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Analoge-/Mixed-Signal-ICs
Bild 1, oben: Basisschaltung ratiometrisches
Messen.
Bild 2, rechts: Trennung von Interface
und Ratiometrischer Topologie für
energieeffiziente, resistive Brückensensor-Signalmessung
(zum Beispiel im
ZSSC3016 von ZMDI).
Alle Bilder: ZMDI
räten zu finden sind; eine Betriebsspannungs-Störunterdrückung
von bis 90 dB ohne die Notwendigkeit zusätzlicher, externer Komponenten
steht hier zur Verfügung.
Analoge Korrektur ist nur die Hälfte
Analoge Leistungsparameter sind für die letztliche Sensormesswertqualität
sehr wichtig; doch die digitale Signalkorrekturfähigkeit
ist ebenfalls von wesentlicher Bedeutung. Typischerweise besitzen
Sensorsysteme eine inhärente Nichtlinearität, welche sich
sowohl aus der eigentlichen Messgröße ergibt (zum Beispiel Höhenluftdruck,
hydrodynamischer Druck und Torsionsschwingung)
als auch aus der Sensor-Charakteristik selbst. Zusätzlich besteht
nicht nur bei resistiven Sensoren häufig ein nichtlinearer Zusammenhang
zwischen Sensorsignal und Umgebungs- bzw. Sensorsystemtemperatur.
Um daraus resultierende Messwertverläufe zu linearisieren
und dadurch für die nachfolgende Auswertung optimal
nutzbar zu machen, beinhaltet der ZSSC3016 beispielsweise eine
speziell angepasste, digitale Verarbeitungseinheit, welche bis zu 7
verschiedene 18 Bit genaue Kalibrierkoeffizienten berücksichtigen
kann. Die entsprechend notwendigen Kalibrierpunkte sind für jedes
Sensor-IC-Paar spezifisch und müssen jeweils separat, in der
Regel während der Inbetriebnahme des Sensorsystems, ermittelt
werden. Dazu unterstützten die ZMDI-SSCs derartige Korrekturmethoden
durch zusätzlich integrierte Temperatursensoren, die
wie im ZSSC3016 mit einer rauschfreien Auflösung von unter
0,005 K/LSB im Bereich -40...+85 °C eine eigene Klasse für sich
bilden könnten.
Darüber hinaus können schaltkreisinterne Signaloffsets, V off
über eine so genannte Auto-Zero-Messung (AZ) bestimmt und
letztlich das eigentlich gewünschte Sensorsignal damit korrigiert
werden. Dafür wird direkt am IC-Eingang der Signalpfad kurzgeschlossen.
Zusätzlich zur Signalkorrektur ermöglicht die AZ-Messung
die inhärente Applikations-Diagnose zur Überwachung von
zum Beispiel Systemstabilität und Driftverhalten.
Mit diesen Methodiken lassen sich nichtlineare und temperaturabhängige
Messgrößen und Sensorsignale optimal für die eigentliche,
auf die Messwertermittlung folgende Informationsverarbeitung
vorbereiten.
Standard-Features
Bestehende und zukünftige Sensorinterface- und SSC-Schaltkreise
von ZMDI bieten neben den erläuterten Eigenschaften unter anderem
industriestandard-konforme und inhaltsflexible Digitalschnittstellen,
wie I 2 C (bis 3,4 MHz) oder SPI (bis 20 MHz). Als
Basis-IP für den ADC wird eine in Auflösung und Segmentierung
programmierbare Charge-Balancing-Architektur eingesetzt. Hier
kann zwischen reiner MSB-Wandlung (Most Significant Bit) und
kombinierter MSB/LSB-Wandlung (LSB, Least Significant Bit) gewählt
werden, wobei ein anwendungsspezifisches Optimum zwischen
Wandlungsgeschwindigkeit und weiterer Rauschreduktion
des Messergebnisses einstellbar ist. Komplett SSC-korrigierte,
16-Bit-aufgelöste Wandlungsergebnisse können mit einer Rate von
bis zu 175 s -1 erzeugt werden. Mittels feinstufig programmierbarer,
analoger Vorverstärkung und anpassbarer ADC-Eingangsoffset-
Verschiebung lassen sich ICs, der ZSSC31016 und andere auf verschiedenste
Signalverläufe von Umgebungssignal sowie Sensorelementcharakteristiken
(insbesonders Offset, Empfindlichkeit und
Messbereich) und somit für nahezu jede Messaufgabe anpassen.
Letztlich bietet ZMDI dem Markt für Standard-ICs mit seinen
16-Bit-Schaltkreisen die Möglichkeit, größenoptimierte und energieeffiziente,
intelligente Sensoren mit Leistungsparametern zu realisieren,
die bisher nur von ASIC-basierten oder Einzelchiplösungen
bekannt waren. (jj)
n
Bild 3: Typische Operationsmodi von ZMDI: Sensorinterface- und Sensor-
Signal-Conditioning-ICs.
Der Autor: Dr. Marko Mailand ist Projektmanager für Mixed-
Signal-IC-Entwicklung im Bereich Medical, Consumer und
Industrial bei ZMDI in Dresden.
70 elektronik industrie 03/2012
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