Interview »Der Marktanteil der TD-Wandler wird kontinuierlich steigen«

acam-messelectronic erwartet ein stark wachsendes Marktpotential für Time-to-Digital-Wandler. Welche gravierenden Vorteile die zeitbasierte Digitalisierung gegenüber traditionellen AD-Wandlern bietet, erklärt acam-Geschäftsführer Agustin Braun.

Markt&Technik: Ihr Unternehmen hat sich auf die TD-Wandler-Technologie spezialisiert und tritt damit gegen die etablierten Hersteller von AD-Wandlern an. Bitte beschreiben Sie kurz die wesentlichen Unterschiede zwischen den beiden Technologien.

Augustin Braun: Wandler haben in der Sensorik grundsätzlich die Aufgabe, physikalische Größen wie Druck, Gewicht oder Länge in einen digitalen Wert umzuwandeln. Im ersten Schritt wird die zu wandelnde Größe in eine analoge elektrische Zwischengröße umgewandelt. AD-Wandler nutzen die elektrische Spannung als Zwischengröße, TD-Wandler die Zeit. Ein Beispiel: Ein Gewicht wird über eine Wheatstone-Brücke mit Dehnungsmessstreifen in eine Differenzspannung umgewandelt. Diese wird dann mit einem AD-Wandler digitalisiert. Ein TD-Wandler macht im Grunde das gleiche, er verwendet allerdings als Zwischengröße nicht die elektrische Spannung sondern die Zeit: Das Gewicht wird über eine RC-Anordnung mit Dehnungsmessstreifen in eine Zeitdifferenz umgewandelt. Diese wird dann mit einem TD-Wandler digitalisiert. Die grundsätzliche Funktion ist also identisch, nur die Zwischengröße zur Wandlung ist unterschiedlich.

Die zeitbasierte Digitalisierung ist an sich ja nichts Neues. Was hat Sie zur Weiterentwicklung dieser Technologie bewogen?

Wir haben für uns darin ein großes Potential gesehen. Sehen Sie, grundsätzlich könnte man zur Digitalisierung von Zeitdifferenzen jeden beliebigen Zähler nehmen. Um aber leistungsfähige Systeme zu schaffen, muss die Zeitdifferenz sehr hoch aufgelöst werden. Damit man beispielsweise mit Ultraschall bei der Durchflussmessung in den geforderten Genauigkeitsbereich kommen kann, muss die Zeitdifferenz mit einer Auflösung im unteren Picosekunden-Bereich gemessen werden, zum Beispiel 50 Picosekunden. Mit einem normalen Zähler würde man eine Taktfrequenz von 20 GHz brauchen. Die ist mit sinnvollem Aufwand nicht zu realisieren, man braucht also andere Lösungen.

Welchen technischen Ansatz verfolgen Sie?

acam verwendet für die hohe Zeitauflösung die Laufzeit einfacher digitaler Gatter. Letztendlich wird gemessen, wie viele Gatterlaufzeiten die zu messende Zeitdifferenz lang war. Über entsprechende Schaltungstechnik, die natürlich unser Basis-Know-how darstellt, können wir jede beliebige Zeitdifferenz sehr temperatur- und spannungsstabil digitalisieren. Auch hinsichtlich der Auflösung haben wir Technologien entwickelt, die das gesamte benötigte Spektrum bequem abdecken. So haben wir inzwischen TDCs mit einer stabilen Auflösung von unter 10 Picosekunden, was mindestens 98 Prozent aller Applikationen abdeckt. Man könnte auch locker unter 5 Picosekunden kommen, es fehlen aber die entsprechenden, kommerziell sinnvollen Anwendungen, um den Entwicklungsaufwand zu rechtfertigen.

Bitte beschreiben Sie die wichtigsten Vorteile Ihrer TDCs gegenüber herkömmlichen AD-Wandlern.

Die Vorteile sind zahlreich, aber ich beschränke mich hier mal auf die vier wichtigsten.

