Datenwandler Passt Ihr A/D-Wandler zum vorgesehenen Einsatzzweck?

Analogsensoren erfordern unterschiedliche Frequenzbereiche und Auflösungen. Der Artikel geht auf gängige Sensor-Frequenzbereiche ein und zeigt die Eignung von SAR- und Delta-Sigma-A/D-Wandlern.

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Messgrößen aus der realen Umwelt, also beispielsweise Temperaturen, Drücke, Durchflussraten oder Licht, benötigen in der Regel einem speziellen Sensor, damit ein ökologischer Status oder dessen Veränderung korrekt erfasst werden kann.

Sensoren sind in der Lage, diese physikalischen Größen in einen Widerstand, eine Spannung oder einen Strom umzuwandeln. Ihnen fehlt jedoch die Fähigkeit, die von ihnen ausgegebenen elektrischen Signale in eine digitale Information zu konvertieren, ganz zu schweigen von einer Verstärkung, Filterung, Offsetanpassung oder einer anderen Art elektrischer Signalaufbereitung.

Schaltungsentwickler setzen verschiedene Bauelemente ein, um analoge Signale auf einen Niveau zu bringen, das sich für die nachfolgenden Verarbeitungsfunktionen eignet. Am Ende der Signalkette befindet sich meist ein A/D-Wandler, der die vom Sensor gelieferte Information in das abschließende digitale Resultat verwandelt.

Thema dieses Artikels sind die Frequenzbereiche und die erforderlichen Auflösungen für verschiedene analoge Sensoren. Wir gehen dabei auf die gängigeren Sensor-Frequenzbereiche ein und untersuchen, wie sich SAR- und Delta-Sigma-A/D-Wandler mit ihren spezifischen Fähigkeiten für Sensoren eignen, die Temperaturen, Füllstände, Drücke, Durchflussraten, mechanische Wege und optische Ereignisse erfassen.

Sensoren treffen auf die reale Welt

Die Temperatur ist die am häufigsten gemessene physikalische Größe. Das zu erfassende Temperaturspektrum reicht von den Bedingungen hier auf der Erde bis zu den extrem heißen oder kalten Umgebungen im Weltraum. Es gibt zahllose Sensoren, die auf absolute Temperaturen oder Temperaturänderungen ansprechen. Integrierte Silizium-Sensoren, Thermoelemente, RTDs (Resistive Temperature Devices, Widerstandsthermometer), Thermistoren, Infrarot-Sensoren und Thermosäulen sind nur einige Beispiele.

Wie Bild 1 zeigt, ändert sich die tatsächliche Temperatur in verschiedenen Prüfumgebungen nur mit einer relativ geringen Rate (unter 10 Hz). Die Entwickler streben allerdings einen Genauigkeitsbereich von wenigen Bit bis zu 20 Bit an. Wird eine rauschfreie Auflösung von 20 Bit verlangt, muss der im System verwendete Datenwandler nicht weniger als 220 (=1.048.576) saubere, unveränderliche Datenbits liefern.

Drucksensoren erfassen den Druck von Luft oder Gasen. Eine Unterkategorie der Drucksensoren stellen die Kraftaufnehmer dar, die das Gewicht unterschiedlicher Objekte erfassen und hier einen Bereich von mehreren Tonnen bis zum Gewicht einer Wimper (oder auch weniger) abdecken. Diese Sensoren kommen in der Regel in rautenförmigen, aus vier Elementen bestehenden Widerstandsnetzwerken zum Einsatz. Der Frequenzbereich dieser Sensoren ist größer als der von Temperatursensoren und reicht bis etwa 100 Hz.

Temperatur-, Druck- und Audiosensoren (Mikrofone) erfassen im Prinzip den Fluss von Flüssigkeiten oder Gasen. Wie Bild 1 verdeutlicht, laufen die physikalischen Änderungen im Fluss von Gasen oder Flüssigkeiten relativ langsam ab, was die Anforderungen an die Zahl der rauschfreien Bits entschärft. Die von den soeben angeführten Sensoren ausgegebene Information kann als Widerstand, Spannung oder Strom vorliegen. In den meisten Fällen jedoch erzeugen die Sensoren schwache elektrische Signale, die unter Umständen eine weitergehende Signalaufbereitung erfordern.

Betrachtet man in Bild 1 den Bereich mit den größeren Bandbreiten, stellen Schaltungen, die mechanische Wegen, Näherungen oder Licht erfassen, geringere Anforderungen an die Genauigkeit. Lichtsensor-Anwendungen wiederum können geringe Frequenzen im Verbund mit einer großen Zahl rauschfreier Bits erfordern (z.B. bei medizinischen Bildgebungsverfahren) oder nach einer hochfrequenten digitalen Erfassung verlangen (z. B. Barcode-Scanner). Der Signalpfad eines Fotodetektors setzt für hohe Frequenzen geeignete Wandler wie z. B. SAR-A/D-Wandler oder schnelle Delta-Sigma-Wandler voraus.

Wenn ein Systemdesigner eine fertig aufbereitete digitale Entsprechung der jeweiligen physikalischen Größe benötigt, werden die Sensorschaltungen an ihrem Ende mit SAR- (Successive Approximation Register) oder Delta-Sigma-ADCs bestückt. Der nächste Abschnitt dieses Artikels geht genauer auf beide Bauarten ein.

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