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acam messelectronic: Vier Vorteile der TDC- gegenüber der ADC-Technologie

Obwohl Time-to-Digital-Wandler (TDC) nach Überzeugung der Experten von acam messelectronic wesentliche Vorteile gegenüber herkömmlichen A/D-Wandlern bieten, fristen sie vordergründig betrachtet immer noch ein Dasein in deren Schatten. Zeit, das zu ändern.

Augustin Braun, acam  »Wasserzähler auf Basis der Ultraschallmessung so kostengünstig zu bauen wie Drehflügelradsensoren,  das ist mit dem neuen TDC-GP30 jetzt Wirklichkeit.« Bildquelle: © acam
Augustin Braun, acam messelectronic: »Es werden bereits jetzt mehr Time-to-Digital-Wandler eingesetzt als viele meinen. Dennoch haben TDCs immer noch ein Wahrnehmungsproblem. Das liegt aber lediglich daran, dass noch keiner der großen Hersteller öffentlichkeitswirksam in diese Technologie als Parallel-Technologie zu ADCs eingestiegen ist.«

»Zur Digitalisierung von Zeitdifferenzen kann man grundsätzlich jeden beliebigen Zähler nehmen«, erklärt Augustin Braun, Geschäftsführer von acam messelectronic [1]. »Für leistungsfähige Systeme muss die Zeitdifferenz jedoch sehr hoch aufgelöst werden – je nach Anwendung wird bis in den unteren Picosekunden-Bereich hinein gemessen. Mit einem normalen Zähler würde man eine Taktfrequenz von 20 GHz benötigen. Gerade unter solchen Bedingungen können Time-to-Digital-Wandler ihre Stärken voll ausspielen.« Zu diesen Stärken und den wichtigsten Vorteilen der TDC-Technologie gegenüber herkömmlichen AD-Wandlern zählt Braun die folgenden:

1. Die zeitbasierte Digitalisierung durch TDCs schafft eine extrem hohe Auflösung

Time-to-Digital-Wandler ermöglichen eine Digitalisierung physikalischer Größen wie Weg, Kraft, Beschleunigung, relative Feuchte, Temperatur, etc. ¬– und das mit einer Auflösung auch jenseits von 30 Bit. Dabei deckt ein TDC einen außergewöhnlich weiten Dynamikbereich von wenigen Picosekunden bis zu Millisekunden ab. »Mit Hilfe der Größe Zeit zu digitalisieren, zahlt sich in einer wachsenden Zahl von Anwendungen mit barer Münze aus«, so Braun. »Das Verfahren ist wesentlich effektiver, kostengünstiger und Abweichungen werden viel genauer erkannt als bei der Digitalisierung von analogen Spannungen mithilfe eines ADC.«

2. TDCs lassen sich in unterschiedlichen Halbleiterfabriken herstellen oder portieren

Während ADCs mit kleiner werdenden Halbleiterprozessen oder Prozesswechseln (zum Beispiel 0,35 auf 0,18 µm) aufgrund der Anpassung der elektrischen Parameter immer mehr Aufwand generieren, werden TD-Wandler mit kleineren Prozessen immer leistungsfähiger, weil die TDC-Wandler-Strukturen digital abgebildet werden. »Vereinfacht gesagt, ist ein TD-Wandler eine Serie von digitalen Invertern, bei denen die Gatterlaufzeit für die Zeitmessung herangezogen wird«, führt der Experte aus. »Werden Inverter beispielweise von einem Prozess 0,35 auf 0,18 µm portiert, verkürzt sich die Gatterlaufzeit, und der TDC wird genauer. Das Portieren eines hochauflösenden ADC in die nächste Prozessgeneration ist vielfach aufwendiger als die Portierung eines digitalen Inverters.«

3. TD-Wandler digitalisieren schnell und stromsparend

Das Digitalisieren einer Kapazität erledigt ein TDC, indem er die Entladezeit bis zu einem Threshold misst. Im Verhältnis zu einer Referenzkapazität wird so die gemessene Kapazität berechnet. Mit dieser dazugehörigen Referenzmessung benötigt der PCap04 von acam nur wenige Mikrosekunden, und es sind Messraten mit 500.000 Messungen pro Sekunde (500 kHz) möglich. Der PCap04 arbeitet praktisch ohne Latenzen.

4. TD-Wandler für den Einsatz in stromsparenden Lösungen

TDCs haben den entscheidenden Vorteil, dass mit ihnen eine Messung bzw. Digitalisierung in wenigen Mikrosekunden abgeschlossen ist. Der PCap04 kann beispielsweise eine Kapazität bei 3 Hz Messrate und 13,4 Bit Auflösung bei einem Stromverbrauch von nur 4 µA digitalisieren. Ein weiterer Chip von acam, der TDC-GP30, wird bevorzugt in Wasser- und Wärmemengenzähler eingesetzt. Arbeiten die Zähler mit der Ultraschall-Durchflussmessmethode, können sie beim Einsatz eines stromsparenden TD-Wandlers aus der GP-Reihe mit lediglich einer AA-Batteriezelle länger als zwei Eichperioden, also mehr als zehn Jahre lang betrieben werden. Und das, obwohl der Fluss konstant bei 8 Hz gemessen wird.