Was ist Signalkonditionierung? Signalkonditionierung meint im Folgenden die Bearbeitung von Analogsignalen in analogen Baugruppen mit dem Ergebnis eines besser oder überhaupt erst zu gebrauchenden neuen Analogsignals. Denn nach wie vor arbeiten die meisten Regelkreise noch immer analog, und die digitale Signalverarbeitung beginnt mit der AD-Wandlung eines Analogsignals. Beide Anwendungen stellen gewisse Ansprüche an die Signalqualität. Dieser Aufsatz spricht verschiedene Gesichtspunkte der Signalkonditionierung an, freilich ohne das gesamte komplexe Themengebiet abdecken zu können oder bis ins letzte Detail zu gehen. Anschließend werden einige nützliche Helferlein vorgestellt, die im Problemfall verblüffende Ergebnisse liefern und durch ihre kurze Lieferzeit manchen Zeitplan retten können. Für die Notwendigkeit der Signalkonditionierung gibt es zahlreiche Gründe:

Das Signal ist zu klein für eine brauchbare Auswertung

Der Eingangsbereich der Auswerteeinheit wird nicht ausreichend ausgesteuert, vielleicht nur 3-5 von 12 Bit. Der Signal-Rausch-Abstand (SNR) ist sehr schlecht. Abhilfe bringt ein passend ausgelegtes Verstärkermodul. Zwei Fliegen mit einer Klappe schlägt man, wenn ein ohnehin erforderliches Modul zur Signalbearbeitung (Filter, galvanische Trennung, RMS) mit einer Eingangsverstärkung ausgestattet werden kann.

Das Signal ist zu groß

Es übersteuert oder gefährdet die Auswerteeinheit. Ein Präzisionsteiler verkleinert das Signal. Ab ca. 100 kHz ist ein frequenz-kompensierter Teiler sinnvoll. Übersteigt das Eingangssignal den Niederspannungsbereich (Lebensgefahr möglich ab 42 V), so ist meist ein Teiler mit galvanischer Trennung erforderlich. Eine galvanische Trennung ist auch immer ein guter Schutz für die nachfolgende Elektronik.

Das Signal liegt auf gefährlich hohem Potential

Bei z. B. Umrichtern liegen Feedbacksignale und Ansteuerung von MOSFETs und Thyristoren im Klein-signalbereich, allerdings liegt die komplette Schaltung auf >380 V. Ein Trennverstärker zur galvanischen Trennung erlaubt eine gefahrlose Messung, eine Abschwächung oder Verstärkung des Messsignals kann direkt mit implementiert werden.

Das Signal ist gestört

Rauschen, Schaltspikes und unerwünschte Frequenzanteile führen zu unbrauchbaren Messwerten. Beispielsweise erreicht die Genauigkeit einer nachfolgenden AD-Wandlung nicht annähernd die Auflösung des Wandlers, oder der Nulldurchgang des Signals ist im Rauschen nicht eindeutig zu lokalisieren. Die Ursache der Störungen ist mitunter mysteriös. Eine "ursächliche" Lösung ist der Einsatz eines Trennverstärkers zum Öffnen von Erdschleifen: Bei Potentialunterschieden zwischen verschiedenen Punkten der Messkette sucht sich der Ausgleichsstrom den Weg des geringsten Widerstandes, wobei das nicht unbedingt im ohmschen Sinne zu verstehen ist, gerade bei höheren Frequenzen nicht. Diese oft wunderlichen Wege können zu Leitungsschleifen führen, die von Schutzleitern, Maschinen und ihren Sockeln, angeschlossenen Sensoren, Computer und Steckdosen gebildet werden.
In diese Ringantenne induziert jedes einwirkende elektromagnetische Feld unweigerlich einen Strom, der am ohmschen Widerstand der beteiligten Abschnitte eine Spannung abfallen lässt. Abhängig von Stärke und Frequenz der induktiven Einstreuung ist der Effekt, der sich natürlich dem Messsignal überlagert.
Eine andere Lösungsstrategie ist die "symptomatische Behandlung" mittels Filter: Ein Bandpass läßt gezielt Frequenzen von Interesse durch, eine Bandsperre entfernt bestimmte Frequenzanteile wie z. B. Netzbrummen von 50 Hz. Mit Tief- und Hochpass trennt man einen Durchlass- vom Sperrbereich, eine hohe Filterordnung erzielt dabei eine scharfe Trennwirkung. Beispielsweise ermittelt bei einem rotierenden Lager ein Hochpass verschleissbedingte Oberwellen, ein Tiefpass würde dagegen derartige Alterungseffekte ausblenden.

Beispiel für gestörtes Sprungsignal

Gegeben ist ein durch Rauschen gestörtes Sprungsignal. Der Nulldurchgang ist nicht eindeutig zu erkennen.
Nach der Tiefpassfilterung existiert nur ein Nulldurchgang.

Pulsbreitenmodulation

Die Ansteuerung durch Pulsbreitenmodulation beruht darauf, dass die Last Tiefpassverhalten hat. Diese Bedingung ist durch die träge Masse von Motoren, Tauchankern und -spulen erfüllt. Die Speiseimpulse werden in Praxis zwar verschliffen, enthalten aber immer noch Oberwellen von den ursprünglichen Rechteckimpulsen. Wird die Ansteuerung durch Spannungsmessung überwacht, so steckt die gestellte Leistung in der aufmodulierten Grundschwingung. Die verbliebenen Oberwellen sind problematisch, bei einer Messung der Ansteuerung per AD-Wandler werden sie bei zu geringer Abtastrate durch den Aliasing-Effekt den Messwert stark verfälschen.

