Batteriemonitor mit Dual Slope Wandler

H.Stockhoff

Dieser Artikel nimmt am Artikelwettbewerb 2012/2013 teil.

Der Dual Slope Wandler wird häufig in Vielfachmessgeräten eingesetzt, da dieser kostengünstig in der Fertigung ist, und eine relativ hohe Auflösung bietet. Ein Beispiel für ein IC nach dem Dual Slope Wandler Prinzip ist der ICL7107 der Firma Intersil. Das Verfahren basiert auf dem Vergleich zwischen einer integrierten Mess- und Referenzspannung. Es arbeitet also mit zwei Rampen. Daher wird dieses Verfahren auch Zweirampenverfahren oder Dual Slope genannt.

Allgemeines

Der Dual Slope Wandler setzt sich im grundlegenden aus einem Integrator und einem nachfolgenden Komparator zusammen. Eine Steuerlogik legt die entsprechenden Signale an den Eingang des Integrators. Ein Zähler, der mithilfe des Komparators gestartet und gestoppt wird, misst die am Integrator angelegten Messsignale aus und stellt dann einen Wert in Form eines Zählerstandes zur Verfügung. Der Wert des Timers ist der Mittelwert der angelegten Messspannung über die Messzeit. Daher können mit diesem Wandler Genauigkeiten von bis zu 0,01% erreicht werden.

Abbildung 1 : Dual Slope Wandler

Anhand der nebenstehenden Schaltung kann die Funktion des Wandlers noch einmal verdeutlicht werden (Abbildung 1).

Funktion

Zu Beginn sind die Schalter S1 und S2 geöffnet. Schalter S3 ist geschlossen. So wird der Integrationskondensator kurzgeschlossen und entladen. Im nächsten Schritt wird der Schalter S3 geöffnet und der Schalter S1 geschlossen. Es wird nun die zu messende Spannung am Integrator angelegt und aufsummiert. Der Vorteil des Integrators ist, dass der Integrationskondensator mit einem konstanten Strom geladen wird. Dadurch ergibt sich eine lineare Aufladung des Kondensators C. Die Spannung am Ausgang des Integrators besitzt eine umgekehrte Polarität, da die Eingangsspannung an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers gelegt wird. Da die Spannung am invertierenden Eingang des Komparators nun kleiner als 0V ist, gibt er das Tor frei(UND-Gatter). Das Signal wird nun so lange integriert, bis der Zähler einmal übergelaufen ist. Anschließend wird die Referenzspannung (umgekehrtes Vorzeichen zur Messspannung) an den invertierenden Eingang des Integrators angelegt. Dazu wird der Schalter S1 geöffnet und der Schalter S2 geschlossen. Die Spannung am Kondensator C des Integrators wird abintegriert. Sie sinkt linear, da auch hier der Kondensator C mit einem konstanten Strom geladen bzw. in diesem Fall entladen wird. Zu diesem Zeitpunkt gibt der Komparator das Tor noch frei, da die Spannung am invertierenden Eingang über ein Potential kleiner als 0V verfügt. Wenn der Kondensator nun so weit entladen bzw. aufgeladen ist und er das 0V Potential überschreitet, sperrt der Komparator das Tor. Er gibt dann ein negatives Signal am Ausgang aus. Somit ist die Messung beendet. Anschließend wird durch die Steuerschaltung der Schalter S2 wieder geöffnet. Um eine gleiche Anfangsbedienung vor jeder Messung zu bekommen, wird der Kondensator C wieder entladen. Dazu wird der Schalter S3 geschlossen. Der Kondensator C ist kurzgeschlossen.

Im nächsten Schritt kann mithilfe des Wertes des Zählers die gemessene Spannung Ue ermittelt werden. Dazu bediene ich mich der Formel für die Aufladung des Integrators über die Zeit t1:

mit τ=R∙C

UI : Spannung am Integrator t1 : Zeit der Integration der Eingangsspannung Ue : Eingangsspannung des Integrators

Das Prinzip des Dual Slope Wandlers besteht darin, die Mess- und Referenzspannung (Ue, Uref) zu integrieren. Die Referenzspannung wird mit der Anfangsbedingung UI0 integriert, da sie nach dem Anlegen der Messspannung aufsummiert wird. Da ich eine zeitlich konstante Spannung integriere, gilt der Sonderfall für die Berechnung der Spannung UI des Integrators:

mit τ=R∙C

Ue : Eingangsspannung des Integrators UI : Spannung am Integrator UI0 : Anfangsbedingung des Integrators (Anfangsspannung an UI) t : Zeit der Integration

Die Zeit t setzt sich zusammen aus dem maximalen Zählerstand Nmax und der Periode T.

Somit ist

mit τ=R∙C  Da beide zu integrierenden Spannungen entgegengesetzte Vorzeichen besitzen, ist die Summe beider Spannungen null. Es gilt:

   Integration		       	Integration
   der Messspannung       	       	der Referenzspannung

Wird diese Gleichung vereinfacht erhält man:

Durch diese Gleichung kann mithilfe des aus dem Zähler erhaltenen Wertes die Eingangsspannung des Integrators berechnet werden. Dazu ist die Gleichung nach Ue aufzulösen:

Gut zu sehen ist, dass weder die Periode T bzw. die Taktfrequenz , noch die Zeitkonstante τ des RC-Gliedes mit in die Rechnung einfließen. Dies ist ein spezielles Merkmal des Dual Slope Wandlers. Wird ein Dual Slope Wandler aufgebaut, ist auf den Typ des Operationsverstärkers zu achten. OPs, aufgebaut aus bipolaren Transistoren, besitzen meist hohe Bias Ströme. Diese führen dazu, dass die Aufladung des Kondensators beeinflusst wird. So werden sich die Bias Ströme auf den Kondensator durch die lange Aufladung aufsummieren und das Messergebnis verfälschen. Es sollte daher ein Operationsverstärker mit geringen Bias Strömen gewählt werden, damit die Aufladung des Kondensators nicht beeinflusst oder gar verfälscht wird. Dazu eignen sich meistens OPs mit einem internen FET-Aufbau. Sie besitzen oft kleine Bias Ströme von wenigen Pikoampere (Diese können dann vernachlässigt werden). Somit müssen bei FET-Operationsverstärkern lediglich die Offsetspannungen kompensiert werden, um ein korrektes Ergebnis zu erhalten.

Downloads

• Sourcecode
• Schaltplan

Siehe auch

• Bebilderung von Artikeln
• Forum: Diskussion zu diesem Projekt
• Link zu anderem Projekt

Am Ende des Artikels erfolgt eine Einsortierung in Artikel-Schublade(n), auch Kategorie(n) genannt. Damit ist Dein Artikel leichter auffindbar.

Such aus den vorhandenen Kategorien diejenige(n) aus, die am besten auf den Artikel passen. Kategorie:Wettbewerb wird durch die Vorlage {{Wettbewerb Header}} automatisch eingebunden und muss nicht angegeben werden!