Operationsverstärker für Maker-Projekte Sensorsignale effektiv aufbereiten

Der Kern der meisten Maker-Projekte ist digital, Sensoren jedoch sind oft analog. Deren niedrige Signalamplitude, Offset-Spannungen und Störsignale können den Entwicklungsprozess verkomplizieren. Im Folgenden besprechen wir daher, wie sich analoge Signale für die A/D-Wandlung konditionieren lassen.

Wer schon lange dabei ist, versteht, wie groß die Herausforderung sein kann, analoge Signale in die digitale Welt zu überführen. Andere wiederum haben vielleicht die Grundlagen vergessen und für viele andere ist die Analogtechnik noch immer voller Rätsel.

Daher beschreibt dieser Artikel die Aufgaben einer analogen Signalverarbeitung beziehungsweise -konditionierung und führt Beispiele typischer Designanforderungen, Beschränkungen und Kompromisse auf. Zudem werden Bauteilmuster und deren Anwendungen sowie kostengünstige und kostenfreie Designtools zur Beschleunigung von Projektdesign und -entwicklung vorgestellt. Dies kann dabei helfen, die knappen Budgets einzuhalten. Da viele Maker-Projekte mit begrenzten Ressourcen auskommen müssen, enthält dieser Artikel auch Informationen dazu, welche Ressourcen für mehrere Zwecke verwendet werden können, um noch mehr zu sparen.

Analogsignale zwischen dem Sensor und dem Prozessor vorzuverarbeiten oder zu konditionieren soll nachteilige analoge Effekte minimieren, bevor der Prozessor das Signal digitalisiert. Operationsverstärker (OPVs) verstärken, verschieben und filtern analoge Signale, und können diese kosteneffizient an die Analogeingänge des Prozessors anpassen. Darüber hinaus kann eine solche Signalverarbeitung die Sensorfunktionen erweitern und beispielsweise den Ausgang eines Beschleunigungssensors integrieren, um Geschwindigkeits- und Wegsignale zu erhalten.

Operationsverstärker sind gleichspannungsgekoppelte Spannungsverstärker mit sehr hoher Verstärkung, differenziellen Eingängen und einem in der Regel asymmetrischen Ausgang. Früher wurden sie in Analogrechnern verwendet, um Differenzialgleichungen zu lösen. Aufgrund ihrer Vielseitigkeit sind OPVs heute ein Grundbaustein für viele analoge Schaltkreise und damit auch für die analoge Signalverarbeitung. Sie finden in vielen Geräten für Verbraucher, Industrie und Wissenschaft Anwendung. Auch für Maker-Projekte sind sie ideal, weil sie kostengünstig und leicht erhältlich sind.

Durch Gegenkopplung lassen sich die Parameter einer OPV-Schaltung – einschließlich Verstärkung, Bandbreite und Eingangs- und Ausgangsimpedanz, um nur einige zu nennen – von externen Komponenten bestimmen. Mit guten Designpraktiken ist die Performance meist unabhängig von Fertigungstoleranzen im Operationsverstärker oder Umgebungsbedingungen.

Betrachten wir als typischen Vertreter für den Operationsverstärker den TL081 von Texas Instruments (Bild 1). Dieser verfügt über einen invertierenden und einen nichtinvertierenden differenziellen Eingang und einen Ausgang. Der Eingang nutzt einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET), um eine hohe Eingangsimpedanz und einen extrem niedrigen Ruhestrom von 30 pA zu gewährleisten. Die typische große Signaldifferenzverstärkung beträgt über 100.000 bei Gleichstrom, das Verstärkungs-Bandbreite-Produkt (Gain Bandwidth Product) liegt bei 3 MHz. Der Verstärker ist in Gehäusen für Durchsteckmontage (kompatibel mit Prototyping-Karten) und zur Oberflächenmontage erhältlich.

Prozessoren auf Maker-Boards verfügen meist über analoge Eingänge zum Auslesen analoger Sensoren. Arduino Uno zum Beispiel hat sechs Analogeingänge, die auf einen 10 Bit breiten A/D-Wandler (ADC) gemultiplext sind. Dieser ADC teilt den Eingangsspannungsbereich in 210 beziehungsweise 1024 Spannungspegel (mit Werten von 0 bis 1023) auf. Die gewählte analoge Referenzspannung wiederum bestimmt dessen analogen Eingangsbereich. Im Falle der Arduino Uno beträgt die Standard-Referenzspannung 5 V, außerdem gibt es eine interne Referenzspannung von 1,1 V und der Benutzer kann eine externe Referenzspannung zwischen 0 V und 5 V vorgeben. Der ADC bildet dann jeweils Spannungen zwischen 0 V und der gewählten analogen Referenzspannung ab, sodass bei der Standard-Referenzspannung die Auflösung bei 4,88 mV (5 V/1024) liegt. Bei der Umwandlung eines bipolaren Signals liegt der Nullpegel in der Mitte des ADC-Bereichs, bei der Standard-Referenzspannung von 5 V also im Bereich von –2,5 V bis +2,5 V.