Analog-Front-Ends für Sensoren Abkürzung auf dem Signalpfad

Entwickler von Sensor-Signalpfaden nutzen bis dato in der Regel diskrete analoge Lösungen, deren Design meist Wochen oder gar Monate in Anspruch nimmt. Ist das Design fertiggestellt, muss es gebaut und getestet werden, wofür weitere Wochen veranschlagt werden müssen. Anschließend sind noch die System-Algorithmen zu programmieren, mit denen sich - hoffentlich - ein Alleinstellungsmerkmal auf dem Markt erzielen lässt. Eine neue Familie von Sensor-Analog-Front-Ends kann die Entwicklungszeit deutlich verkürzen.

Bei einem Sensor-Analog-Front-End (AFE) handelt es sich keinesfalls um ein Produkt, mit dem man den Signalpfad-Anforderungen jeglicher Sensoren gerecht werden kann. Es ist weder praktikabel noch erstrebenswert, einen universellen Baustein zu produzieren, der den Anforderungen vieler Sensoren gerecht wird, denn für die einzelnen Sensor-Applikationen müssten hier zu viele Kompromisse eingegangen werden.

Zum Beispiel verlangt ein Temperaturgeber, der in vielen industriellen Umgebungen mithilfe einer 4…20-mA- Stromschleife angeschlossen wird, nach einer Lösung mit sehr geringer Leistungsaufnahme, während andere Parameter wie Bandbreite, Geschwindigkeit und Rauschen in den Hintergrund treten. Eine geeignete Lösung für diese Anwendung unterstützt eine variable Abtastrate von 1 bis 200 Samples/s und hat ein Eigenrauschen von 7 µVRMS , kommt dafür aber mit einem Strom-Budget deutlich unter 4 mA aus. 

Ein anderer Fall ist eine Waage, die das Gewicht eines sich rasch vorbeibewegenden Objekts schnell erfassen muss. Hier wird eine Abtastrate von 4 kSamples/s benötigt. Der größere Eingangs-Dynamikbereich der Waagen-Applikation erfordert darüber hinaus ein deutlich niedrigeres Eigenrauschen von 15 nVRMS.

Aus diesem Grund unterscheidet die neue Sensor-AFE-Produktfamilie von National Semiconductor zwischen mehreren Kategorien von Sensor-Applikationen. Die Sensor-AFEs sind somit als optimierte Lösungen für jeweils eine bestimmte Sensor-Familie (z.B. Temperatur-Sensoren, Gas-Sensoren oder Druck-Sensoren/Waagen) konzipiert.

Weitgehende Programmier- und Diagnosefähigkeiten

Sensor-AFEs erfüllen nicht nur die technischen Spezifikationen des Sensor-Signalpfads, sondern lassen sich außerdem per SPI- oder I2C-Bus softwaremäßig konfigurieren. Sie können daher auf die spezifischen Anforderungen einer bestimmten Sensor-Applikation abgestimmt werden. Veranschaulichen lässt sich dies an einem Thermoelement. Es hat den Vorteil eines großen Temperaturbereichs, allerdings mit der Konsequenz, dass seine Ausgangsspannung abhängig von der gemessenen Temperatur über einen weiten Bereich variiert. Für Systemdesigner ist es deshalb günstig, wenn sich die Verstärkung des Signalpfads dynamisch anpassen lässt.

Genau dies ist beim LMP90100 (Bild 1) der Fall. Der Baustein ist für präzise, wenig Strom aufnehmende Messwertaufnehmer-Applikationen vorgesehen.

Bild 2 zeigt eine Dreileiter-Beschaltung für ein Widerstandsthermometer. Im LMP90100 steht dem Anwender ein programmierbarer Verstärker zur Verfügung, dessen Verstärkungsfaktor auf Werte zwischen 1 und 128 programmiert werden kann. Durch die Einstellung eines höheren Verstärkungsfaktors kann der Eingangs-Dynamikbereich des integrierten 24-bit-Sigma-Delta-A/D-Wandlers besser ausgeschöpft werden. Auch die Eingangskonfiguration ist programmierbar, denn die einzelnen Arten von Temperatur-Sensoren stellen unterschiedliche Anforderungen an die Konfiguration.

Die Sensor-AFEs enthalten zu diesem Zweck einen vollständig programmierbaren Eingangs-Multiplexer (MUX), mit dessen Hilfe sich die acht verfügbaren Eingangs-Pins völlig frei konfigurieren lassen. Weitere programmierbare Merkmale sind Stromquellen, mehrere Spannungsreferenz-Optionen und die Abtastrate.

