Signalkonditionierung IC gleicht toleranzbehaftete Sensordaten an standardisierte Schnittstellenprotokolle an

Bei der Fertigung von Sensorelementen führen Toleranzen und Prozessschwankungen dazu, dass die elektrischen Parameter und Eigenschaften der Sensoren uneinheitlich sind. Deshalb müssen Sensoren konditioniert und kalibriert werden, um sie an Standardschnittstellen verwenden zu können. Diese Aufgabe übernimmt ein SSC-Baustein (Sensor Signal Conditioner). Wie, das zeigt dieser Beitrag.

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In der Praxis steht eine Vielzahl von Sensoren verschiedenen Schnittstellen gegenüber, deren Kombination zu einer Vielfalt von SSC-ICs führen würde. Lösen lässt sich dieses Problem nur durch konfigurierbare Schaltkreistypen, die sich an die verschiedenen Sensoren, Messverfahren und Schnittstellen anpassen lassen.

Klassifizierung von Sensor-Signal-Conditioner-ICs

Eine Unterscheidung von SSC-ICs kann nach dem mathematischen Verfahren der Konditionierungsrechnung vorgenommen werden. Während vor einigen Jahren noch die Verfahren Summing Junction und Lookup Table überwogen, dominiert aktuell die Polynomapproximation mit folgenden Vorteilen: das Ausgangssignal ist im Parameterfeld der Eingangsgrößen stetig und die Kalibrierung ist als Lösung eines Gleichungssystems oder als Ergebnis eines Optimierungsverfahrens (z.B. Least Square Fit) realisierbar. Im Ergebnis werden bei geringeren Kalibrierkosten höhere Endgenauigkeiten erzielt.

Die klassische DSP-Grundstruktur ADC-μC-DAC ist am Blockschaltbild eines digitalen SSC-ICs (hier der ZMD31150 der Firma ZMDI) zu erkennen:

• das analoge Frontend (AFE) zur Impedanzanpassung des Sensors, Vorverstärkung (PGA) und AD-Umsetzung,
• den Calibration Micro Controller (CMC), einem 16-Bit-RISC-Controller und
• den DAC mit nachgeschaltetem Ausgangsbuffer. Der gezeigte Chip arbeitet mit Polynomapproximation.

Für eine Sensorklasse, z.B. resistive Sensoren, wird eine Anforderungsmarix für das AFE und die digitale Signalkonditionierung erstellt. Abgeleitet aus dieser Matrix spezifiziert man eine Kernbaugrupe, die dann mit verschiedenen Interfaces ausgestattet wird, um die geforderten Kommunikationsprotokolle und Ausgangsschnittstellen darstellen zu können. Der entscheidende Vorteil für den Anwender ist, dass er ein gleiches Look-and-Feel für den Core hat und sich in das AFE, die Kalibrierung und das Applikation-Kit nur einmal einarbeiten muss.

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