Sensorsignalkonditionierung: Roh bis genau

Was ist Signalkonditionierung?

Nehmen Sie ein Sensordatenblatt und Sie werden Ausgänge wie 0,5 mV pro Grad oder 2 mV/V von einer Brücke oder vielleicht ein paar Mikroampere von einer Fotodiode sehen. Keines dieser Signale kann direkt mit dem ADC Ihres Mikrocontrollers kommunizieren. Sie sind zu klein, zu laut oder sitzen auf der falschen Spannungsschiene. Hier kommt die Signalkonditionierung ins Spiel — es ist das analoge Frontend, das jedes seltsame Signal, das Ihr Sensor ausgibt, aufnimmt und es in etwas Sauberes und Skaliertes umwandelt, das Ihr ADC tatsächlich verwenden kann.

Die typische Signalkette sieht so aus: Sensor → Erregung → Verstärkung → Filterung → ADC

Über Folgendes denken die meisten Menschen erst nach, wenn es zu spät ist: Jede einzelne Stufe in dieser Kette fügt Fehler hinzu. Ihr Sensor hat vielleicht eine Genauigkeit von 0,1%, aber wenn Sie ihn verstärkt, gefiltert und digitalisiert haben, könnten Sie leicht einen Gesamtsystemfehler von 1% haben, wenn Sie nicht aufpassen. Mit dem Budgetrechner für Sensorgenauigkeit können Sie nachverfolgen, wie sich all diese Fehler aufsummieren, sodass Sie wissen, was Sie am Ende des Tages tatsächlich bekommen.

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RTD-Signalkonditionierung (PT100/PT1000)

RTDs (Resistance Temperature Detectors) sind im Grunde Präzisionswiderstände, die ihren Wert mit der Temperatur ändern. Der PT100 ist die klassische Wahl — 100 Ω bei 0°C, und er folgt ziemlich genau der Callendar-Van Dusen-Gleichung:

wo $A = 3.9083 \times 10^{-3}$ /°C und $B = -5.775 \times 10^{-7}$ /°C². Wenn Sie wissen möchten, welcher Widerstand bei einer bestimmten Temperatur zu erwarten ist, gibt Ihnen der PT100-Widerstandsrechner die Antwort sofort, anstatt die Berechnung von Hand durchzuführen.

Messkreis

Der Standardansatz besteht darin, einen bekannten konstanten Strom durch den RTD zu leiten und die daran anliegende Spannung zu messen:

Klingt einfach, oder? Das Problem ist, dass echte Drähte auch einen Widerstand haben. Wenn Sie eine 2-Draht-Verbindung verwenden, wird der Leitungswiderstand direkt zu Ihrer Messung hinzugefügt und Sie haben keine Möglichkeit, ihn vom tatsächlichen RTD-Widerstand zu trennen. Aus diesem Grund verwendet niemand 2-Draht-Verbindungen für Dinge, die eine angemessene Genauigkeit erfordern.

3-Draht-Verbindung ist das praktische Minimum für die meisten Anwendungen. Es verwendet einen cleveren Trick, bei dem Sie den Spannungsabfall am RTD getrennt von den stromführenden Leitungen messen, wodurch der größte Teil des Leitungswiderstands ausgeglichen wird. Aufgrund nicht übereinstimmender Leitungswiderstände kann es immer noch zu Abweichungen kommen, aber für industrielle Arbeiten ist das in der Regel ausreichend. 4-Draht-Anschluss (Kelvin) ist das, was Sie verwenden, wenn Ihnen Genauigkeit wirklich wichtig ist. Der Strom fließt durch ein Adernpaar, und Sie messen die Spannung mit einem völlig separaten Paar, das im Wesentlichen keinen Strom verbraucht. Kein Strom bedeutet, dass kein Spannungsabfall in den Messleitungen auftritt, was bedeutet, dass Sie den RTD-Widerstand direkt messen. Mit einer guten Konstantstromquelle und einem ordentlichen Instrumentenverstärker können Sie eine Genauigkeit von 0,01 °C erreichen, ohne ins Schwitzen zu geraten.

Wichtige Überlegungen

Selbsterhitzung ist der stille Killer der RTD-Genauigkeit. Wenn zu viel Strom durch diesen kleinen Widerstand geleitet wird, erwärmt er sich von selbst, wodurch sich sein Widerstand ändert, wodurch Ihre Messung unterbrochen wird. Die allgemeine Regel lautet, die Verlustleistung unter 1 mW zu halten: $I^2 R < 1$ mW. Für einen PT100 bedeutet das, dass der Erregerstrom unter etwa 1 mA bleibt.