Aliasing-Effekt durch höherfrequente Signalanteile

Wenn das Signal Frequenzanteile oberhalb der halben Abtastrate f_Sample/2 des AD-Wandlers enthält, führt das zum sogenannten Aliasing-Effekt: Die Frequenz wird an f_Sample/2 gespiegelt. Beispiel: Eine Frequenz 10 Hz unterhalb f_Sample/2 wird bei der AD-Wandlung nicht beeinflusst, eine Frequenz 10 Hz oberhalb erscheint nach der AD-Wandlung als eine Frequenz 10 Hz unterhalb f_Sample/2. Das ist das natürlich eine gefährliche Fehlerquelle.

Aliasing-Effekt: Die schnelle Schwingung (blau) wird anhand der Abtastwerte (rot) fehlerhaft als langsame Schwingung (grün) interpretiert.
Die einzige Lösung ist ein Tiefpassfilter, dessen Eckfrequenz an die Abtastrate angepasst ist. Es dämpft Signalanteile oberhalb f_Sample/2 soweit, dass sie nicht stören.

Das Signal hat keine zur Auswertung geeignete Form

Manchmal ist der Messwert der Widerstand eines potentiometrischen Gebers, RTDs wie PT100 oder PT1000, der Abgriff einer Teil- oder Vollbrücke, oder ein Strom (oft 0/4-20 mA). Die Signalkonditionierung macht daraus eine Spannung, z. B. im Industriebereich ±10 V. Im weiterem Sinne gehört zur Signalkonditionierung auch die Sensorversorgung mit Brückenspannung oder Konstantstrom. Bei konstantstromgespeisten Brücken entfällt der Einfluß des Zuleitungswiderstandes, bei Schwingungsaufnehmern mit 4 mA-Speisung (bekannt unter ICP®, eingetragenes Warenzeichen der PCB-Piezotronics) wird die über dem Sensor abfallende Spannung moduliert und wechselspannungsmäßig ausgekoppelt.

Das Signal repräsentiert nicht die benötigte physikalische Größe

Eigentlich wird der Mittel- / Effektiv- / Spitzenwert oder der gleichgerichtete / integrierte / differenzierte Wert benötigt. Eine Analogschaltung konvertiert das Signal in Echtzeit, kann nicht abstürzen und muss nicht programmiert werden. Diese Art von Signalkonditionierung kann auch ein Rechner nach AD-Wandlung des Signals durchführen. Ein einfacher Regler oder SPS kann es meist nicht und braucht das Signal analog aufbereitet. Es sei auch darauf hingewiesen, dass das digitale Pendant manch simpler Analog-funktion erhebliche Rechnerpower benötigt.

Signalkonditionierung mit der Serie TS

Für die meisten der oben genannten Punkte bietet die Serie TS von IMD eine Lösung. Das Lieferprogramm umfasst Tief-, Hoch- und Bandpassfilter bis zu 8. Ordnung bei vier einstellbaren Eckfrequenzen, diese und die Charakteristik werden dabei nach Kundenwunsch ausgelegt. Dazu gibt's Verstärker, galvanische Trennung, Sensorspeisung, RMS-Wert-Ermittlung, Präzisionsgleichrichter und Summierer. Die Module zum Aufschnappen auf 35 mm-Tragschiene kombinieren teilweise auch zwei oder drei Funktionen, was Platz, Verdrahtungszeit und Geld spart. Der Standard-Signalbereich ist ±10 V oder 0-20 mA. Versorgt werden die Module mit industrieüblichen 24 V DC, Varianten für KFZ-Bordnetz oder Betrieb an 5 V DC sind auch lieferbar.

Kundenspezifische Ausführung innerhalb 48 Stunden

Mit schöner Regelmäßigkeit tauchen die oben genannten Probleme ausgerechnet in letzter Sekunde bei der Inbetriebnahme von Anlagen und Prüfständen auf. Oder eine kleine Änderung an einer bestehenden Anlage verursacht große Probleme bis hin zum Anlagenstillstand. In dieser Situation ist keine Zeit für ungezielte Experimente, eine schnelle Lösung ist gefragt.. Aus diesem Grunde hat IMD die Serie TS als schnelle Notfallhilfe entwickelt, maßgeschneiderte Signalauf-bereitung für die Tragschiene. Die Module sind extrem flexibel in ihrer Auslegung und äußerst einfach in der Handhabung: Anschließen - läuft! Damit es schnell geht, werden vorbereitete Baugruppen für jeden Einzelfall individuell fertiggestellt und meist innerhalb 2 Tagen geliefert. Auch als Einzelstück und zu einem Preis, zu dem der Anwender nicht selbst entwickeln kann. Inclusive eingehender Beratung durch einen erfahrenen IMD-Ingenieur. Für die letzte Restunsicherheit zwischen Theorie und Praxis bieten z. B. Filter mit bis zu vier einstellbaren Eckfrequenzen und RMS-Konverter mit drei wählbaren Zeitkonstanten noch Variabilität. Die Serie TS ist eigentlich ein schönes Beispiel für Deutschland als innovativer, flexibler, praxisnaher und kundenorientierter Standort.

Signalkonditionierung - selbst machen oder kaufen?

Natürlich stellt sich (bzw. der Einkauf) die Frage, ob man eine Schaltung zur Signalkonditionierung nicht selbst machen kann. Hier gilt wie überall im Leben: Erstens dauert's länger, und zweitens als man denkt. Vorteilhaft ist, wenn man weiss, dass es so etwas wie z. B. ein Filter überhaupt gibt. Dann geht's los: