Lernfeld 6 · Prüfung Teil 2

Analoge Schnittstellen und Wandler

Einheitssignale 4 bis 20 mA und 0 bis 10 V, Bürde, A/D- und D/A-Wandler, Auflösung und Skalierung von Rohwerten.

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Darum geht es

Analoge Sensoren liefern ihren Messwert meist als Einheitssignal. Beim Stromsignal 4 bis 20 mA entspricht der Messbereichsanfang 4 mA; ein Strom von 0 mA zeigt einen Drahtbruch oder eine fehlende Versorgung. Weil der Messumformer den Strom einprägt, verfälscht der Leitungswiderstand den Messwert nicht, solange die zulässige Bürde eingehalten ist. Spannungssignale 0 bis 10 V sind einfacher, aber empfindlicher gegen Spannungsfall und Einkopplung.

Der A/D-Wandler teilt seinen Eingangsbereich in 2 hoch n Stufen. Die Spannung je Stufe (LSB) bestimmt die Auflösung, der Rundungsfehler beträgt höchstens ein halbes LSB. Steuerungskarten stellen den Nennbereich oft als festen Rohwert dar, etwa 0 bis 27648, und das Programm rechnet ihn in die physikalische Größe um.

Bei der Umrechnung wird zuerst der Anteil am Messbereich gebildet, dann mit dem Messbereich multipliziert und der Anfangswert addiert. Gegen Störungen helfen geschirmte, verdrillte Leitungen, getrennte Verlegung, Differenzeingänge und bei Potentialunterschieden galvanische Trennung.

Das solltest du dir merken

Bei 4 bis 20 mA liegt der Messbereich auf 16 mA, 0 mA bedeutet Fehler.
LSB gleich Eingangsbereich durch 2 hoch n.
Die Bürde begrenzt den Widerstand von Leitung und Auswertung.
Rohwert immer über den Anteil am Nennbereich umrechnen.

Formeln

Messwert aus dem Stromsignal: $x = x_{min} + \frac{I - 4 mA}{16 mA} \cdot (x_{max} - x_{min})$
Auflösung eines A/D-Wandlers: $U_{LSB} = \frac{U _{ref}}{2 ^{n}}$
Höchste Bürde: $R_{B} = \frac{U _{S} - U _{min}}{20 mA} - R_{L}$

Typische Fehler in der Prüfung

Den Nullpunkt 4 mA vergessen und mit 20 mA als Bereich gerechnet.
2 hoch n Stufen mit n Stufen verwechselt.
Bei negativen Messbereichsanfängen den Anfangswert nicht addiert.

Tipps aus der Werkstatt

Beim Einheitssignal 4 bis 20 mA liegt der Messbereich auf 16 mA. Wert = (I − 4 mA) / 16 mA mal Messbereich. 0 mA heißt nicht „Messwert null“, sondern Drahtbruch oder fehlende Versorgung.

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15 Aufgaben zu „Analoge Schnittstellen und Wandler“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

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Grundlage: KMK-Rahmenlehrplan Elektroniker/-in für Informations- und Systemtechnik, Lernfeld 6; NAMUR NE 43 sinngemäß. Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.