Anzeige

Top News (Anzeigen):

Seit kurzem ist jedes der elf Hauptkapitel dieses Kompendiums auch als E-Book erhältlich. Die E-Book-Versionen bieten eine optimierte Lesbarkeit auf Mobilgeräten wie auch am Desktop. Weitere Infos hier.

Etliche in der Messtechnik und Sensorik bekannte Institutionen haben nach wenigen Wochen der Freischaltung bereits über das Kompendium berichtet, z.B. das Messweb sowie die Strategische Partnerschaft Sensorik. Auch in Wikipedia haben wir etliche Links bereits entdeckt. Einen ausführlichen Bericht finden Sie ab S. 3 der Ausgabe 92 des Sensorik-Magazins. Das Magazin wird herausgegeben vom renommierten, vom Bayerischen Wirtschaftsministerium unterstützten Sensorik-Cluster.

Die Professur für Regelungstechnik und Elektrische Messtechnik verfügt über langjährige Erfahrung in der Durchführung von praxisnahen Studien- und Forschungsarbeiten für Unternehmen. Besonderes Know-How besteht in der Akquisition staatlicher Forschungsfördergelder für kleine und mittelständische Unternehmen (KMUs), welche die Professur im Rahmen geplanter Kooperationen gerne übernimmt. Web: https://www.unibw.de/regelungs-und-messtechnik

Die speziell auf Spezialisten und Führungskräfte in der Entwicklung fokussierte Technikstudie stellt die komplette Bandbreite der am Markt verfügbaren Komponenten bzw. Produkte für die IOT-Integration in eigene Geräte und Systeme dar. Wer ein Entwicklungsprojekt plant, das IOT-Fähigkeiten in das eigene Produkt bringt, erhält mit der Studie ein effizientes Auswahlwerkzeug. Ein zusätzlich enthaltener Grundlagenteil erläutert in übersichtlicher Weise die dabei relevanten Technologien. Zur Studie: https://www.studie-iot.de

Fördern Sie Ihre Mitarbeiter/-innen im technischen Bereich, indem Sie Ihnen einen Gutschein zu unserem Fortbildungszertifikat überlassen. Die notwendige fachliche Vorbereitung – z.B. in Form eines Studiums unseres hier frei zugänglichen Online-Kompendiums – kann der/die Mitarbeiter/-in absolut flexibel zu Zeiten durchführen, die betrieblichen wie privaten Rahmenbedingungen entgegen kommen. Der abschließende Test kann online durchgeführt und beliebig wiederholt werden. Weitere Infos hier.

Wie wir gesehen haben, mündet sowohl die Spannungs- als auch die Strommessung stets in eine Digitalisierstufe mittels ADU, weshalb wir dessen Funktion zumindest grob erläutern wollen. Bild 36 zeigt das Grundprinzip.

Bild 36: Grundprinzip eines ADUs

Der Spannungsmessbereich (in der Praxis z.B. -5…+5 V, 0…1 V, 0…10 V) wird in viele kleine Stufen eingeteilt. Durch geeignete elektronische Schaltungen entscheidet der ADU, in welcher Stufe die zu messende Spannung liegt und gibt eine die Stufe kennzeichnende Nummer aus. Die Nummer wird als Digitalwort mit n Bits ausgegeben. Wir sprechen bei n auch von der sog. Auflösung des ADUs. Wie im Bild auch vermerkt, lassen sich mit n Bits 2n Stufen und damit Digitalworte bilden.

In Bild 37 sind die Verhältnisse für einen ADU mit 10 Bits Auflösung und 0…10 V Messbereich beispielhaft aufgeführt. In der dem ADU nachfolgenden digitalen Weiterverarbeitung, die meist als Software ausgeführt ist, wird jeder Stufe der Mittelwert des der Stufe entsprechenden Eingangsspannungsbereichs zugeordnet.

Bild 37: ADU mit 10 Bits Auflösung und 0...10 V Messbereich

Prinzipbedingt geht bei der Digitalisierung die genaue Information über den Wert der Eingangsspannung verloren: Man erhält nur die Stufe, in welcher die Spannung liegt, bzw. den dieser fest zugeordneten Spannungsmittelwert. Die damit zusammenhängende sog. Quantisierungsabweichung kann betragsmäßig maximal die Hälfte der Stufenhöhe sein, also

(Formel 65)

Im Beispiel aus Bild 37 wäre e ca. 0,00488 V, also knapp 5 mV. Es wäre selbstredend sehr ungünstig, wenn wir kleine Spannungen im Bereich der unteren Stufen des ADU ohne vorherige Verstärkung messen würden, da dann die relativen Quantisierungsabweichungen (bezogen auf den Messwert) inakzeptabel hoch werden.

