Der rasante Fortschritt in der digitalen Meßwerterfassung und -verarbeitung läßt den Anwender leicht übersehen, daß eine saubere analoge Signalkonditionierung die unabdingbare Voraussetzung für jegliche digitale Verarbeitung von Meßwerten ist. Teilweise kann eine einfache analoge Baugruppe auch eine Rechnerlösung von hohem Aufwand an Hard- und Software sowie Rechnerzeit und Speicherbedarf ersetzen bzw. den Aufwand stark reduzieren.

Signalkonditionierung

Signalkonditionierung ist die Schnittstelle zwischen Sensor und Auswerteeinheit. Diese kann ein hochauflösender highspeed-ADC/DSP sein, ebenso aber auch der Analogeingang einer SPS oder eines Reglerbausteins. Offensichtlich bedürfen diese unterschiedlichen Einheiten eine unterschiedliche Signalkonditionierung, die allerdings auf den gleichen Grundbausteinen basiert.

Daß jede Kette nur so stark wie ihr schwächstes Glied ist, gilt auch für die Meßkette vom Sensor bis zur Auswerteeinheit. Jedes reale Bauelement, jede reale Baugruppe ist nichtideal und damit fehlerbehaftet. Am Ende der Meßkette soll der gesamte Fehler geringstmöglich bzw. gerade noch tolerierbar sein.

Man unterscheidet systematische und zufällige Fehler. Systematische Fehler wie Abweichungen in Offset, Linearität und Verstärkung zeichnen sich durch ihre Reproduzierbarkeit aus. Durch eine Kalibrierung ist eine höhere Genauigkeit zu erreichen, indem die Fehler mittels geeigneter schaltungstechnischer Maßnahmen oder rechnerisch berichtigt werden.

Zufällige Fehler sind als Rauschen bekannt. Rauschen läßt sich nicht wegtrimmen. Die einzige Möglichkeit besteht darin, das Rauschen unterhalb des maximal zulässigen Pegels zu halten bzw. zu bringen. Rauschen wird zum einen vom Sensor miterfaßt, zum anderen bringt jedes Glied der Meßkette ein Eigenrauschen mit ein.

Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) einer Baugruppe gibt an, um wieviel kleiner das Ausgangsrauschen gegenüber dem Signal ist, wenn der Eingang der Komponente voll ausgesteuert wird. Wird ein ±10 V-Eingang nur mit ±1 V ausgesteuert, so sinkt das erreichte SNR um

20 * log (10 V / 1 V) = 20 dB oder ld (10 V / 1 V) = 3,322 bit.

Zum Vergleich die SNR, die ADC noch auflösen können, wenn der Fehler durch Rauschen maximal 1 LSB betragen soll:

8 Bit: -20*log(2 8) = -48,2 dB

12 Bit: -20*log(212) = -72,2 dB

14 Bit: -20*log(214) = -84,3 dB

16 Bit: -20*log(216) = -96,3 dB

Ein Beispiel aus der Praxis: Ein Sensor liefert ±500 mV. Die ADC-Karte (14 Bit) läßt sich auf FS (Full Scale) ±625 mV einstellen. Nun wird noch ein Anti-Aliasing-Filter mit -86 dB SNR (14,28 bit) bei FS ±5 V dazwischengeschaltet. Da das Filter nur mit ±500 mV ausgesteuert wird, erreicht das SNR in Praxis nur -66 dB (10,96 bit). Drei Bit des ADC liegen im Rauschen, die 14-Bit-Karte liefert gerademal 11 Bit rauschfrei!

Günstiger wäre es, das Signal zunächst um den Faktor 10 zu verstärken, das Filter optimal auszusteuern und die ADC-Karte im Eingangsbereich ±5 V zu betreiben. Allgemein ist zu bedenken, daß im Binärsystem schon der Faktor 2 dem Sprung um eine Größenordnung entspricht. Gerade vor einer AD-Wandlung muß die Verstärkung also feinstufig angepaßt werden.

Verstärker

Verstärker werden eingesetzt, wenn ein Signal in Amplitude oder Leistung vergrößert werden muß, weil es für eine Weiterverarbeitung zu klein ist. Grundsätzlich kann nur dann die optimale Genauigkeit eines Filters, Schreibers oder ADCs erreicht werden, wenn der Eingangsbereich voll ausgenutzt wird.

