Das eBook Angewandte Mikroelektronik wurde von Hans Lohninger zur Unterstützung verschiedener Lehrveranstaltungen geschrieben. Weitere Informationen finden sie hier.


Datenerfassungssysteme

Nachdem auf den vorhergehenden Seiten alle Teilkomponenten eines Datenerfassungssystems zur Messung analoger Signale besprochen worden sind, soll nun noch das Bild eines Komplettsystems vermittelt werden. Obwohl es viele verschiedene Implementationsmöglichkeiten von solchen Systemen gibt, weisen sie doch alle in etwa dieselbe Struktur auf.
Grundbausteine eines analogen Datenerfassungssystem
Jeder der Sensoren Ti, der eine dem interessierenden Messsignal proportionale Spannung liefert, ist jeweils an einen Vorverstärker Ai angeschlossen, der das Signal verstärken (oder abschwächen) soll, um es auf einen standardisierten Pegel zu bringen (vorzugsweise entsprechend dem Eingangsspannungsbereich des AD-Wandlers). Nach den Vorverstärkern werden die Signale über einen analogen Multiplexer dem AD-Wandler zugeführt, dort digitalisiert und in digitaler Form an den ansteuernden Mikroprozessor weitergegeben.

Beim Aufbau eines Datenerfassungssystems sind einige wichtige Eigenschaften des Signals in Zusammenhang mit den Anforderungen an Messgenauigkeit, und zeitliche Auflösung zu berücksichtigen.

Die Eingangsverstärker sind so zu bemessen, dass das Eingangssignal alle folgenden Stufen voll aussteuert aber nicht übersteuert. Bei Signalen mit einer sehr großen Dynamik (Dynamik des Eingangssignals größer als die Auflösung des AD-Wandlers) ist unter Umständen ein programmierbarer Verstärker (PGA) vorzusehen, der es dem Mikroprozessor erlaubt, die Verstärkung der Größe des Eingangssignals anzupassen. Dadurch können mit derselben Messanordnung sowohl kleine als auch große Signale mit ausreichender Genauigkeit gemessen werden. PGAs mit binärer Abstufung der Verstärkung sind sehr gut für diese Aufgabe geeignet.

Neben der Anpassung der Amplitude sollte in der Eingangsverstärkerstufe auch sichergestellt werden, dass die maximal erlaubte Signalfrequenz nicht überschritten wird, um Aliasing-Effekte zu verhindern. Oftmals kann man den Eingangsverstärker gleichzeitig auch als Tiefpass-Filter beschalten, so dass die unerwünschten hochfrequenten Signalanteile ausgefiltert werden. Das Filter ist so zu bemessen, dass alle Frequenzanteile oberhalb der Nykvist-Frequenz ausgefiltert werden.

Vom Eingangsverstärker gelangt das Signal dann in den Multiplexer, der zwischen mehreren Kanälen umschalten kann. Der Multiplexer kann entweder mit Relais oder meist aber mit analogen Schaltern aufgebaut sein. Relais bieten den Vorteil, dass die Eingangsspannung beliebige Werte annehmen kann, sind jedoch nur für gelegentliches Umschalten zu gebrauchen, da der Schaltvorgang erstens langsam vor sich geht und zweitens die Kontakteigenschaften verändert. Für die meisten Anwendungen wird man analoge Multiplexer verwenden, die zuverlässig und schnell schalten.

Nach dem Multiplexer wird das Signal auf eine Sample & Hold-Schaltung und weiter zum AD-Wandler geleitet. Die Auswahl der Sample & Hold-Schaltung hängt stark von den Anforderungen des AD-Wandlers ab (Konversionsgeschwindigkeit, Genauigkeit, Eingangswiderstand, etc.) und soll an dieser Stelle nicht generell erläutert werden. Viele Hersteller von AD-Wandlern geben jedoch Typen von dazu passenden S&H-Bausteinen an.

Die Auswahl des AD-Wandlers geschieht meist nach drei Kriterien: Konversionszeit, Auflösung und Preis, wobei Konversionszeit und Auflösung meist ohnehin durch die Art des Problems fix vorgegeben sind.


Last Update: 2008-05-31