Für das Frontend benötigen Sie einen geräuscharmen Instrumentenverstärker. Die INA128 und AD8221 sind solide Optionen, die es schon immer gibt. Sie sind nicht aufregend, aber sie funktionieren.

Noch etwas: PT1000-Sensoren (1000 Ω bei 0°C statt 100 Ω) ) werden immer beliebter für batteriebetriebene Designs. Ein höherer Widerstand bedeutet, dass Sie bei gleichem Spannungshub proportional weniger Erregerstrom verwenden können, was Strom spart. Der Nachteil ist ein etwas höheres Rauschen, aber für die meisten Anwendungen lohnt es sich.

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Signalkonditionierung durch Thermoelemente

Thermoelemente sind komisch. Sie erzeugen eine winzige Spannung — wir sprechen von Mikrovolt bis niedrigen Millivolt —, die auf dem Temperaturunterschied zwischen zwei Verbindungen unterschiedlicher Metalle basiert. Die grundlegende Beziehung ist:

wobei $S$ der Seebeck-Koeffizient ist. Für ein Thermoelement vom Typ K sind das ungefähr 41 μV/°C. Messen Sie 500 °C? Sie haben es mit einem Signal von vielleicht 20 mV zu tun, das von Rauschen und Interferenzen durchdrungen ist. Der Spannungsrechner für Thermoelemente sagt Ihnen, welche Spannung für eine bestimmte Temperatur und einen bestimmten Thermoelementtyp zu erwarten ist.

Kompensation an kalten Stellen

Hier ist das Problem mit Thermoelementen: Sie messen die Temperatur Differenz, nicht die absolute Temperatur. An der „kalten Verbindungsstelle“ werden Ihre Thermoelementdrähte mit den Kupferleitern auf Ihrer Leiterplatte verbunden. Diese Verbindungsstelle hat auch eine Temperatur, die sich auf Ihren Messwert auswirkt. Wenn Sie die tatsächliche Temperatur am heißen Ende wissen möchten, müssen Sie die Temperatur an der kalten Sperrschicht separat messen und sie zu Ihrem Thermoelementwert hinzufügen.

Integrierte ICs wie der MAX31855 (für Typ K) oder der LTC2986 (verarbeitet mehrere Thermoelementtypen) erledigen all dies für Sie. Sie haben die Verstärkung, die Kaltstellenkompensation und sogar die Nachschlagetabellen für die Linearisierung integriert. Es sei denn, Sie haben einen wirklich guten Grund, es selbst zu tun — und das tun Sie wahrscheinlich nicht —, verwenden Sie einfach einen dieser Chips und ersparen Sie sich die Kopfschmerzen. Diskretes Design ist möglich, wenn Sie sich masochistisch fühlen oder ungewöhnliche Anforderungen haben. Sie benötigen einen Präzisionsverstärker mit einer Verstärkung von etwa 10 mV/°C, einen separaten Temperatursensor (normalerweise ein NTC-Thermistor oder ein kleiner RTD) direkt an der Kaltstelle und eine Linearisierungstabelle oder ein Polynom in Ihrer Firmware. Das bedeutet mehr Arbeit, mehr Platz auf der Platine und mehr Dinge, die schief gehen können. Aber manchmal braucht man Flexibilität.

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Signalkonditionierung von Wägezellen/Dehnungsmessstreifen

Wägezellen sind Wheatstone-Brücken, die aus Dehnungsmessstreifen hergestellt werden. Wenn Sie Kraft anwenden, ändert sich der Widerstand der Messstreifen geringfügig und die Brücke gibt eine Differenzspannung aus. Der Haken? Die Ausgangsleistung beträgt in der Regel nur 1—3 mV pro Erregungsvolt:

Bei 5-V-Erregung und einer Empfindlichkeit von 2 mV/V beträgt Ihr Gesamtsignal also 10 mV. Das ist winzig. Und es wird auf einer Gleichtaktspannung betrieben, die je nach Last zwischen 0 V und 5 V liegen kann. Aus diesem Grund gibt es Wägezellenverstärker. Mit dem Wägezellenverstärker-Rechner können Sie herausfinden, welche Verstärkung Sie benötigen, um das Signal auf einen Wert zu bringen, mit dem Ihr ADC arbeiten kann.

