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Sensorschnittstellen Diskrete oder integrierte Lösung für die Sensorkonditionierung?

| Autor / Redakteur: Debbie Brandenburg * / Kristin Rinortner

Entwickler haben die Wahl zwischen einer eigenständigen Sensorkonditionierung oder einem analogen Front-End für die Sensorschnittstelle. Was ist für welche Anwendung optimal?

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Diskret oder integriert: Systementwickler haben die Wahl zwischen der Entwicklung einer eigenständigen Sensorkonditionierungs-Funktion oder der Nutzung eines eher integrierten Analog-Front-Ends für die Sensorschnittstelle.
Diskret oder integriert: Systementwickler haben die Wahl zwischen der Entwicklung einer eigenständigen Sensorkonditionierungs-Funktion oder der Nutzung eines eher integrierten Analog-Front-Ends für die Sensorschnittstelle.
(Bild: Exar)

Unsere Welt steckt voller intelligenter Produkte und Technologien, die unser Leben effizienter und bequemer machen und uns vernetzen und informieren. Wir kommen jeden Tag mit diesen Geräten in Berührung. Immer mehr Städte bedienen sich intelligenter Ampeln, die sich an die aktuellen Verkehrsbedingungen anpassen. Smarte Straßenlaternen und Bürobeleuchtungen werden automatisch gedämmt oder ausgeschaltet, wenn niemand in der Nähe ist, und sparen so Energie.

Hocheffiziente Waschmaschinen bestimmen den Wasserstand für jede Waschladung anhand des Gewichts der eingefüllten Kleidung. Smarte Fahrzeuge reagieren auf ungünstige Bedingungen und verfügen über Einparkhilfen. Handys reagieren nicht nur auf Berührungen sondern auch auf deren Intensität. Viele dieser Systeme enthalten mehrere analoge Sensoren, die zum Erfassen von Druck, Temperatur, Kraft, Position, Licht, Durchfluss, Schall, Geschwindigkeit, Wärme usw. dienen.

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Zwischen dem analogen Sensor und der digitalen Signalverarbeitung liegt eine wichtige elektronische Schnittstelle, die das elektrische Signal so konditioniert, dass es im Bereich des nachgeschalteten A/D-Wandler liegt. Dieser Schnittstellenblock für die Signalkonditionierung oder Sensor ist in Bild 1 dargestellt.

Analoge Sensoren erzeugen ein elektrisches Signal, das gewöhnlich sehr schwach und von Rauschen umgeben ist. In vielen Fällen gibt es keine zwei völlig identischen Sensoren. Jeder von ihnen hat seine eigene, einzigartige Rauschsignatur, gibt seinen eigenen Offset in den Signalweg ein und benötigt eine andere Verstärkung, um den Anforderungen des nachgeschalteten A/D-Wandlers zu entsprechen. Das Kalibrieren des Systems, das Unterscheiden des Signals vom Rauschen sowie seine Verstärkung sind für die Leistungsfähigkeit des Systems entscheidend.

Heutzutage haben Systemdesigner die Wahl zwischen der Entwicklung einer eigenständigen Sensorkonditionierungsfunktion oder der Nutzung eines eher integrierten Analog-Front-Ends (AFE) für die Sensorschnittstelle. Leider gibt es nie eine eindeutige Wahl, die für alle Anwendungen optimal ist. Es sind immer Aspekte wie Stellfläche, Benutzerfreundlichkeit, Flexibilität, Leistung, Preis und Funktionalität zu beachten. Dieser Artikel beschreibt einige Vor- und Nachteile dieser Aspekte.

Vergleich der benötigten Fläche auf der Leiterplatte

Wenn der verfügbare Platz ein wichtiger Punkt ist, dann ist in der Regel eher eine integrierte Lösung wünschenswert. Nehmen wir zum Beispiel ein System mit 16 Hall-Effekt-Sensoren zur Überwachung des Stroms in einer Solarmodul-Anwendung. Der XR10910 ist ein 16:1-Sensorschnittstellen-AFE, benötigt eine Stellfläche von 6 mm x 6 mm und integriert einen 16:1-Differential-Multiplexer, einen programmierbaren Instrumentenverstärker, einen D/A-Wandler mit 10-Bit-Offset-Korrektur sowie einen Low-Dropout-Regler (Bild 2).

Der XR10910 AFE macht es möglich, dass jeder Hall-Effekt-Sensor einen eindeutigen Verstärkungs- und Offset-Korrekturweg erhält. Diese Funktion kann als eigenständige Lösung verwendet werden, jedoch verdoppelt sich dann die Stellfläche und der Stromverbrauch vervierfacht sich; siehe dazu das Beispiel in Tabelle 1. Es bieten sich verschiedene Möglichkeiten, für diese Funktion eine eigenständige Lösung umzusetzen.

Tabelle 1 berücksichtigt nur eine davon. In den meisten Fällen bietet ein AFE in Bezug auf die Grundfläche einen deutlichen Vorteil gegenüber der eigenständigen Variante.

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