Sensorsignalkonditionierung: Von der Rohmessung zum genauen Ablesen
So entwerfen Sie die Verstärker-, Filter- und ADC-Schnittstelle zwischen einem Sensor und einem Mikrocontroller. Deckt RTDs, Thermoelemente, Wägezellen, Stromshunts und 4-20-mA-Schleifen ab.
Was ist Signalkonditionierung?
Sensoren erzeugen kleine, verrauschte oder nichtlineare Signale, die mit den ADC-Eingängen von Mikrocontrollern nicht kompatibel sind. Die Signalkonditionierung ist das analoge Frontend, das diese Signale in saubere, skalierte Spannungen umwandelt, die sofort digitalisiert werden können.
Die Signalkette: Sensor → Erregung → Verstärkung → Filterung → ADC
Jede Stufe führt zu Fehlern. Verwenden Sie den [Budgetrechner für die Sensorgenauigkeit] (/calculators/sensor/sensor-accuracy-budget), um die Gesamtsystemgenauigkeit entlang der gesamten Kette zu verfolgen.
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RTD-Signalkonditionierung (PT100/PT1000)
Ein RTD (Resistance Temperature Detector) ändert den Widerstand mit der Temperatur. Der PT100 folgt der Callendar-Van Dusen-Gleichung:
„MATHBLOCK_0“
wo „MATHINLINE_10“ /°C, „MATHINLINE_11“ /°C².
Verwenden Sie den [PT100-Widerstandsrechner] (/calculators/sensor/pt100-resistance), um R bei jeder Temperatur zu ermitteln.
Messkreis
Der klassische Ansatz ist eine Konstantstromquelle über den RTD, die die Spannung misst:
„MATHBLOCK_1“
3-Draht-Verbindung vermeidet Leitungswiderstandsfehler, indem der Spannungsabfall am RTD getrennt vom stromführenden Leitungswiderstand gemessen wird. 4-Draht-Anschluss (Kelvin) eliminiert jeglichen Leitungswiderstand und erreicht mit einer Präzisionsstromquelle eine Genauigkeit von 0,01 °C.Wichtige Überlegungen
- Selbsterhitzung: Zu viel Erregerstrom erwärmt den RTD. Halten Sie „MATHINLINE_12“ mW aufrecht.
- Verwenden Sie einen geräuscharmen Instrumentenverstärker (INA128, AD8221)
- PT1000 wird für batteriebetriebene Designs bevorzugt (höherer Widerstand = kleinerer Erregerstrom)
Signalkonditionierung durch Thermoelemente
Thermoelemente erzeugen eine sehr kleine EMF (Mikrovolt bis Millivolt), die proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der heißen und der kalten Verbindungsstelle ist:
„MATHBLOCK_2“
wobei „MATHINLINE_13“ der Seebeck-Koeffizient ist (Typ K: ~41 μV/°C).
Verwenden Sie den [Thermoelementspannungsrechner] (/calculators/sensor/thermoelement-voltage), um die erwartete EMF zu ermitteln.
Kompensation an kalten Stellen
An der Kaltstelle wird das Thermoelementkabel mit Ihrer Leiterplatte verbunden. Die Temperatur muss gemessen werden (normalerweise mit einem NTC oder RTD auf der Leiterplatte) und dem Messwert hinzugefügt werden.
Integrierte ICs wie der MAX31855 (Typ K) oder der LTC2986 sorgen intern für Verstärkung, Kaltstellenkompensation und Linearisierung. Verwenden Sie diese, sofern Sie keinen Grund haben, dies nicht zu tun. Diskretes Design erfordert: 1. Verstärkung von ~10 mV/°C durch einen Präzisionsinstrumentenverstärker 2. Ein separater Temperatursensor zur Kompensation an kalten Stellen 3. Eine Linearisierungs-Suchtabelle oder ein Polynom in der Firmware---
Signalkonditionierung von Wägezellen/Dehnungsmessstreifen
Eine Wägezelle ist eine Wheatstone-Brücke aus Dehnungsmessstreifen. Die Ausgangsleistung liegt in der Regel bei 1—3 mV/V der Erregung:
„MATHBLOCK_3“
Bei 5-V-Anregung und 2 mV/V-Empfindlichkeit, Endwert = 10 mV — winzig und geräuscharm.
Verwenden Sie den [Wägezellenverstärker-Rechner] (/calculators/sensor/load-cell-amplifier), um die erforderliche Verstärkung zu ermitteln.