Auswahl des Verstärkers

Die INA125P und INA128 sind die alten Arbeitspferde für solche Dinge. Der INA125 ist besonders praktisch, weil er eine präzise Spannungsreferenz für die Brückenanregung enthält, sodass Sie keine externe Spannungsreferenz hinzufügen müssen. Sie stellen die Verstärkung mit einem einzigen Widerstand ein: $G = 4 + 60\,\text{k}\Omega / R_G$. Das eingangsbezogene Rauschen liegt bei etwa 8 nV/√Hz, , was für die Speisung eines 24-Bit-ADC ausreichend ist, ohne dass das Grundrauschen Ihre LSBs übertönt.

Der HX711 verdient eine besondere Erwähnung. Es handelt sich um einen speziell für Wägezellen und Brückensensoren entwickelten 24-Bit-ADC, der in praktisch jeder billigen Digitalwaage verwendet wird, die Sie je gesehen haben. Es ist nicht das niedrigste Geräusch oder die höchste Leistung, aber es ist einfach zu bedienen und kostet ungefähr einen Dollar. Für die meisten Wägeanwendungen ist es die naheliegende Wahl.

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Stromerfassung mit Shunt-Widerständen

Die Stromerfassung ist prinzipiell einfach: Stecken Sie einen Widerstand mit niedrigem Wert in Reihe mit Ihrer Last und messen Sie den Spannungsabfall daran:

Ein 10 mΩ shunt-Widerstand, durch den 10 A fließen, gibt Ihnen 100 mV — das ist ein vernünftiges Signal, mit dem ein Differenzverstärker arbeiten kann. Mit dem Current Shunt Calculator können Sie überprüfen, ob Ihre Shunt-Spannung groß genug für eine gute Auflösung ist, aber nicht so groß, dass Sie eine Menge Strom verschwenden.

High-Side-Sensorik im Vergleich zu Low-Side-Messung

Low-Side-Sensoring platziert den Shunt zwischen Ihrer Ladung und dem Boden. Dies ist die einfachste Konfiguration, da sich die Shuntspannung bereits auf die Masse bezieht, sodass Sie einen einfachen Eintaktverstärker verwenden können. Der Nachteil ist, dass Ihre Last nicht mehr an der richtigen Masse liegt, sondern an der Spannung, die am Shunt abfällt. Bei den meisten Lasten spielt das keine Rolle, aber bei einigen Schaltungen (insbesondere bei allen Geräten mit Kommunikationsschnittstellen) kann es zu Problemen kommen. High-Side-Sensor legt den Shunt zwischen Ihrem Netzteil und der Last an, sodass die Last auf dem wahren Boden bleibt. Keine Bodenverschiebung, keine seltsamen Gleichtaktprobleme. Der Haken ist, dass Ihre Shunt-Spannung jetzt auf Ihrer Versorgungsschiene liegt, was bedeutet, dass Sie einen Differenzverstärker oder einen speziellen Strommess-IC wie den INA219 oder INA240 benötigen. Diese Chips verfügen über eine integrierte High-Side-Strommessung und enthalten in der Regel einen ADC, wodurch sie unglaublich einfach zu bedienen sind.

Shunt-Widerstand auswählen

Der Shunt-Widerstand ergibt sich aus der Neuanordnung des Ohmschen Gesetzes und der Berücksichtigung Ihrer Verstärkerverstärkung:

Normalerweise streben Sie eine Shuntspannung von 50—100 mV bei voller Stromstärke an. Wenn Sie viel niedriger gehen, leidet Ihr Signal-Rausch-Verhältnis darunter. Wenn Sie viel höher gehen, verbrauchen Sie zu viel Leistung: $P = I^2 R$. Bei 10 A verbrennt sogar ein 100 mΩ -Shunt 10 Watt, was eine Menge Hitze ist, mit der man umgehen muss.

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Signalkonditionierung mit Fotodioden und optischen Sensoren

Photodioden erzeugen Strom, der proportional zum einfallenden Licht ist. Dieser Strom kann zwischen Picoampere bei Dunkelheit und Hunderten von Mikroampere bei hellem Licht liegen. Ein Transimpedanzverstärker (TIA) wandelt diesen Strom in eine Spannung um, die Sie tatsächlich messen können:

Wenn Sie einen Fotostrom von 10 μA haben und einen Rückkopplungswiderstand von 100 kΩ verwenden, erhalten Sie eine Ausgangsspannung von 1 V. Einfach genug. Der Photodiode TIA-Rechner hilft Ihnen dabei, die Bandbreite und das Rauschverhalten für verschiedene Rückkopplungswiderstände zu ermitteln.

