Izolowane moduły pomiarowe prądu i napięcia z interfejsem Grove

W obu modułach zastosowano izolowane wzmacniacze z serii AMC33xx firmy Texas Instruments, których budowę wewnętrzną przedstawiono na rysunku 1.

Rysunek 1. Budowa wewnętrzna układów z serii AMC33xx (za notą TI)

Idea działania układu jest prosta (w przeciwieństwie do praktycznej realizacji). Mierzony sygnał różnicowy doprowadzony jest do wejścia modulatora sigma-delta (ΔΣ). Modulator wykorzystuje napięcie odniesienia oraz generator zegarowy do przetwarzania sygnału analogowego na cyfrowy ciąg bitów, który poprzez wysokonapięciowe kondensatory izolacyjne przekazywany jest na wtórną stronę izolatora, a stąd, już po odpowiedniej filtracji, trafia na analogowe wyjście różnicowe. Układ uzupełnia izolowana przetwornica DC/DC zasilająca stronę pierwotną, co znacząco ułatwia aplikację. Rodzina izolatorów składa się z kilku układów zoptymalizowanych pod kątem pomiaru napięcia:

• AMC3330 – bufor wejściowy charakteryzuje się wysoką impedancją wejściową i niskim prądem polaryzacji, co zapewnia bezpośrednią współpracę z rezystorowymi dzielnikami napięcia przy czułości wejścia ±1 V,
• AMC3302 – wersja zoptymalizowana do pomiaru prądu z czułością ±50 mV zapewniającą bezpośrednią współpracę z bocznikami, przy zapewnieniu niewielkiej mocy strat,
• bliźniacze układy AMC3336 (do pomiaru napięcia) i AMC3306M05 (do pomiaru prądu), w których pominięto filtr wyjściowy, a sygnał z modulatora, taktowany zewnętrznym zegarem, dostępny jest na wyjściu cyfrowym.
• AMC3306M25 – wersja o mniejszej czułości i zakresie napięcia wejściowego ±250 mV.

Schemat blokowy układów AMC33x6 przedstawiono na rysunku 2. Wszystkie układy mogą być zasilane napięciem stałym w zakresie 3,3...5 V i pobierają moc poniżej 0,25 W. Użyteczne pasmo przenoszenia samego izolatora sięga 300 kHz.

Rysunek 2. Budowa wewnętrzna układów z serii AMC33x6 z wyjściem cyfrowym (za notą TI)

Schemat modułu pomiaru napięcia przedstawiono na rysunku 3.

Rysunek 3. Schemat izolowanego modułu pomiaru napięcia

Moduł wykorzystuje układ AMC3330 w typowej aplikacji. Napięcie wejściowe z obwodu pomiarowego doprowadzone jest do zacisków gniazda UI, skąd przez dzielnik R1x, R2x, RI doprowadzone jest do analogowego wejścia różnicowego modulatora. Zalecana wartość rezystancji RI wynosi 10 kΩ, a prąd dzielnika 100 μA – na tej podstawie należy dopasować dzielnik do przewidzianego zakresu pomiarowego. Układ ma wzmocnienie całkowite 2 V/V. Model dostosowany został do pomiaru napięcia na wyjściu wzmacniacza audio dużej mocy i oferuje zakres pomiaru do 120 V (pary rezystorów R1x/R2x = 510 kΩ + 82 Ω + 3 kΩ). Kondensator C1 jest elementem filtra wejściowego i należy dobrać go w zależności od użytecznego pasma przenoszenia przetwornika. Dławiki ferrytowe FB1...3 zapewniają filtrację składowych sygnału pomiarowego o wysokiej częstotliwości oraz zakłóceń z modulatora, które mogłyby propagować z układu. Pozostałe elementy odsprzęgają zasilanie układu. Sygnały wyjściowe i zasilanie wyprowadzone zostały na złącze OUT. W przypadku zastosowania układu AMC3330 z wyjściem różnicowym, sygnały OPCKI/ONSDO odniesione są do napięcia Vcmout=1,44 V. Jeżeli zastosowany przetwornik ADC nie ma możliwości pomiaru napięć różnicowych, układ należy połączyć konwerterem zgodnie z notą aplikacyjną układów AMC33xx, wraz z ewentualną dodatkową filtracją sygnału. Moduł pomiaru napięcia umożliwia (bez zmian) zastosowanie także układu z wyjściem cyfrowym (AMC3336), w tym przypadku sygnał OPCKI jest wejściem sygnału zegarowego, a linia ONSDO – wyjściem strumienia danych. Stosowanie układów z wyjściem cyfrowym wymaga obróbki sygnału pomiarowego, tj. dekodowania i filtracji na drodze programowej, przykładowo procesorem DSP, w zamian ułatwiona jest synchroniczna akwizycja danych, niewymagająca wielokanałowego przetwornika ADC z jednoczesnym przetwarzaniem.