Es gibt unterschiedlichste Strategien, nach denen die in einem ADU verbauten Elek-troniken – diese sind heute ausnahmslos in Form eines Chips, des ADU-Chips, realisiert – die Digitalisierung durchführen. Entsprechend groß sind auch die Unterschiede im schaltungstechnischem Aufwand und damit korrelierend beim Chippreis, in der typischerweise realisierten Auflösung und in der Zeit, die für eine Analog-Digital-Umsetzung, benötigt wird (Umsetzzeit, Wandlungszeit). Zum besseren Verständnis wollen wir einige wichtige Verfahren kurz aufführen. Der Leser, der sich nicht zu sehr den Interna der zugrundeliegenden elektronischen Schaltungsprinzipien nähern möchte, kann diese Aufzählung jedoch problemlos überspringen.

  • Direktvergleichende Verfahren(Parallelverfahren, Flash-Wandler):

Durch entsprechend viele parallel angeordnete Schaltungsblöcke erfolgt ein zeitgleicher Vergleich der Eingangsspannung U mit 2n verschiedenen Referenzspannungen, die über Spannungsteiler aus einer einzigen Referenzspannung erzeugt werden. Jeder Schaltungsblock liefert ein Binärsignal, welches besagt, ob U kleiner oder größer als der entsprechende Stufenreferenzwert ist, was über eine nachgeschaltete Digitallogik zu einem n Bits breiten Digitalwort komprimiert wird. Derartige Verfahren sind sehr schnell, jedoch auch aufwendig, weshalb sie meist nur für Auflösungen bis zu ca. 8 oder 10 Bit verwendet werden.

  • Zählende Verfahren(Stufenumsetzer, Inkremental-Umsetzer):

Diese Verfahren bilden das genaue Gegenteil zu den erstgenannten. Sie sind sehr einfach und günstig zu realisieren, dafür steigt ihre Umsetzzeit linear mit der Höhe der Eingangsspannung U und ist im Mittel daher deutlich größer. Derartige Verfahren basieren darauf, dass die einer Stufenhöhe entsprechende Referenzspannung nach und nach immer wieder „aufgelegt“ und hochgezählt wird, bis ein jeweils durchzuführender Vergleich ergibt, dass U erreicht bzw. überschritten ist. Der erreichte Zählwert für die Stufennummer stellt das auszugebende Digitalwort dar.

  • Sukzessive Approximation:

Hierbei muss stets eine der Auflösung n entsprechende Anzahl von Vergleichen durchgeführt werden, was aus diesem Prinzip eine sehr häufig angewandte hochwertige Kompromisslösung bzgl. Aufwand und Umsetzzeit macht. In einem ersten Vergleichsschritt wird U mit einer exakt der Mitte des Messbereichs entsprechenden Referenzspannung verglichen. Ist U größer, so weiß man, dass das höchstwertige Bit des auszugebenden Digitalworts 1 ist; ist U kleiner, so ist dieses Bit 0. Je nach Ergebnis des ersten Schritts wird nun im zweiten Schritt eine der Hälfte der Hälfte des Messbereichs entsprechende Referenzspannung zusätzlich „aufgelegt“ und U damit verglichen, womit auch das nächste Bit bestimmt werden kann. Und so weiter, bis schließlich alle n Bits ermittelt wurden.

  • Sägezahn-Umsetzer(Single-Slope-Umsetzer):

Eine Referenzspannung wird hochintegriert – was sich als linear ansteigende Rampenspannung zeigt – und mit U verglichen. Die Zeit bis zum Erreichen von U wird mit digitalen Mitteln mitgemessen. Sie ist proportional zu U und kann damit leicht in das gesuchte Digitalwort umcodiert werden, wenn der die Zeit repräsentierende Zählerstand aufgrund der Dimensionierung der Referenzspannung nicht bereits direkt diesem entspricht. Diese Verfahren sind vergleichbar mit den oben aufgeführten zählenden Verfahren, das „Auflegen“ und Zählen sind hier jedoch durch eine analoge Integration und eine digitale Zeitmessung ersetzt.