Stabilität

Hier werden TIA-Schaltungen schwierig. Ohne Rückkopplungskondensator lieben sie es zu oszillieren. Die Photodiode hat eine Kapazität, der Operationsverstärker hat eine Eingangskapazität, und zusammen bilden sie einen Pol, der Ihren Stromkreis instabil machen kann. Die Lösung besteht darin, parallel zu Ihrem Rückkopplungswiderstand $R_f$ einen kleinen Kondensator $C_f$ hinzuzufügen:

Normalerweise verwenden Sie etwas im Bereich von 1—10 pF. Dadurch entsteht ein dominanter Pol, der den Schaltkreis stabilisiert und gleichzeitig für die meisten Anwendungen eine angemessene Bandbreite beibehält. Beginnen Sie mit 5 pF und passen Sie dann die Einstellungen an, je nachdem, was Sie auf dem Oszilloskop sehen.

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4—20 mA Stromschleife

Industriesensoren verwenden 4—20-mA-Stromschleifen aus einem guten Grund: Sie funktionieren über lange Kabelstrecken (bis zu einem Kilometer oder mehr), ohne sich um den Kabelwiderstand zu kümmern. Die Informationen sind im Strom kodiert, nicht in der Spannung, sodass Spannungsabfälle entlang des Kabels keine Rolle spielen.

Die Kodierung ist einfach:

• 4 mA entsprechen 0% des Messbereichs (und versorgen auch den Transmitter in 2-Leiter-Systemen mit Strom)
• 20 mA entsprechen 100% des Messbereichs

Der 4—20-mA-Transmitter-Rechner rechnet zwischen Sensorwerten und Schleifenstrom um und hilft Ihnen dabei, zu überprüfen, ob Ihr Spannungsbudget Ihrer Kabellänge und Versorgungsspannung entspricht.

Empfangen des Signals

Am Empfangsende wandeln Sie den Strom mit einem Präzisionswiderstand wieder in Spannung um. Ein 250Ω Widerstand ist die Standardwahl, da er 4—20 mA in 1—5 V umwandelt, was gut einem 0-5V-ADC entspricht:

Dieser Spannungsbereich hat eine nette Funktion: Sie können Kabelbrüche (0 V) und Sensorfehler (unter 1 V) erkennen, indem Sie einfach die Spannung betrachten. Alles zwischen 1 V und 5 V ist ein gültiger Messwert.

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Erstellung eines Genauigkeitsbudgets

Jede Komponente in Ihrer Signalkette trägt zu Fehlern bei, und sie summieren sich schneller, als Sie denken. Hier ist, womit Sie es normalerweise zu tun haben:

Der richtige Weg, diese Fehler zu kombinieren, ist Root-Sum-Square (RSS), wobei davon ausgegangen wird, dass sie unabhängig und unkorreliert sind:

Dies gibt Ihnen eine realistischere Schätzung, als sie nur linear zu addieren. Mit dem Budgetrechner für Sensorgenauigkeit können Sie die Genauigkeit Ihres gesamten Systems im Temperaturbereich modellieren und herausfinden, wo Ihre größten Fehlerquellen liegen. Sie werden häufig feststellen, dass eine oder zwei Komponenten das Fehlerbudget dominieren, und genau dort sollten Sie Ihre Anstrengungen (oder Ihr Geld) auf Verbesserungen konzentrieren.

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Zusammenfassung

Hier finden Sie eine kurze Übersicht über gängige Sensortypen und Hinweise zur Signalkonditionierung:

Die Fehler, die ich immer wieder sehe: zu wenig Verstärkung bei Brückensensoren verwenden (Sie erhalten am Ende ein 10-mV-Signal, wenn Sie versuchen, einen 16-Bit-ADC anzusteuern, und fragen sich, warum er laut ist), vergessen die Kaltstellenkompensation in Thermoelementschaltungen (Ihre Messwerte werden unabhängig von Ihrer Leiterplattentemperatur abweichen) und den Rückkopplungskondensator bei Transimpedanzverstärkern wegzulassen (genießen Sie Ihre 10-MHz-Oszillation). Lerne aus den Fehlern anderer, anstatt sie selbst zu machen.