Natürlich soll das Meßsignal vom Verstärker nicht verfälscht werden. Das bedingt eine ausreichend hohe Bandbreite und ein geringes Eigenrauschen. Ebenso wichtig ist ein gutes Driftverhalten, eine geringe Offsetspannung und ein hoher Eingangswiderstand.

Je nach Anwendung, besonders in der Optimierungsphase, kann es äußerst hilfreich sein, wenn der Verstärker ohne Lötarbeiten in der Verstärkung feineinstellbar ist. Weitere nützliche Funktionen sind eine Umschaltung zwischen Gleich- und Wechselspannungsankopplung, eine Nullpunktautomatik sowie eine Pegelüberwachung mit Übersteuerungswarnung. Der Anwender kann die Verstärkung entsprechend anpassen und vermeidet fehlerhafte Daten.

Bei Differenzverstärkern ist in der Praxis oft zu beobachten, daß die bessere Störfestigkeit durch die Wahl eines ungeeigneten Steckers oder Kabels (koaxial) verschenkt wird. Störungen können nur dann gleichermaßen auf beide Eingänge einstreuen (und so in der Differenz verschwinden), wenn beide Zuleitungen symmetrisch gehalten sind.

Filter

Ein Filter ist eine Baugruppe mit frequenzabhängiger Verstärkung. Wenn die Spektren der erwünschten und der unerwünschten Signalanteile (z. B. Rauschen) in verschiedenen Frequenzbereichen liegen, können die unerwünschten Anteile im Idealfall völlig unterdrückt werden. Ein Filter kann so das SNR einer Meßkette erheblich verbessern.

Anti-Aliasing-Filter

Das wohl bekannteste Filter ist der Anti-Aliasing-Tiefpaß: Wird ein Signal im Zuge der Auswertung digitalisiert, so muß es nach dem Shannon'schen Abtasttheorem auf die Hälfte der Abtastrate bandbegrenzt werden. Die erforderliche Dämpfung ergibt sich aus der angestrebten Genauigkeit und dem Spektrum des Eingangssignals. Für ½ LSB Fehler bei n Bit Auflösung erhält man

D = -20 * log 2(n+1)

als maximal benötigte Dämpfung.

Wichtig für die Praxis ist, daß die Anti-Aliasing-Filterung mit einem zeitkontinuierlichen Tiefpaß durch nichts zu ersetzen ist! Eine mathematische Filterung der erfaßten Daten im Rechner muß scheitern, wenn die Daten durch Unterabtastung erst einmal fehlerhaft vorliegen.

Eine AA-Filterung ausschließlich mit einem getakteten Filter (switched-capacitor-Technik) ist ebenfalls fehlerbehaftet, weil ein solches Filter ja auch wieder ein Abtastsystem darstellt.

Üblicherweise wird ein solches Filter mit dem 100fachen der gewünschten Eckfrequenz getaktet. Nach Shannon darf das Eingangssignal daher schon vor der Filterung keine Frequenzanteile oberhalb des 50fachen der gewünschten Eckfrequenz enthalten.

Neben einem rein zeitkontinuierlichem AA-Filter ist lediglich eine Kombination aus einem zeitkontinuierlichem Vorfilter und einem getaktetem Filterbaustein hoher Steilheit denkbar. Das Vorfilter begrenzt die Signalbandbreite auf die Hälfte der Taktfrequenz des Hauptfilters.

Bei einer Änderung des Taktes wird lediglich die Grenzfrequenz des getakteten Filters beeinflußt. Das Vorfilter ist aber nur in einem engen Taktfrequenzbereich ausreichend. Unterhalb dieses Bereiches treten Aliasing-Effekte durch das getaktete Filter selbst auf, zumindest die niederwertigen Bits eines nachfolgenden ADC werden fehlerhaft. Oberhalb des Bereiches bedämpft das Vorfilter schon den Durchlaßbereich, der eigentlich 0 dB aufweisen soll. Für Eckfrequenzänderungen > ca. 5 % muß also das Vorfilter angepaßt werden!

