I<+>2<+>C-Workshop (Teil 25): A/D-Wandler MCP3424

© Andrey Guryanov, 123RF

Extrem genau

Mit einem A/D-Wandler messen Sie bei Bedarf Spannungen. Der MCP3424 macht dabei konstruktionsbedingt eine gute Figur.

In dieser Ausgabe steht der Analog-Digital-Wandler MCP3424 im Blick, dessen vier Eingangskanäle mit 18 Bit eine extrem hohe Auflösung aufweisen. Das macht ihn zu einem Baustein für Profis, der sich aber genauso gut auch für den Hobbybereich eignet. Für den MCP3424 gibt es sogar ein Kernel-Modul, mit dem Sie ohne viel Aufwand die Messwerte auslesen.

Der MCP3424 kommt mit einem 14-Pin-SOIC- oder TSSOP-Gehäuse. Mit etwas Geschick lassen sich diese Bauformen manuell löten. Dazu besteht aber eigentlich keine Notwendigkeit, da es schon für um die 4 Euro ein Modul [1] mit dem Baustein im Handel gibt (Abbildung 1). Wenn Sie etwas mehr über die kryptischen Bezeichnungen von Gehäusen erfahren wollen, werfen Sie doch einen Blick in den Kasten "Gehäuseformen".

Abbildung 1: Das Modul mit aufgelötetem MCP3424 eignet sich dazu, es direkt auf einem Breadboard zu verbauen.

Gehäuseformen

In diesem Artikel ist von unterschiedlichen Gehäuseformen die Rede. Dual In Line (DIL) im klassischen Rastermaß von 2,54 Millimeter ist vermutlich in der Hobbygemeinde die bekannteste und verbreitetste Bauform für Halbleiterbausteine. Das Rastermaß bezeichnet den Abstand der Beinchen eines Bausteins. Breadboards, wie sie bei vielen Projekten im ersten Anlauf zum Einsatz kommen, um testweise Schaltungen aufzubauen, weisen exakt dieses Maß auf – es galt in der Elektronik viele Jahre als Standard.

Immer kleinere Geräte machten ein neues Rastermaß von 1,27 Millimetern erforderlich. Diese neuere Größe heißt SO, was für Small Outline (kleiner Grundriss) steht. Solche Gehäuse fallen rund 30 bis 50 Prozent kleiner aus als diejenigen der Vorgänger mit DIL. SO-Gehäuse eignen sich nur dazu, sie auf die Platine aufzulöten – man muss also keine Beinchen mehr durch die Platine schieben, was noch einmal Platz auf der Platine spart. Das Verkleinern der Geräte reduziert zudem die Herstellungskosten, da der Materialaufwand geringer ausfällt.

Bei der Gehäuseform Thin-shrink Small Outline Package (TSSOP) beträgt das Rastermaß nur noch 0,65 Millimeter. Diese Bausteine eignen sich gerade noch dazu, sie manuell aufzulöten. Dazu braucht man aber eine wirklich ruhige Hand und gute Augen.

Betrachten Sie das Pinout des MCP3424 (Abbildung 2), dann sehen Sie, dass quasi alle Pins des ICs auf die Anschlüsse des Moduls herausgeführt sind. Bei den zusätzlichen Bauelementen, die Sie auf dem Modul erkennen, handelt es sich um zwei Entstörkondensatoren, zwei Pullup-Widerstände an den I2C-Steuerleitungen sowie zwei Pulldown-Widerstände an Adresse 0 und Adresse 1. Das stellt für die allermeisten Fälle eine sinnvolle Beschaltung dar.

Abbildung 2: Das Pinout des MCP3424.

Adressieren

Der MCP3424 arbeitet mit einer Betriebsspannung zwischen 2,7 bis 5,5 Volt. Die Stromaufnahme liegt im Mikroampere-Bereich und fällt je nach Betriebsmodus unterschiedlich aus. Genaue Informationen dazu finden Sie im Datenblatt [2] des Halbleiters. Der Baustein belegt am I2C-Bus acht unterschiedliche Adressen.

Aufmerksame Leser merken an dieser Stelle auf: Eigentlich lassen sich mit zwei Eingängen keine acht Adressen darstellen. Ein Blick in die Tabelle "Adressen" klärt das Rätsel auf: Der Hersteller erlaubt an den Eingängen nicht nur die logischen Pegel HIGH und LOW, sondern zusätzlich den Zustand unbeschaltet (OPEN) – so gelingt es, acht Adressen abzubilden. Falls Sie den unbeschalteten Zustand verwenden möchten, müssen Sie dazu allerdings die oben erwähnten Pulldown-Widerstände vom Modul entfernen.

Adressen

Adresse 0

Adresse 1

I2C-Adresse

LOW

LOW

0x68h

LOW

OPEN

0x69h

LOW

HIGH

0x6Ah

OPEN

LOW

0x6Bh

OPEN

OPEN

0x68h

OPEN

HIGH

0x6Fh

HIGH

LOW

0x6Ch

HIGH

OPEN

0x6Dh

HIGH

HIGH

0x6Eh

Das Modul wertet die Eingänge für die Adressen nur beim Einschalten der Betriebsspannung aus. Um die Adressen zu ändern, müssen Sie den MCP3424 also vom Strom trennen. Nun sind allerdings auf dem Modul schon Kondensatoren verlötet. Sie puffern die Betriebsspannung länger, als Sie eventuell erwarten würden.

Der einzig sichere Weg, die Adresse des Moduls zu ändern, sieht deshalb folgendermaßen aus: Sie trennen das Modul von der Betriebsspannung und schließen dann die Anschlüsse für die Versorgungsspannung kurz, um die Kondensatoren zu entladen. Dann erst dürfen Sie die Adresse ändern. Vergessen Sie nicht, den Kurzschluss rückgängig zu machen, bevor Sie das Modul wieder mit Spannung versorgen.

Eingänge

Bei den Eingängen des MCP3424 handelt es sich um Differenzspannungseingänge, was den Vorteil bietet, dass Sie damit an jeder beliebigen Stelle einer Schaltung die Spannung zwischen zwei Punkten messen können.

Falls Sie schon einige Erfahrungen mit A/D-Wandlern gemacht haben, kommt Ihnen das vermutlich ungewöhnlich vor. Nach kurzer Überlegung drängt sich aber der Schluss auf, dass diese Art des Messens viel flexibler ist. Benötigen Sie jedoch einen Wandler, der sich so wie die etwas altmodischeren Modelle verhält, können Sie immer noch einen Anschluss des Differenzeingangs auf ein festes Potenzial legen.

Der MCP3424 verwendet eine interne Referenzspannung von 2,048 Volt. Dieser etwas unübliche Wert entspricht exakt seinem Messbereich und den möglichen Messwerten, die der Baustein liefert. Das heißt im Klartext: Die Werte, die Sie aus dem Baustein lesen, entsprechen genau der realen Spannung, Sie brauchen nichts umzurechnen.

Die I2C-Schnittstelle des MCP3424 unterstützt neben der Standardgeschwindigkeit von 100 kHz den Fast-Modus mit 400 kHz und sogar den recht modernen High-Speed-Modus mit 3,4 MHz. Benötigen Sie weitere Informationen, werfen Sie einen Blick ins Datenblatt des MCP3424 [2].

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