  • Zwei-Rampen-Verfahren(Dual-Slope-Umsetzer):

Hier wird zunächst U über eine konstante Zeit von 0 V weg hochintegriert. Nach Ablauf dieser Zeit wird vom erreichten Spannungswert aus auf Basis einer Referenzspannung solange rückintegriert, bis man bei 0 V wieder angelangt ist. Die zu U proportionale Zeit für die Rückintegration wird gemessen und nach ggf. Umcodierung als Digitalwort ausgegeben. Gegenüber dem Sägezahn-Umsetzer dauert das Verfahren etwas länger (es muss zweimal integriert werden), ist jedoch unanfälliger gegenüber Bauelementtoleranzen im Analogteil. Insbesondere werden jedoch bis zu einem bestimmten Grad der Eingangsspannung überlagerte Rauschspannungen über die Hochintegrationszeit ausgemittelt.

  • Spannungs-Frequenz-Umsetzer:

Auch hier erfolgt von 0 V beginnend eine Hochintegration von U, wobei das Ende durch Erreichen einer Referenzspannung gekennzeichnet ist. Man könnte jetzt ähnlich wie beim Sägezahn-Umsetzer die hierfür benötigte Zeit als Maß verwenden (wobei bei diesem formal die Referenzspannung selbst hochintegriert wurde). In der Praxis erfolgt jedoch eine Nullsetzung der Integrationsspannung mit Neubeginn der Hochintegration. Die hierbei generierten Nullsetzimpulse stellen ein periodisches Signal dar, dessen Frequenz proportional zu U ist. Dieser ADU-Typ liefert also nicht direkt ein Digitalwort, sondern ein frequenzmoduliertes Binärsignal. Weiter unten werden wir noch sehen, dass Frequenzen sehr einfach messbar, also in Digitalworte umformbar sind. Bei einer alternativen Bauform erfolgt kein Nullsetzen der Integrationsspannung, vielmehr wird diese durch Anlegen der negativen Eingangsspannung –U wieder abintegriert, bis auf diese Weise schließlich auch wieder 0 V erreicht werden. Hieraus lässt sich dann ebenso ein dem Messwert proportionales Frequenzsignal gewinnen. Durch die Hochintegration von U wird der Mittelwert bewertet, was rauschspannungsmindernd wirkt. Wie bei allen integrierenden Verfahren ist die mittlere Umsetzzeit relativ hoch, während der Aufwand übersichtlich bleibt.

  • Charge-Balancing-Umsetzer(Ladungsbilanzverfahren):

Hierbei handelt es sich ebenfalls um ein integrierendes Verfahren. Zunächst wird die Differenz aus einer Referenzspannung und der Eingangsspannung U über eine konstante Zeit hochintegriert, bevor anschließend mit U am Integratoreingang bis zu 0 V wieder abintegriert wird. Auch hier wird ein Frequenzsignal ausgegeben, dessen Frequenz proportional zu U ist. Gegenüber obigem (einfachen) Spannungs-Frequenz-Umsetzer besteht eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Bauelementtoleranzen im Analogteil, so wie wir dies auch bereits beim Zwei-Rampen-Verfahren vermerkt haben.

  • Delta-Sigma-Verfahren:

