4-20mA in 0-2,5V ADC

[Neu (Gast)]

Hallo Leute,
ich hab mal ein Fragen und hoffe ihr könnt mir hier weiterhelfen.
Es geht um die Wandlung von 4-20mA in eine Spannung die vom ADS8341 von 
TI digitalisiert wird.
Bisher wurde das mit dem RCV420 gemacht, dieser gibt 0-5V aus welche mit 
einem Spannungsteiler auf 0-2,5V geteilt werden. Der ADS8341 wird mit 
3,3V versorgt und V_ref ist 2,5V.
Da es den IC nur in DIP gibt und mit zugehöhriger Schutzschaltung recht 
teuer ist, wollte ich es nun mit einem Shunt und Verstärkerschaltung 
probieren. (Siehe Anhang)

Nun zur Frage:
Ich bekomme ja ein Offset rein. Das heißt ich schränke den Bereich für 
die Wandlung von vormals 0-2,5 (also kompletter Bereich) auf 0,45-2,35V 
ein.
Wie kann das in Auflösung, Genauigkeitsverlust oder generell in Bit 
ausdrücken? 0,45 vom unteren Bereich ist ja schon ein fünftel des 
Dynamikbereichs(?) des ADC. Also ich würde gerne am Ende sagen können: 
Die Lösung mit Shunt und OPV bringt nur eine Genauigkeit von sosoviel %, 
bzw ich verliere sosoundviel Bit gegenüber der bisherigen Lösung.

Ich ihr versteht was ich meine, im Prinzip fehlt mir der Rechenweg das 
gescheit auszudrücken.

Link zum Datenblatt des ADC:
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ads8341.pdf

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Neu schrieb:
> Ich bekomme ja ein Offset rein.

Den könntest du schon am OpAmp wieder ausgleichen, so das er am Ausgang 
genau 0V hat bei 4mA durch den Shunt. Am einfachsten mit einem Trimmer 
am -Eingang.

Neu schrieb:
> Das heißt ich schränke den Bereich für
> die Wandlung von vormals 0-2,5 (also kompletter Bereich) auf 0,45-2,35V
> ein.

Den Vollausschlag (2,5V bei 20mA am Eingang) kannst du mit einstellbarer 
Verstärkung am OpAmp auch einstellen, dazu kannst einen deiner 
Widerstände für die Verstärkungseinstellung durch einen Trimmer ersetzen 
oder durch Simulation austesten.

Neu schrieb:
> Wie kann das in Auflösung, Genauigkeitsverlust oder generell in Bit
> ausdrücken?

Für einen Single Ended 16-bit ADC wäre der volle Bereich von 0-2,5V der 
Ausgangsbereich von 0 - 65535(0xFFFF). Da du nur den Bereich von 2,35 
minus 0,45 V benutzt (also 1,9V) sind das dann noch 49806 Werte(0xC28E).

[Neu (Gast)]

Ok also um 2,5V am Ausgang zu haben, würde ich rechnerisch R1 auf 8,33k 
erhöhen. Dadurch hätte ich bei 4mA einen Offset von 0,5V zu korrigieren. 
Mache ich das in dem ich per Spannungsteiler von Vref und ggf. 
Impedanzwandler auf den -Eingang gehe? In der Simulation will das nicht 
so recht klappen.

[Jan K. (madengineer)]

Naja es heißt zwar 4-20mA Schnittstelle, aber in der Praxis will man 
aber einen größeren Messbereich haben...
Wenn man unter 4mA misst, dann kann man dadurch einen Kabelbruch oder 
nicht angeschlossenen Transmitter erkennen. Ich habe aber auch schon 
Wegaufnehmer gehabt, die haben am unteren Endanschlag knapp über 3mA 
rausgegeben.
Ebenso gibt es Geräte die eine Messbereichsüberschreitung durch einen 
Strom von 22,5mA anzeigen, dabei springt dann der Ausgangsstrom direkt 
von 20 auf 22,2mA um diesen Fehler anzuzeigen.
Beim Thema Überstrom wäre auch der Kurzschlussfall interessant.. Was 
passiert zum Bespiel bei einem Kurzschluss? Da liegen dann 12V oder 24V 
direkt an deinem Eingang an. Wenn du mehr als 20mA messen kannst, so 
erkennst du auch hier den Fehler durch einen erhöhten Wert am ADC.
Das Problem ist nur die Verlustleistung am Shunt und die Überspannung am 
ADC oder Opamp.

