Analogtipp Vorsicht vor rauschbehafteter Unterabtastung in Sensoren

Viele Systementwickler bevorzugen den Einsatz von komplett integrierten intelligenten Sensoren, da diese normalerweise komfortable Verbindungen zum Abgriff von genauen digitalen Sensordaten aufweisen.

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Analog Devices

Beim Einsatz von intelligenten Sensoren lassen sich mit der Entwicklung von Analogschaltungen verbundene Risiken und somit eine möglicherweise mühsam zu bewältigende Herausforderung für den gelegentlichen Anwender vermeiden.

Während die Beweggründe zum Umgehen möglicher Probleme bei der Entwicklung von Analogschaltungen verständlich ist, ist es auch wichtig, dass Systemintegratoren das wesentliche analoge Verhalten in ihren intelligenten Sensoren verstehen. Dazu zählen die Bandbreite und das Rauschen, da diese Eigenschaften wichtige Entscheidungen auf Systemebene, zum Beispiel die Abtastung von Daten (Data Sampling) und Durchsatzraten, beeinflussen können.

Man stelle sich eine AV-Plattform (Autonomous Vehicle, autonomes Fahrzeug) vor, die Gyroskope im ADIS16460 als Rückkopplungs-Messelemente in ihrem Navigationssystem (GNC – Guidance Navigation Control,) verwendet. Falls der Entwickler die Bandbreite der Gyroskope von 330 Hz nicht berücksichtigt, könnte er geneigt sein, die Abtastrate in der Drehraten-Rückkopplungsschleife ausschließlich auf Basis des Bewegungsprofils, welches er von der AV-Plattform erwartet, einzustellen.

Falls der Entwickler zum Beispiel glaubt, dass sich das Bewegungsprofil der AV-Plattform auf einen spektrale Rauschdichte von weniger als 4 Hz begrenzen lässt, kann die Akquise von Daten mit 40 Sample/s für die Abtastrate in der Drehraten-Rückkopplungsschleife des Navigationssystems ein konservativer Ansatz sein.

Ohne Vorfilterung erfolgt bei diesem konservativen Ansatz eine Unterabtastung der Bandbreite von 330 Hz. Dies bringt eine Reihe von Nachteilen mit sich.

Bild 1 illustriert einen dieser Nachteile, der in der umgeformten Verteilung der Rauschenergie über das resultierende Nyquist-Frequenzband (20 Hz) besteht.

Die grüne Kurve in Bild 1 illustriert die natürliche RND (Rate Noise Density). Die rote Kurve illustriert das Ergebnis der Verteilung der gleichen Rauschenergie über die schmalere Bandbreite von 20 Hz.

Unter der Annahme, dass sich das Gesamtrauschen gleichmäßig über das Nyquist-Band der reduzierten Abtastrate (40 Sample/s) verteilt, liefert Gleichung 1 eine RND von ~0,017°/s/√Hz:

Dies bedeutet, dass bei jeder digitalen Filterung der Daten mit 40 Sample/s etwa vier Mal so viel Rauschen entsteht als mit einem vergleichbaren Filter und der gesamten Abtastrate von 2048 Sample/s. Deshalb sollten Systemintegratoren die wichtigen Analogeigenschaften in ihren intelligenten Sensoren berücksichtigen, da diese bei entsprechender Wahl der Abtastrate und geeignetem Filterdesign eine Möglichkeit zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit bieten.

* Mark Looney arbeitet als Applicationsningenieur bei Analog Devices in Greensboro / USA.

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