Messwerterfassung Präzise: die Messwerte aus der Zeit ableiten

Entwicklungskit mit den neuen acam-Time-to-Digital-Chips: der Baustein selbst ist nur 5 x 5 mm groß und sitzt auf der kleinen Huckepack-Platine oben.
Entwicklungskit mit den neuen acam-Time-to-Digital-Convertern: der Baustein selbst ist nur 5 x 5 mm groß und sitzt auf der kleinen Huckepack-Platine. Alles andere ist Entwicklungs-Peripherie.

Die Time-to-Digital-Wandler-Technologie (TDC) bietet für die Messdatenerfassung einige Pluspunkte: Da nämlich die Messgröße Zeit sehr präzise zu bestimmen ist, kann man andere physikalische Größen, die auf zeitabhängige Werte zurückzuführen (oder in diese umwandelbar) sind, ebenfalls recht einfach und präzise messen und digitalisieren, wie die acam messelectronic GmbH zeigt.

Die acam messelectronic GmbH hat auf Basis der Time-to-Digital-Wandler-Technologie (TDC) eine Reihe leistungsfähiger Sensor-Signal-Konditionierer mit mehreren analogen Eingängen entwickelt. Mit diesen PICOCAP-ICs  bietet das Unternehmen eine Familie von Capacitance-to-Digital-Convertern an, die das dahinter stehende Messprinzip zur extrem genauen Kapazitätsmessung bei minimalem Stromverbrauch nutzen. Denn für die Vermessung von Kapazitätswerten  gibt es mit diesem Prinzip praktisch keine Einschränkung.

Die Bausteine können Werte von einigen fF bis zu mehreren hundert nF präzise ermitteln. Viele heute im Markt verfügbaren Sensoren stellen die physikalische gemessene Größe (Druck, Temperatur, Bewegung, Geschwindigkeit, etc.) ja ohnehin schon als Änderung in einer Kapazität dar. Die geringe Stromaufnahme der TDC-PICOCAP-Bausteine (einige wenige μA) sowie die hohe Präzision (bis zu 21 Bit Auflösung) und hohe Aktualisierungsraten (bis zu 500.000 Messungen pro Sekunde) stellen weitere Charakteristika dar.

Die integrierten TDC-Schaltkreise sind letztlich Zeit-Digital-Wandler mit einer Auflösung im unteren Picosekunden-Bereich. Damit lassen sich selbst schwierige Messaufgaben auch unter widrigen Bedingungen (wie Spannungs- und Temperaturschwankungen) elegant lösen. Nahezu alle physikalischen Größen wie Position, Höhe, Gewicht, Druck, Feuchte, Bewegung, Beschleunigung, Torque, Temperatur, uvm. erfassen die TDC-Schaltkreise von acam über die Zeitmessung hochgenau, dynamisch bei minimalem Stromverbrauch..

Der neue Baustein PCapØ2 bietet – wie sein Vorgänger PCapØ1 – sehr vielfältige Einsatzmöglichkeiten, er wurde aber mit einer ganzen Reihe von neuen zusätzlichen Funktionen ausgestattet, beispielsweise einer internen Referenzkapazität, durch die sich externe Komponenten einsparen lassen. Das neu eingeführte EEPROM ermöglicht die Speicherung von anwenderspezifischen Kalibrierungsdaten. Zusätzlich wurden Verbesserungen für den Betrieb mit Feuchtigkeits- und MEMS-Sensoren vorgenommen um störendes Oszillieren der Sensoren zu vermeiden. Dank des frei programmierbaren internen 48-Bit DSP kann der PCapØ2-Chip komplexe Operationen an den akquirierten Daten direkt auf dem Chip durchführen. So gelingt es beispielsweise, eine Sensorlinearisierung zu einem Bruchteil der Leistung, die vergleichbare Chips dafür aufwenden müssen, durchzuführen.

Das Messprinzip

PICOCAP quantifiziert bei der Kapazitätsmessung die aufgebrachte Ladung in präziser Zeit. Dafür werden die Sensorkapazitäten und ein Referenzkondensator mit einem Widerstand zu einem Tiefpassfilter verschaltet. Die Kondensatoren werden mit Hilfe der Versorgungsspannung aufgeladen und dann über den Widerstand entladen, wobei wechselweise die Referenzkapazität und die unbekannte Kapazität angeschaltet werden. Beim Verhältnis zwischen Referenz- und Messkondensator kürzt sich damit mathematisch die Einheit Farrad heraus und es bleibt Zeit als physikalische Größe stehen. Das Verhältnis der Kapazitäten entspricht dem Verhältnis der Entladezeiten. Die Entladezeiten werden über einen äußerst präzise arbeitenden Time-to-Digital Converter (TDC) gemessen. Patentierte Algorithmen sorgen für eine exzellente Unterdrückung parasitärer Kapazitäten und gewährleisten gute Temperaturstabilität.

Zu den Anwendungen gehören derzeit Feuchtigkeitssensoren, Taupunktsensoren, Drucksensoren, Trägheits- und Bewegungssensoren, Füllstandssensoren, Näherungsschalter, Absturzsensoren, Touchsensoren sowie Kombisensoren.