Abgesehen von ihrer Programmierbarkeit per Software gibt es auch Diagnosefunktionen, mit denen sich der Zustand des Sensors abfragen lässt. Dies ist insbesondere dann sehr nützlich, wenn die Distanz zwischen Sensor und Zentrale Hunderte oder gar Tausende von Metern beträgt. Beispielsweise ist es in Anlagen für die Lebensmittelproduktion zur Qualitätssicherung des jeweils hergestellten Produkts unbedingt notwendig, bei der Herstellung bestimmte Temperaturen oder Drücke einzuhalten. Die zentrale Steuerung muss deshalb die Möglichkeit haben, in regelmäßigen Zeitabständen den einwandfreien Zustand eines Sensors zu überprüfen. Nur so besteht Gewissheit, dass die Messwerte korrekt sind.

Der LMP90100 bietet die Möglichkeit, Stromquellen für diese Sensor-Diagnose zu aktivieren. Ist der Sensor-Stromkreis unterbrochen, steigt das Potential am Eingang durch das Aktivieren der Stromquelle bis auf die positive Versorgungsspannung an, so dass der Fehler entsprechend erkannt und gemeldet werden kann.

Ist dagegen ein Kurzschluss aufgetreten, entsteht durch die Stromquellen ein Signal niedriger Amplitude, das mit einem vom Anwender programmierten Grenzwert verglichen wird, um echte oder Beinahe-Kurzschlüsse zu erkennen. Dank der Programmierbarkeit der Kurzschluss-Grenzwerte lassen sich auch solche Sensoren feststellen, die noch intakt sind, aber kurz vor einem Ausfall stehen.

Eine weitere Möglichkeit der Diagnose von Sensoren besteht darin, die Konfiguration des zugehörigen Sensor-AFE geringfügig zu verändern und zu beobachten, wie das Ausgangssignal des Sensors hierauf reagiert. Zum Beispiel bietet das Gas-Sensor-AFE LMP91000 (Bild 3) die Möglichkeit, die Vorspannung eines Gas-Sensors zu verstellen, was die Empfindlichkeit des Sensors verändert. Die zentrale Steuerung kann durch Variieren der Vorspannung die Sensor-Empfindlichkeit verändern und prüfen, ob das Ausgangssignal des Sensors in der erwarteten Weise reagiert. Sensoren, bei denen sich Verschleißerscheinungen zeigen oder ein Ausfall kurz bevorsteht, lassen sich so erkennen und ersetzen, bevor es zu Folgeschäden kommt.

Als weitere applikationsspezifische Ausstattungsmerkmale einiger Sensor-AFEs sind mehrere Stromspar-Betriebsarten und die kontinuierliche Kalibrierung im Hintergrund zu nennen. Die Betriebsarten mit reduzierter Leistungsaufnahme sind besonders bei jenen Sensor-AFEs sinnvoll, die für tragbare elektronische Geräte und Messwertaufnehmer-Knoten an 4…20-mA-Stromschleifen vorgesehen sind.

Der LMP91000 ist beispielsweise für portable Giftgas-Detektoren konzipiert. Diese Geräte werden wegen der langen Einschalt-Zeitkonstanten der Sensoren niemals vollständig abgeschaltet. So kommt es darauf an, dass mehrere Betriebsarten zur Verfügung stehen. Im Normal-Modus wird der Sensor-Ausgang überwacht und die Stromaufnahme beträgt 10 µA. Im Standby-Modus dagegen bleibt zwar die Vorspannung am Sensor bestehen, doch es werden keine Messungen vorgenommen, wodurch sich die Stromaufnahme auf 6 µA reduziert. Damit wird erreicht, dass sich die Reaktivierungszeit von Stunden auf nur wenige Sekunden verringert. Ähnlich wie die Gas-Detektoren müssen auch die Messwertaufnehmer-Knoten mit gezieltem Blick auf geringe Leistungsaufnahme optimiert werden, da sie ihren Strom direkt aus der Stromschleife beziehen und die Gesamt-Stromaufnahme des Signalpfads unter 4 mA bleiben muss.

Die optimale Abtastrate ist deshalb für jeden Sensor einzeln festzulegen. Wenn der eine Sensor nur mit 1 S/s abgefragt werden muss, während bei einem anderen mehrere Messungen mit 200 S/s durchzuführen sind, kann man jeden Signalpfad-Kanal unabhängig von den anderen mit seiner individuellen Abtastrate betreiben. Abgesehen davon lassen sich nicht benötigte Funktionen wie interne Takt- und Stromquellen deaktivieren, um die Leistungsaufnahme zu minimieren.