Sensorik

Zeitmessung zur Auswertung kapazitiver und resistiver Sensoren

02.02.16 | Autor / Redakteur: Norbert Breyer und Adrian Schwenck * / Gerd Kucera

Bild 1: Ein Time-to-Digital-Converter (TDC) misst kurze Zeitintervalle und wandelt das Ergebnis in einen digitalen elektrischen Wert um.
Bild 1: Ein Time-to-Digital-Converter (TDC) misst kurze Zeitintervalle und wandelt das Ergebnis in einen digitalen elektrischen Wert um. (Bild: IS-LINE / Fotolia)

Zeit als universellste aller physikalischen Größen ist am genauesten bestimmbar. Schwierige Messaufgaben werden daher über Time-to-Digital Converter gelöst. Der Artikel zeigt mögliche Anwendungen.

Ein neuartiger Ansatz für kapazitive Messungen aller Art ist das PicoCap-Messprinzip von acam-messelectronic (jetzt Teil der ams-Gruppe). Es basiert auf der hochgenauen Messung der Entladezeiten von RC-Gliedern. Zu diesem Zweck werden die zu messende Sensorkapazität und eine feste Referenzkapazität mit einem Widerstand verschaltet (Bild 2).

Durch unterschiedliche Entladewiderstände können verschiedene Messbereiche für die Kapazität gewählt werden. Die beiden Kapazitäten werden jeweils bis zu einer Versorgungsspannung Vdd geladen und dann über den Widerstand bis zu einer Trigger-Spannung Vth entladen (Bild 3). Für beide Kapazitäten wiederholt sich dieser Vorgang im Zeit-Multiplex mehrfach. Dabei werden die Entladezeiten immer ins Verhältnis zur Entladekurve der Referenzkapazität gesetzt, die möglichst in der gleichen Technologie wie die Messgröße gefertigt wird, um den Einfluss von Temperatur-Drift zu minimieren.

Integrierte digitale Time-to-Digital Converter

Die Entladezeiten werden mit einem sogenannten Time-to-Digital-Wandler (TDC) gemessen. Digitale TDCs sind integrierte Schaltungen zur hochgenauen Erfassung von kleinsten Zeitdifferenzen im Bereich von Nanosekunden (ns) bis hinunter in den Picosekunden-Bereich (ps). Sie tun dies ohne jegliche analoge Komponenten. Ihre Realisierung wurde erst durch die gewaltigen Innovationen in der Halbleitertechnologie möglich.

TDCs basieren auf der Durchlaufzeit einfacher logischer Gatter (z.B. Inverter), welche sie für die Quantisierung der Zeitdifferenz heranziehen. Durch den extrem hohen internen Takt ist eine sehr hohe Auflösung möglich; der Vergleich mit einer bekannten Kapazität macht das Verfahren unempfindlich gegenüber Schwankungen dieses Taktes.

Auflösungen im Bereich von 10 bis 100 ps können mit solchen Messkreisen und gängigen CMOS-Technologien erreicht werden. Praktisch gibt es keine Messbereichsgrenzen für die Kapazität: Sensoren im Bereich von 0 fF (1 Femto-Farad = 10-15 Farad) bis zu einigen hundert nF (1 Nano-Farad = 10-9 Farad) lassen sich so vermessen.

Um auch den Einfluss von parasitären Kapazitäten zu eliminieren, die das Messergebnis verfälschen könnten, wurde zudem ein Verfahren entwickelt, dass diese Einflüsse erfasst und herausrechnet. Somit lassen sich ganze Systemlösungen auf einem einzigen Chip (SoC) integrieren, die effizient, stromsparend, platzsparend und letztlich kostengünstig sind.

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