Bei diesem Prinzip erfolgt wiederum eine wiederholte Hoch- und Abintegration. Bei der Hochintegration wird als Eingangssignal die zu messende Spannung U herangezogen, der eine Referenzspannung additiv überlagert ist. Die Abintegration erfolgt ebenfalls mit U, nun jedoch mit der negativ überlagerten Referenzspannung. Die Referenzspannung ist so gewählt, dass sich nach Überlagerung jeweils unterschiedliche Vorzeichen und damit Integrationsrichtungen ergeben, so dass immer wieder auch die Spannungsnulllinie  mit 0 V durchlaufen wird. Genau zu diesem Zeitpunkt wird auch die Umschaltung zwischen beiden Integrationsrichtungen initiiert, die jedoch erst wirksam wird, wenn die nächste ansteigende Flanke eines ADU-internen rechteckförmigen Abtastsignals anliegt. Durch die unterschiedlichen Steilheiten beim Hoch- bzw. Abintegrieren entsteht eine Sägezahnspannung mit einem Offset in Abhängigkeit von U. Diese weist jedoch stets Nulldurchgänge auf. Das mit dem Abtastsignal synchronisierte Umschaltsignal stellt einen Bitstream dar, dessen Mittelwert dem aktuellen U entspricht. Das Ausgangssignal des Delta-Sigma-Wandlers ist also ein Binärsignal, aus dem durch entsprechende Digitallogik das eigentliche Digitalwort erst noch herausgelesen werden muss. Hierfür verwendet man sog. digitale Filterstrukturen. In der Audiotechnik werden die Bitstreams derartiger Wandler nach Übertragung zu einer Wiedergabekomponente (z.B. Lautsprecher) teilweise direkt an Tiefpassfilter geführt, welche – wie wir im Kapitel über Wechselgrößen (siehe auch Bild 16) gesehen haben – die Mittelwertbildung analog durchführen und so direkt das analoge Audiosignal wieder zurückgewinnen. Das Verfahren basiert darauf, dass die Abtastfrequenz im Verhältnis zur Änderungsgeschwindigkeit des Spannungssignals U sehr hoch gewählt wird. Sie ist in der Praxis z.B. 1.000-mal so hoch, wie es einer zum Spannungssignal passenden Abtastrate entsprechen würde. Strebt man z.B. an, ein Signal 10.000 mal pro s zu digitalisieren, was einer herkömmlichen Abtastrate von 10 kHz entspricht, so würde man beim Delta-Sigma-Umsetzer eine Abtastrate von zumindest 10 MHz ansetzen. Das „Delta“ im Namen des Umsetzverfahrens steht übrigens für das Erzeugen des Vergleichssignals von U und der (positiven bzw. negativen) Referenzspannung, das „Sigma“ (in der Mathematik auch als Summensymbol benutzt) für den Integrationsprozess.

In den ADU-Chips der diversen Hersteller finden sich diverse weitere Verfahren, die zu einem großen Teil Abwandlungen obiger Basisverfahren sind. Für den Anwender von z.B. Messgeräten, Messmodulen oder PC-Messkarten ist es letztlich nicht wichtig, welches ADU-Verfahren herstellerseitig konkret verbaut wurde. Jedoch ist dieses in der Dokumentation häufig genannt, so dass man daraus durchaus einige grundlegende Messeigenschaften ableiten kann.

Top News (Anzeigen):

Seit kurzem ist jedes der elf Hauptkapitel dieses Kompendiums auch als E-Book erhältlich. Die E-Book-Versionen bieten eine optimierte Lesbarkeit auf Mobilgeräten wie auch am Desktop. Weitere Infos hier.

Etliche in der Messtechnik und Sensorik bekannte Institutionen haben nach wenigen Wochen der Freischaltung bereits über das Kompendium berichtet, z.B. das Messweb sowie die Strategische Partnerschaft Sensorik. Auch in Wikipedia haben wir etliche Links bereits entdeckt. Einen ausführlichen Bericht finden Sie ab S. 3 der Ausgabe 92 des Sensorik-Magazins. Das Magazin wird herausgegeben vom renommierten, vom Bayerischen Wirtschaftsministerium unterstützten Sensorik-Cluster.

Die Professur für Regelungstechnik und Elektrische Messtechnik verfügt über langjährige Erfahrung in der Durchführung von praxisnahen Studien- und Forschungsarbeiten für Unternehmen. Besonderes Know-How besteht in der Akquisition staatlicher Forschungsfördergelder für kleine und mittelständische Unternehmen (KMUs), welche die Professur im Rahmen geplanter Kooperationen gerne übernimmt. Web: https://www.unibw.de/regelungs-und-messtechnik

Die speziell auf Spezialisten und Führungskräfte in der Entwicklung fokussierte Technikstudie stellt die komplette Bandbreite der am Markt verfügbaren Komponenten bzw. Produkte für die IOT-Integration in eigene Geräte und Systeme dar. Wer ein Entwicklungsprojekt plant, das IOT-Fähigkeiten in das eigene Produkt bringt, erhält mit der Studie ein effizientes Auswahlwerkzeug. Ein zusätzlich enthaltener Grundlagenteil erläutert in übersichtlicher Weise die dabei relevanten Technologien. Zur Studie: https://www.studie-iot.de

Fördern Sie Ihre Mitarbeiter/-innen im technischen Bereich, indem Sie Ihnen einen Gutschein zu unserem Fortbildungszertifikat überlassen. Die notwendige fachliche Vorbereitung – z.B. in Form eines Studiums unseres hier frei zugänglichen Online-Kompendiums – kann der/die Mitarbeiter/-in absolut flexibel zu Zeiten durchführen, die betrieblichen wie privaten Rahmenbedingungen entgegen kommen. Der abschließende Test kann online durchgeführt und beliebig wiederholt werden. Weitere Infos hier.

Menü schließen