[Neu (Gast)]

Hi Jan,
ja ok sehe ich ein. Trotzdem ist denke ich der Bereich noch zu groß.
49806/65535=76%. Heißt das ein Viertel meiner Auflösung oder Genauigkeit 
geht verloren?
Hatte überlegt danach noch ein ISO122 zur Trennung zu schalten. Oder 
vorne mittels Optoswitch bei <3mA und >23mA zu trennen.

Aber trotzdem bekomme ich das mit dem Offset abziehen noch nicht hin. 
Könnt ihr mir dazu nochmal einen Tipp geben?

[Joe F. (easylife)]

Neu schrieb:
> Trotzdem ist denke ich der Bereich noch zu groß.
> 49806/65535=76%. Heißt das ein Viertel meiner Auflösung oder Genauigkeit
> geht verloren?

Wenn dein ADC 0-2.5V messen kann, heisst das bei "nur" 49806 Schritten, 
dass dein Signal ein Rauschen von max. 50uV (m i k r o Volt) nicht 
überschreiten darf (bzw. ein Signal-to-noise Abstand von -94dB erreicht 
werden muss).
Das ist in der Praxis gar nicht so einfach hinzubekommen...

[Neu (Gast)]

Ok genau diese Aussage suche ich. Wie hast du die Rechnung gemacht? Da 
stehe ich irgendwie noch auf dem Schlauch. Also ich hab ja eine 
Auflösung von 2,5V/2^16=38µV. Wie passt das mit den 50µV zusammen. Mir 
fehlt da noch die Verbindnug. Kannst du deinen Rechnenweg posten?

[Helmut K. (hk_book)]

Bevor hier weiter über µV und 14-16 Bit Auflösung/Genauigkeit diskutiert 
wird: welche Genauigkeit bzw. Messunsicherheit hat denn dein Sensor (was 
immer für einer das ist) und dessen Umsetzung seines Messwertes in die 
4-20mA? Ist diese Anfang der Messkette denn besser als ±0,1%? Wie sieht 
es mit dem TK aus? Und mit der Langzeitstabilität? Wie "gut" ist dein 
Bürdenwiderstand? Macht es da überhaupt Sinn, über 10E-4 und kleiner zu 
debattieren?

[Neu (Gast)]

Helmut K. schrieb:
> Macht es da überhaupt Sinn, über 10E-4 und kleiner zu
> debattieren?

Genau das möchte ich ja rausfinden. Im Prinzip können da alle möglichen 
Sensoren ran. Die bisherige Lösung mit dem RCV420 ist glaube mit 0,1% 
(oder wars 1%) Genauigkeit angegeben.
Ich möchte nun nachrechnen wie dem gegenüber die Lösung mit Shunt+OPV 
steht.
Also jetzt mal rumgesponnen: Mit 0,1% Widerstand und der 
Bereichseinschränkung (0,45-2,35V) ergibt sich ein Unterschied von 3 Bit 
oder soundsoviel % bzw. ein maximaler Fehler von soundsoviel µV.
Also diese Rechnung fehlt mir.

[Joe F. (easylife)]

Neu schrieb:
> Also diese Rechnung fehlt mir.

Ja, dann mache sie halt.
Nimm deinen Shunt, rechne 0.1% oder 1% auf den Widerstandswert, und 
errechne die Spannung.
Dann ziehst du 0.1 oder 1% ab, und errechnest die Spannung....
Die Differenz dieser Spannungen setzt du ins Verhältnis zu deinem 
Messbereich.

[Joe F. (easylife)]

Man kann es sich auch noch einfacher machen:

7 Bit bedeutet, du hast Werte zwischen 0 und 127.
Eine 1% Abweichung des Messwertes wirkt sich also grob überschlagen auf 
das 7. Bit aus.

10 Bit = Werte zwischen 0 und 1023
Eine 0.1% Abweichung wirkt sich also auch grob überschlagen auf das 10. 
Bit aus.

Um den halben Wertebereich von 16 Bit abzubilden, reichen 15 Bit.

D.h. du bist mit 15 Bit noch um Dimensionen besser, als 10 Bit, die bei 
einer 0.1% Genauigkeit erforderlich wären.

Insofern ist der "Verlust" durch den unteren Offset komplett 
vernachlässigbar.