Von den Anbietern der switched-capacitor-Bausteine wird immer wieder betont, daß diese Bausteine ganz ohne zusätzliche Komponenten auskommen. Seltener finden sich Hinweise, wo der Takt zur Ansteuerung herkommt. Es wird ein Taktgenerator mit programmierbarer Frequenz benötigt, dessen Grundschwingung üblicherweise das 100fache der Eckfrequenz ist. Ein rechteckförmiger Takt erzeugt zudem Oberwellen, sodaß plötzlich relativ hohe Frequenzen im Design vorliegen, die keinesfalls in das gefilterte Signal einstreuen dürfen.

Betrachtet man den Bauteil- und Designaufwand an Vorfilter und Taktgenerator, so kann zumeist auch das komplette Filter zeitkontinuierlich aufgebaut werden. Lediglich bei höherer Kanalanzahl von synchron einzustellenden Filtern kann sich die Kombilösung rechnen.

Je steiler das verwendete Tiefpaßfilter ist, desto geringer ist der Fehler in der Nähe der halben Abtastfrequenz, die Abtastrate kann besser ausgenutzt werden. Der Verlauf des Übergangs in die Sperrdämpfung ist abhängig von der Ordnung und der Charakteristik des Filters.

Bild 1 Übergang in die Sperrdämpfung

Bild 1 vergleicht drei Filter 8. Ordnung nach Bessel, Butterworth und Tschebyscheff. Die Frequenz ½ Fs (Sample-Frequency / Abtastrate) soll mit -75 dB gedämpft werden. Sinnvollerweise legt man die Kurven zum Vergleich nicht im -3 dB-Punkt, sondern im -75 dB-Punkt übereinander. Während das Tschebyscheff-Filter noch bei ca. 0,25 * Fs nahezu 0 dB Dämpfung aufweist, ist ein Butterworth-Filter nur bis etwa 0,13 * Fs geeignet. Die Dämpfung des Bessel-Filters setzt schon viel früher ein, ab ca. 0,02 * Fs werden die Frequenzen zunehmend abgeschwächt. Dieser Umstand ist bei einer Auswertung des Signals zu beachten.

Überschwingen

Die Frequenzabhängigkeit der Gruppenlaufzeit eines Filters ist von seiner Charakteristik abhängig. Daraus resultiert eine Signalverzerrung, die an den steilen Flanken eines Rechtecksignals gut zu beobachten ist. Bild 2 zeigt die Antwort zweier Filter auf ein Rechtecksignal, dessen Frequenz ca. 1/16 der Filtereckfrequenz beträgt.

Bild 2 Überschwingen

Ein Sprung des Eingangssignals von 0,00 V auf +10,00 V verursacht am Ausgang ein Überschwingen auf (typische Werte dreier vergleichbarer Filter 8. Ordnung):

+10,03 V Bessel

+11,63 V Butterworth/Tsch.

+10,13 V optimiertes Filter

Ein ADC mit +10 V FS wird z. T. stark übersteuert, obwohl das Signal am Filtereingang den zulässigen Bereich nicht überschreitet.

Es fällt auf, daß ein Filter mit besserem Übergang in den Sperrbereich ein höheres Überschwingen aufweist.

Bei steilflankigen Signalen ist ein Besselfilter trotz der Nachteile im Dämpfungsverlauf die beste Wahl.

Neben den klassischen Filtercharakteristiken nach Bessel, Butterworth und Tschebyscheff gibt es daher auch in Steilheit und Phasengang optimierte Filter, die bei relativ geringem Überschwingen einen recht steilen Übergang in die Sperrdämpfung bieten.

Bandsperren

Bandsperren entfernen selektiv Frequenzen aus dem gemessenen Signal, z. B. 50/100 Hz-Einstreuungen. Werden diese Frequenzen schon bei der Erfassung unterdrückt, so brauchen sie später nicht bei der Auswertung herausgerechnet werden.

Bandpässe-Bewertungsfilter

Tief-, Hoch- und Bandpässe erlauben die Eingrenzung des Frequenzbandes. So konnte z. B. bei der Überwachung einer Hydraulikpumpe der kritische Frequenzbereich selektiert werden. Das Ausgangssignal des Filters wurde anschließend einer Effektivwertbildung unterzogen. Bei einwandfreiem Pumpenlauf ist dieser Wert sehr klein, ein Ansteigen des Effektivwertes kündigt einen Schaden an.