Auswahl des Verstärkers
INA125P/INA128 sind klassische Optionen. Der INA125 enthält eine präzise Spannungsreferenz für die Erregung:- Stellen Sie die Verstärkung mit einem externen Widerstand ein: „MATHINLINE_14“
- RTI-Rauschen: ~8 nV/√Hz typisch — ausreichend für 24-Bit-ADC
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Stromerfassung mit Shunt-Widerständen
Der Strom wird anhand des Spannungsabfalls an einem Shunt-Widerstand mit niedrigem Wert gemessen:
„MATHBLOCK_4“
Ein 10-mΩ-Shunt bei 10 A ergibt 100 mV — ein vernünftiges Signal für einen Differenzverstärker.
Verwenden Sie den [Current Shunt Calculator] (/calculators/sensor/current-shunt), um die Shunt-Spannung, die Verlustleistung und die ADC-Auflösung zu überprüfen.
Messung im Vergleich zu Hochseitenerfassung
Low-Side (Shunt zwischen Last und GND) : Am einfachsten. Der einseitige Verstärker funktioniert. Problem: Die Last befindet sich nicht auf dem wahren Boden. Hochseite (Nebenschluss zwischen Versorgung und Last) : Die Last bleibt auf dem wahren Boden, es erfolgt keine Bodenverschiebung der Last. Erfordert einen Differenzverstärker oder einen bidirektionalen Strommess-IC (INA219, INA240).Shunt-Widerstand auswählen
„MATHBLOCK_5“
Ziel „MATHINLINE_15“ = 50—100 mV bei voller Skala. Zu klein → schlechtes SNR. Zu groß → übermäßige Verlustleistung („MATHINLINE_16“).
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Signalkonditionierung mit Fotodioden und optischen Sensoren
Photodioden erzeugen Strom, der proportional zum einfallenden Licht ist. Ein Transimpedanzverstärker (TIA) wandelt dies in Spannung um:
„MATHBLOCK_6“
Ein Photostrom von 10 μA mit „MATHINLINE_17“ = 100 kΩ ergibt eine Ausgangsspannung von 1 V.
Verwenden Sie den [Photodiode TIA-Rechner] (/calculators/sensor/photodiode-transimpedance), um Bandbreite und Rauschen zu ermitteln.
Stabilität
Der TIA kann ohne Rückkopplungskondensator oszillieren. Fügen Sie „MATHINLINE_18“ zu „MATHINLINE_19“ hinzu, um sich zu stabilisieren:
„MATHBLOCK_7“
In der Regel sorgt „MATHINLINE_20“ = 1—10 pF für Stabilität bei gleichzeitiger Beibehaltung einer ausreichenden Bandbreite.
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4—20 mA Stromschleife
Industriesensoren verwenden eine 4—20-mA-Stromschleife über lange Kabelstrecken (bis zu 1 km). Die Stromkodierung ist immun gegen Kabelwiderstände:
- 4 mA = 0% der Reichweite (versorgt auch den Sender mit Strom)
- 20 mA = 100% der Reichweite
Empfangen des Signals
Am Empfänger wandelt ein 250-Ω-Präzisionswiderstand 4—20 mA in 1—5 V um (für einen 0—5V-ADC):
„MATHBLOCK_8“
Dieser Bereich von 1—5 V weist bequem auf Kabelbrüche (0 V) und Sensorfehler (<1 V) hin.
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Erstellung eines Genauigkeitsbudgets
Jede Komponente in der Signalkette trägt zu Fehlern bei:
| Quelle | Typischer Fehler |
|---|---|
| Nichtlinearität des Sensors | 0,1— 0,5% FS |
| Verstärker-Offset | 0,02— 0,2% FS |
| ADC-Quantisierung | LSB/2 |
| Temperaturdrift | 50—500 ppm/°C |
| Referenzspannung | 0,05— 0,5% |
„MATHBLOCK_9“
Verwenden Sie den [Budgetrechner für die Sensorgenauigkeit] (/calculators/sensor/sensor-accuracy-budget), um die Genauigkeit Ihres Systems in Bezug auf die Temperatur zu modellieren.
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Zusammenfassung
| Sensortyp | Typischer Ausgang | Empfohlener IC |
|---|---|---|
| PT100 RTD | 100—400 Ω | INA128 + Konstantstromquelle |
| Thermoelement | 1—50 mV | MAX31855 |
| Wägezelle | 1—10 mV | HX711 oder INA125 |
| Fotodiode | 1 nA—100 μA | TIA mit OPA2134 |
| Stromshunt | 10—100 mV | INA219 oder INA240 |
| 4—20-mA-Schleife | 1—5 V (über 250 Ω) | ADC direkt |