Schemat ideowy drugiego modułu – przeznaczonego do pomiaru prądu – przedstawiono na rysunku 4.

Rysunek 4. Schemat izolowanego modułu pomiaru prądu

Moduł bazuje na układzie AMC3302 w typowej aplikacji. Prąd z obwodu pomiarowego doprowadzony jest do zacisków 1,2 gniazda CIN. Spadek napięcia na boczniku RI1, RI2, poprzez filtr R1, R2, C1 oraz dławiki FB1 i FB2, doprowadzony jest do wejścia różnicowego układu U1. Zakres pomiarowy AMC3302 wynosi ±50 mV, zaś całkowite wzmocnienie wynosi 41 V/V. Bocznik należy dobrać w zależności od zakresu pomiarowego, pamiętając o odpowiednim zapasie mocy rezystorów i ich tolerancji. Zdecydowanie zalecane jest stosowanie rezystorów metalowych, przeznaczonych do boczników pomiarowych. Pozostałe elementy pełnią identyczne funkcje, jak w opisanym wcześniej module pomiaru napięcia. W przypadku zastosowania zewnętrznego bocznika, należy rozewrzeć zworę ZW i doprowadzić sygnał masy HGND bezpośrednio do wyprowadzenia (IN) bocznika. Sygnały wyjściowe i zasilanie wyprowadzono na złącze OUT. W przypadku zastosowania układu AMC3302 z wyjściem różnicowym, sygnały OPCKI/ONSDO odniesione są do napięcia Vcmout=1,44 V.

Także ten moduł umożliwia użycie układu z wyjściem cyfrowym AMC3306M05/M25, bez konieczności dokonywania żadnych modyfikacji sprzętowych – w tym przypadku sygnał OPCKI jest wejściem sygnału zegarowego, a sygnał ONSDO – wyjściem strumienia danych.

Moduły zmontowane są na dwustronnych płytkach drukowanych zgodnych z formatem Grove. Rozmieszczenie elementów przedstawiono na rysunkach 5 i 6.

Rysunek 5. Rozmieszczenie elementów modułu pomiaru napięcia 

Rysunek 6. Rozmieszczenie elementów modułu pomiaru prądu

Montaż układu nie wymaga dokładniejszego opisu. Prawidłowo zmontowane moduły można zobaczyć na fotografii tytułowej. Moduły nie wymagają uruchamiania i po doborze wartości rezystorów pomiarowych/boczników do pożądanego zakresu pomiarowego, są od razu gotowe do pracy.

Przykładowy przebieg uzyskany podczas testowania wyjścia wzmacniacza audio niskopoziomowym sygnałem 1 kHz podłączonym do układu pomiaru napięcia AMC3330, przedstawiono na rysunku 7.

Rysunek 7. Przykładowy pomiar z wykorzystaniem AMC3330

Sygnał różnicowy uzyskano metodą obliczeniową z oscyloskopu, a przebiegi OPCKI, ONSDO są przesunięte o 1,44 V.

Adam Tatuś, EP