Bild 3 Pumpenüberwachung

Die Effektivwertbildung und der Grenzwertvergleich können analog erfolgen, es wird kein ADC und kein Digitalrechner benötigt.

Ein weiteres Einsatzgebiet dieser sogenannten ‘Bewertungsfilter’ sind lauftechnische Untersuchungen. Für die Fahrkomfortmessung z. B. ist für jede der drei Raumachsen im Fahrzeug eine eigene Bewertungscharakteristik vorgegeben. Die Filter lassen nur den Frequenzbereich durch, der das Wohlbefinden der Passagiere beeinträchtigt.

Bild 4 Fahrkomfort nach EN12299

Der analog berechnete Effektivwert des gefilterten Signals kann unmittelbar ausgewertet werden. So reicht eine Erfassung von 3 * 12 Bit im Sekundentakt, die nur noch im Speicher abgelegt werden müssen. Eine DSP-Lösung hätte zunächst eine vielfach schnellere Abtastung erfordert. Für eine Bewertungsfilterung offline hätte die enorme Datenmenge zunächst gespeichert werden müssen, für eine Filterung in Echtzeit wäre ein Vielfaches an Rechenpower erforderlich gewesen.

RMS-DC-Konverter

Der Effektivwert eines Signals ist ein Äquivalent zu seiner Leistung bzw. Energie. Daher kann der Effektivwert eines Signals eine Aussage über Lager- und Materialbelastung sowie über die physiologische Wirkung auf Organismen geben. Falls erforderlich, wird dabei mit einem Bewertungsfilter die Empfindlichkeit des Meßobjektes gegenüber den verschiedenen Frequenzanteilen des Signalspektrums nachgebildet.

Ein analoger Effektivwertkonverter mit Spannungsein- und ausgang berechnet permanent die Gleichung

Ueff = Ö { 1/T * 0ò T U2(t)*dt}

und liefert eine zeitkontinuierliche Spannung, die mit SPS, Schreiber oder ADC verarbeitet werden kann. Ein digitaler RMS-Konverter muß fortlaufend abtasten und rechnen und liefert Digitalwerte.

Analogrechner

Neben RMS-Konvertern gibt es weitere analoge Baugruppen, die SPS oder Rechner entlasten können. Ein Analogmultiplizierer mit entsprechend ausgelegten Eingängen kann direkt die Meßspannungen einer Stromzange und eines Hochspannungstastkopfes multiplizieren, was die Wirkleistung ergibt. Die komplette Rechenschaltung ist problemlos in die Tastkopfspeisung zu integrieren, die sowieso benötigt wird. Mit einem Addierer kann zudem die Gesamtleistung über 3 Phasen ermittelt werden.

Quintessenz

Nicht umsonst wird in der Datenerfassung zumeist von 12/14/16 Bit AUFLÖSUNG gesprochen. Die entsprechende GENAUIGKEIT ist nur mit einer sorgfältigen Signalkonditionierung zu erzielen.

Für fixe Anwendungen müssen optimale Werte für Signalankopplung, Verstärkung, Abtastrate, Filterauslegung, eventuell RMS-Zeitkonstante, zunächst einmal ermittelt werden. Hilfreich dabei sind Baugruppen, die alle Möglichkeiten bieten und feinstufig einstellbar sind. Mit den ermittelten Kennwerten kann anschließend eine Minimallösung realisiert werden. Flexible Anwendungen erfordern grundsätzlich einstellbare Komponenten.

Signalkonditionierung in Einschubtechnik ermöglicht die Zusammenstellung eines maßgeschneiderten Meßsystems. Baugruppen können jederzeit aktualisiert oder hinzugefügt werden, ohne das ganze Meßsystem erneuern zu müssen.

Nach den technischen Daten ist die einfache Bedienbarkeit des Systems das zweitwichtigste Kriterium. Ein Drehknopf ist weder durch DIP-Schalter noch durch einen PC zu ersetzen.

Neben einer erheblichen Steigerung der Genauigkeit kann Analogtechnik auch eine deutliche Entlastung für Rechner und Programmierer bringen. Analoge Baugruppen arbeiten zeitkontinuierlich, stürzen nicht ab, ihr Ergebnis ist jederzeit verfügbar. Und letztendlich ist die Welt, in der wir leben, nach wie vor analog.




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