Messung von differentiellen Signalen mit hohem Gleichtaktoffset

Es gibt Sensoren, die zur Speisung der sensor-internen Elektronik einen Offsetspannung benötigen, aus der sich die Sensorelektronik versorgt und ein differentielles Ausgangssignal bereitstellen kann.

Beispiele:

In diesem Ausgangssignal ist die dynamische Signalinformation der physikalischen Eingangsgröße in Frequenz und Amplitude enthalten, die der Sensor mit seiner Empfindlichkeit („Sensitivity“) in ein elektrisch messbares Signal übersetzt.

48 V Phantomspeisung

Eine Sonderform stellt die Phantomspeisung dar. Auf das Mikrofon angewendet, ermöglicht es die Ausgabe eines differentiellen Ausgangssignals bzw. eine differentielle Messung als auch zweier single-ended Signale mit Massebezug:

Messung von differentiellen Signalen mit hohem Gleichtaktoffset 1:Abb.68: Schaltung einer 48 V Phantomspeisung für Mikrofone

Die Widerstände R dienen zum Entkoppeln der Leitungen Phase + / Phase -, damit kein Kurzschluss zwischen beiden Leitungen entsteht. Das Ausgangssignal wird an einen differentiellen Messeingang angeschlossen, der für Spannungsmessung im mV-Bereich ausgelegt ist.

Beispiel: Zwei vom Mikrofon gelieferte differentielle Signale von ±40 mV Amplitude (Peak-Peak: ±80 mV), einer Frequenz von 500 Hz und einer Offsetspannung (Phantomspannung) von 48 V wird als einzelne Signale Phase+/Phase- gemessen:

Messung von differentiellen Signalen mit hohem Gleichtaktoffset 2:Abb.69: Differentielles Signal mit 48 V Phantomspeisung, 500 Hz

Werden die Signale Phase+ und Phase- an einem differentiellen Eingang verwendet, liegt die Differenz der beiden Signal an und werden als analoges Signal mit einer Amplitude von 80 mV (Peak-Peak: 160 mV) erfaßt/ man beachte die Verringerung der Spannungshöhe:

Messung von differentiellen Signalen mit hohem Gleichtaktoffset 3:Abb.70: Differentielles Signal ohne 48 V Phantomspeisung, 500 Hz

Die Spannung von 48 V gegen Erde ist bei dieser differentiellen Messung nicht zu betrachten, da es eine Gleichtaktspannung ist, die auf beiden Eingangskontakten anliegt. Zu beachten ist jedoch, dass das Messgerät eine galvanische Entkopplung zwischen Messeingang und Erde (SGND, Hutschiene bzw. Gehäuse bei ELM3xxx) besitzen sollte. Eine galvanische Trennung zwischen Messkanälen ist ebenfalls zu empfehlen, damit pro Kanal ein eigener interner analoger GND (AGND) vorhanden ist und sich nicht über mehrere Kanäle die AGND gegenseitig beeinflussen können. Bei Messeingängen mit gemeinsamen AGND in Kombination mit Eingangssignalen kann die 48 V Phantomspeisung zu unzulässig hohen Potentialverschiebungen führen, die die Messeingänge dauerhaft schädigen können.

Beispiele für Klemmen mit galvanisch getrennten Kanälen (Stand 2026-01):

Hinweis

Gerätedokumentation ist allein maßgebend

Die Werte sind ggf. verkürzte Auszüge aus der jeweiligen Dokumentation, welche maßgeblich und zur detaillierten Analyse empfohlen ist.

Vergleich der Potentialgruppen

Bei dem Vergleich der Potentialgruppen wird deutlich, dass die Messeingänge bei isolierten Klemmen im Gegensatz zu Messtechnikklemmen mit gemeinsamen AGND‑Potentialen vollständig getrennt sind:

Messung von differentiellen Signalen mit hohem Gleichtaktoffset 4:

Bei der ELM3102-0100 existiert nur eine kapazitive Kopplung zum SGND, die AGND‑Potentiale sind getrennt:

Messung von differentiellen Signalen mit hohem Gleichtaktoffset 5:

Bei ELM300x-0000 und anderen Klemmen besteht eine Kopplung über einen gemeinsamen AGND sowie eine kapazitive Kopplung an SGND:

Messung von differentiellen Signalen mit hohem Gleichtaktoffset 6:

IEPE-Sensoren und gemeinsame AGND‑Potentiale

Bei IEPE-Sensoren wird eine Konstantstromspeisung verwendet, bei der sich der Sensor ausgangsseitig nach dem Einschwingvorgang ohne externe dynamische Beschleunigung (a = 0) auf die im Sensordatenblatt spezifizierte Bias-Spannung einstellt. Diese bewegt sich üblicherweise im Bereich 8…12 V. Die dynamische Spannungsänderung am Sensorausgang, die der Senor aufgrund der auf ihn einwirkenden Beschleunigung und seiner Sensorempfindlichkeit erzeugt, liegt bei je nach Sensor bei ±5…10 V. Damit ergibt sich ein gesamter Spannungspegel von ca. 0…20 V. Aus Sicht der AGND‑Potentiale bei den zugehörigen Messtechnikklemmen wie ELM360x-000x ist keine galvanische Trennung zwischen den Kanälen erforderlich, da durch die Speisung aus der Klemme keine Potentialverschiebungen > 20 V hervorgerufen werden können.