Analog-Digital-Wandlung der Fahrspannung vom Handregler (Carrera Autorennbahn)

Die von den kabelgebundenen Handreglern gelieferte Fahrspannung wird von der Steuereinheit der Carrera-Bahn in eine von 16 Fahrstufen umgesetzt. Bei der Festlegung der Schaltschwellen des Analog-Digital-Wandlers betrachten wir zwei Punkte:

Aufteilung der Fahrspannung in diskrete Stufen
Zuordnung von Binärwerten zu den Fahrstufen

Aufteilung der Fahrspannung in diskrete Stufen

Die Fahrspannung besitzt in Abhängigkeit der Toleranzen der Hardware und den aktuellen Einsatzbedingungen unterschiedliche obere Grenzwerte (s.a. Handregler für die Carrera-Bahn). Um in allen Fällen die oberste Fahrstufe zu erreichen, sollte mit einem oberen Grenzwert von maximal 1,7V gerechnet werden. Im folgenden Beispiel wird zugunsten einer einfachen Rechnung von einem oberen Grenzwert von 1,65V ausgegangen.

Wir wollen 15 von Null verschiedene Fahrstufen realisieren. Bei gleichmäßiger Aufteilung der Fahrspannung bedeutet das, 110mV pro Fahrstufe. Die Umschaltpunkte zwischen den Fahrstufen legen wir jeweils mittig zwischen die benachbarten Stufen. Damit ergibt sich folgende Aufteilung:

Fahrstufe		0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
Fahrspannung [mV]	von	0	55	165	275	385	495	605	715	825	935	1045	1155	1265	1375	1485	1595
Fahrspannung [mV]	bis	55	165	275	385	495	605	715	825	935	1045	1155	1265	1375	1485	1595	1650

Zuordnung von Binärwerten zu den Fahrstufen

Die Binärwerte werden ausgehend von einer Referenzspannung ermittelt. Bei Mikrokontrollern vom Typ ATxmega32A4 kann der intern von er Betriebsspannung abgeleitete Wert von 0.625 VCC dafür verwendet werden. Verwendet man eine Betriebsspannung von 3,2V, ergibt sich eine Referenzspannung von 2V. Der interne ADC des Mikrokontrolllers kann das Ergebnis der Wandlung mit acht oder zwölf Bit Breite darstellen.

Die Werte der Fahrspannung sind gegenüber dem Bezugspotential immer positive Spannungspegel. Aus diesem Grund wird in diesem Beispiel die Wandlung im vorzeichenlosen Modus gewählt. Das Ergebnis der Wandlung im ADC wird durch folgende Gleichung beschrieben:

Result =		V_In + 0,1V		• (Top + 1)
		2V

Result ist dabei der binäre Ergebniswert; V_In die aktuelle Fahrspannung und Top der größte darstellbare binäre Wert (255 bei acht Bit Breite und 4095 bei zwölf Bit Breite). Damit lassen sich den 16 Fahrstufen folgende acht Bit breite binäre Werte zuordnen:

Fahrstufe		0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
Binärwert	von	0C_H	14_H	22_H	30_H	3F_H	4D_H	5B_H	69_H	77_H	85_H	93_H	A1_H	AF_H	BD_H	CB_H	D9_H
	von	12	20	34	48	63	77	91	105	119	133	147	161	175	189	203	217
	bis	13_H	21_H	2F_H	3E_H	4C_H	5A_H	68_H	76_H	84_H	92_H	A0_H	AE_H	BC_H	CA_H	D8_H	FF_H
	bis	19	33	47	62	76	90	104	118	132	146	160	174	188	202	216	255