Vorteil 1 ist die aufgrund des zeitbasierten Messverfahrens extrem hohe Auflösung der TDCs. Auf Standard-Mikroprozessoren sind heutzutage 10- bis 12-Bit-ADCs integriert. Ab 14 Bit beginnt eher das Wahrsagen als das Messen. Professionelle High-end-ADCs, die aber nur wenige Firmen wirklich gut herstellen können, erreichen 24 Bit. Zwischen 12 und 24 Bit liegt de facto der Faktor 4000, das heißt, High-end-Wandler haben die 4000-fache Auflösung der Standardvarianten. TD-Wandler hingegen erreichen generell Auflösungen jenseits von 30 Bit. Das liegt daran, dass sich die Zeit wesentlich genauer messen lässt als die analoge Spannung. Diese Auflösung wird unabhängig davon erreicht, ob ein Mikroprozessor mit auf dem Chip ist oder nicht. TDCs sind da sehr anspruchslos, weil mit den gleichen digitalen Basiselementen wie bei den Mikroprozessoren gearbeitet wird.

Vorteil 2 liegt in der Flexibilität der TDCs bezüglich der Fertigungsprozesse. Sie benötigen für höchste Leistungsfähigkeit keine speziellen Technologien oder Prozesse, sondern lassen sich auf jedem Standardprozess integrieren. In der Sensorik soll die digitale Intelligenz möglichst auf kleinster Fläche mit dem Wandler arbeiten. Ein TDC kann das problemlos. Während ADCs mit kleiner werdenden Prozessen und schnellen Prozesswechseln immer mehr Probleme bekommen, werden TD-Wandler mit kleineren Prozessen immer besser, weil die Prozesse selber einfach immer schneller werden. Auch ein springen zwischen Prozessen ist einfach realisierbar. Das führt zu kürzeren Entwicklungszeiten mit hoher Erfolgswahrscheinlichkeit.

Vorteil 3 ist die Anspruchslosigkeit derTD-Wandler gegenüber der analogen Vorelektronik. Auch sie benötigen analoge Vorschaltungen, die die Messgröße erst einmal in eine Zeitdifferenz umwandeln. Aber diese sind meist sehr einfach, leicht integrierbar und gut zwischen verschiedenen Prozessen portierbar. Auch hierzu ein Beispiel: AD-Wandler, die Dehnungsmesstreifen auswerten, benötigen einen sehr guten und stabilen Vorverstärker mit hohen Verstärkungen von 50 bis 200. Die sind weder einfach zu entwickeln noch einfach zwischen Prozessen zu portieren. TD-Wandler brauchen für die gleiche Aufgabe keinen Vorverstärker, die Sensorsignale werden über einen einfachen Komparator direkt digitalisiert. Grund ist die Tatsache, dass TDCs von Natur aus eine wesentlich höhere Auflösung haben - eben diese 30 Bit und mehr. Die Probleme mit guten Vorverstärkern, Portierbarkeit etc. gibt es nicht.

Vorteil 4: Mit TD-Wandlern lassen sich einfach sehr stromsparende Lösungen realisieren. Sie lassen sich schnell und einfach an- und abschalten und man kann durch einfache Maßnahmen den etwas stromintensiveren hochauflösenden Schaltungsteil nur dann anschalten, wenn er wirklich gebraucht wird. Ultraschall-Durchflussmesser beispielsweise müssen 365 Tage im Jahr laufen und mit einer Batterie zehn Jahre funktionieren – da bleibt nicht viel Strom für den Betrieb. Mit unseren Bausteinen aufgebaute Geräte benötigen für alle Wandlungsaufgaben in Wärmemengenzählern nur etwa 2 µA Strom. Das entlastet entscheidend die Strombilanz und lässt viel Raum für den Prozessor. Bei Ultraschall-Wasserzählern werden diese Ansprüche nochmal deutlich steigen, weil hier die Messrate um den Faktor fünf bis zehn erhöht werden muss.