ground bieten eine ausgezeichnete Leistung, erfordern jedoch Sorgfalt für einen optimalen Betrieb. Im TechTipp: Signalanschluss an analoge Eingänge (Teil 2) erfahren Sie mehr darüber.

Signalquelle und Messgerät


Abbildung 6.
Signalquelle und analoges Messgerät teilen einen gemeinsamen Ground über einen Single-ended Eingang


Weitere Informationen
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