Resistive Sensoren Zeit oder Spannung?

Die Auswertung resistiver Sensoren mittels Wheatstonescher Messbrücke.
Die Auswertung resistiver Sensoren mittels wheatstonescher Messbrücke.

Die Auswertung resistiver Sensoren mittels Wheatstonescher Messbrücke, Verstärker und Analog-Digital-Umsetzer ist etablierter Stand der Technik. In einem neuen Verfahren werden die Sensorsignale mittels Messung von Entladezeiten erfasst und verarbeitet. Wo liegen die Vor- und Nachteile?

Die Zeit ist die universellste aller physikalischen Größen und die am genauesten messbare. Sie bietet ungeahnte Möglichkeiten, um schwierige Messaufgaben elegant und einfach zu lösen.

Dazu kommen große Vorteile in Bezug auf Genauigkeit und Dynamik. Im Rahmen des Anwendungstages „Zeitmessung für physikalische Größen“ von IS-Line wurde das Potenzial sogenannter Time-to-Digital Converters (TDCs) vorgestellt. TDCs sind für den Einsatz in unterschiedlichsten Messaufgaben geeignet. Dazu gehören beispielsweise

  • Laufzeitmessungen (Time of Flight) von Laserdistanzen, Ultraschall-Durchflusssensoren, magnetorestriktiven Sensoren,
  • kapazitive Sensoren (Druck, Feuchte, Füllstand, Abstand, …),
  • resistive Sensoren (Druck, Kraft, Waagen, Temperaturen, …) und
  • induktive Sensoren (Drehzahl, Abstand).

Integrierte digitale Time-to-Digital Converters

Digitale TDCs sind integrierte Schaltungen zur hochgenauen Messung von kleinsten Zeitdifferenzen im Bereich von Nanosekunden bis hinunter in den Pikosekundenbereich. Sie tun dies ohne jegliche analoge Komponenten. Ihre Realisierung wurde erst möglich durch die gewaltigen Innovationen in der Halbleitertechnologie. Sie basieren auf der Durchlaufzeit einfacher logischer Gatter (z.B. Inverter), welche sie für die Quantisierung der Zeitdifferenz heranziehen. Dank der großen Fortschritte bezüglich der Signalgeschwindigkeit im CMOS-Bereich wurde es möglich, solche TDCs auf Standard-CMOS-Prozessen zu realisieren und dabei Auflösungen im Pikosekundenbereich zu erreichen. Heutzutage lassen sich ganze Systemlösungen auf einem einzigen Chip (SoC) integrieren, die effizient, stromsparend, platzsparend und letztlich kostengünstig sind.

Die Acam-Messelectronic GmbH (seit diesem Jahr Teil der AMS-Gruppe) setzt sogenannte „Digital Delay Line“-TDCs ein. Sie bestimmen die absolute Verzögerungszeit von Signalen durch einfache logische Elemente zur Quantisierung der Zeitdifferenz. Mit anderen Worten: Der Messkreis zählt die Anzahl der Gatter-Durchläufe, die in das zu messende Zeitintervall passen. Bild 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau.

Ein intelligentes Schaltungsdesign, redundante Elemente und spezielle Layout-Methoden erlauben die exakte Rekonstruktion der Anzahl der Basis-Zeiteinheiten. Die Auflösung hängt direkt von der Basis-Zeiteinheit des Chips ab. Auflösungen im Bereich von 10 bis 100 ps können mit solchen Messkreisen und gängigen CMOS-Techniken erreicht werden. Die Durchlaufzeit selbst hängt von der Temperatur und der Versorgungsspannung ab. Daher müssen die gemessenen Werte kalibriert werden. Hierzu werden eine und zwei Perioden eines externen Referenztaktes vermessen. Idealerweise wird diese Messung und die anschließende Berechnung vom TDC selbst ausgeführt.

Die Messbereiche der Digital Delay Line TDCs betragen bis zu einigen µs. Durch die zusätzliche Einführung eines Vorteilertakts (Bild 2) werden noch größere Zeitintervalle möglich: Ein Zähler zählt die Perioden des Referenztaktes CC, die Zähler CF1 und CF2 bestimmen mit Hilfe des TDC die Zeit zwischen einer Flanke des Referenztaktes und dem Start- bzw. Stoppsignal. Die Takt-Referenz kann gleichzeitig auch für die Kalibrierung des TDC verwendet werden. Für das gesamte Zeitinterval ergibt sich dann:

t space equals space T subscript r e f end subscript open parentheses C subscript c space plus space fraction numerator C subscript F 1 space minus space end subscript C subscript F 2 end subscript over denominator t subscript c a l 2 end subscript space minus space t subscript c a l 1 end subscript end fraction close parentheses

Der Messbereich lässt sich so bei gleichbleibender Auflösung bis in den Milli-sekundenbereich erweitern. Da bei dieser Methode der TDC nur am Anfang und Ende der Messzeit läuft, verringert sich auch die Stromaufnahme des Systems.