Interpolation analoger Sinussignale

Auflösung von Winkelmessungen erhöhen

01.09.2008 | Autor / Redakteur: Joachim Quasdorf* / Kristin Rinortner

Die Interpolation analoger Sinussignale ist eine Standard-Auswertefunktion bei Positionssensoren. Mit einem speziellen Verfahren ist es möglich, mehrere Messskalen auszuwerten und zu einem Positionswert zu kombinieren. Damit sind Messsysteme möglich, die eine hohe integrale Genauigkeit oder sehr hohe Auflösungen mit guter differenzieller Genauigkeit bieten. Für die Abtastung genügt ein kleiner optischer Sensor.

Aktuelle Mixed-Signal Sub-µm-CMOS-Technologien ermöglichen hochleistungsfähige System-on-Chip Designs mit integrierten Sensoren, z.B. mit Fotodioden oder Hall-Elementen zur Positionserfassung. Während optische Drehgeber bereits seit 1992 von Opto-ASICs profitieren und aufgrund feiner Maßverkörperungen auf Glas hohe Auflösung und Präzision bieten, musste für Magnetfeldsensoren die passende Auswerteschaltung erst gefunden werden. Inzwischen ist die Interpolation analoger Sinussignale eine Standardfunktion, mit der zum Beispiel lineare Wegmesssysteme Auflösungen unter 1 µm erreichen.

Wendet man dieses Verfahren räumlich versetzt mehrfach an, ist eine weitere Erhöhung der Ablesegenauigkeit möglich – ähnlich wie beim Messschieber, dessen Skalenprinzip der französische Mathematiker Pierre Vernier schon im 17. Jahrhundert vorgestellt hat.

Das als Nonius bekannte Prinzip erlebt nunmehr seine „elektronische Renaissance“ in integrierter Form: die Interpolationsschaltung iC-MN kann zwei oder drei Messskalen auswerten und zu einem Positionswert kombinieren.

Die Maßverkörperung selbst lässt sich dabei magnetisch oder optisch lesen, sie kann grob oder fein sein – die Auswertung bleibt gleich. Damit ergeben sich Alternativen zu etablierten Lösungen für lineare und rotative Positionsmessgeräte. Die reine Abtastung erfolgt vollkommen analog auf kleiner Fläche.

Ein interpolierendes Encoder-Herz

Bild 1: Optisches Nonius-System mit Interpolation auf drei Signalspuren
Bild 1: Optisches Nonius-System mit Interpolation auf drei Signalspuren

Einen präzisen Ablesewert durch den Vergleich einer Haupt- und einer Teilskala zu generieren, hilft nicht nur dem menschlichen Auge – das Prinzip ist vollständig auf elektronische Sensoren übertragbar und kann die Abtastung mehrerer aufgereihter digitaler Spuren vermeiden (Bild 1).

Bild 2: Drei Sinus-/Cosinus-Eingangssignale werden separat digitalisiert (Phasenwinkel a1 bis a3)
Bild 2: Drei Sinus-/Cosinus-Eingangssignale werden separat digitalisiert (Phasenwinkel a1 bis a3)

Der Schaltkreis iC-MN definiert die absolute Winkelposition über die Phasenlage dreier Sinussignale, an die jeweils geringere Genauigkeitsanforderungen gestellt werden, als dies bei nur zwei Skalen der Fall wäre. Die Masterspur α1 liefert die Feinauflösung und ist verantwortlich für die absolute Systemgenauigkeit, während die Noniusspur (α3) und die Segmentspur (α2) die Informationen zum Bestimmen des Intervalls liefern (Bild 2).

Bild 3: Der Winkelwert a wird aus den Phasenbeziehungen ß1 und ß2 berechnet, wobei a1 die Feinauflösung liefert
Bild 3: Der Winkelwert a wird aus den Phasenbeziehungen ß1 und ß2 berechnet, wobei a1 die Feinauflösung liefert

Das schrittweise Berechnen erhöht die zulässige Toleranz für Signalfehler, sodass an die Maßverkörperung und die Encoder-Mechanik geringere Anforderungen gestellt sind – oder der Spielraum für kleinere Bauformen genutzt werden kann (Bild 3).

Die auftretenden Signalfrequenzen sind alle in etwa gleich groß, sodass unterschiedliche Phasenlaufzeiten durch analoge Schaltungsteile mit Tiefpass-Charakteristik vernachlässigbar sind.

Zahlreiche Chip-Funktionen

Der Chip verfügt in jedem Kanal über eine separat einstellbare Signalkonditionierung mit Sample-&-Hold-Stufe, die das aufbereitete Analogsignal für die anschließende sequentielle Digitalisierung festhält. Dafür steht ein hochgenauer SAR-A/D-Wandler zur Verfügung, der eine einstellbare Interpolationsauflösung von 8 bis 13 Bit bietet.

Bereits im Analogpfad werden der Signal-Offset als Referenz der Kalibrierung ermittelt sowie Signalamplituden bewertet und optional die Energieversorgung der Sensoren nachgeführt. Dadurch bleiben bei Raumtemperatur eingestellte Konditionierungsparameter im gesamten Einsatztemperaturbereich gültig.

Der nichtlineare A/D-Wandler verwendet die Tangensfunktion und wertet Sinus- und Cosinuswerte gleichzeitig aus. Ein frequenzabhängiger Winkelfehler, den ein Regler als Geschwindigkeitsfehler interpretieren würde, entsteht hierbei nicht. Zum Berechnen hochaufgelöster Winkelpositionen sind 2- und 3-Spur-Nonius-Berechnungen konfigurierbar, die Auflösungen bis 25 Bit ermöglichen (0,04’’ aus 360°).

Der 7 mm × 7 mm große Wandler im QFN48-Gehäuse ist kabelseitig gegen Verpolen und Falschanschluss geschützt und beinhaltet den RS422-Transceiver für die serielle Datenschnittstelle. Die Ausgabe erfolgt im SSI- oder BiSS-Protokoll mit Taktraten von bis zu 10 MBit/s.

Alle Hauptfunktionen des Chips werden überwacht und sind für Alarmmeldungen konfigurierbar. Typische Sensorfehler wie beispielsweise Signalverlust durch Drahtbruch, Kurzschluss, Verschmutzung oder Altern werden erkannt und der Steuerung gemeldet.

Inhalt des Artikels:

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 265297 / Analog)