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Sensor-Anpassung:
Grundschaltungen
Elektrische
Verstärker für Sensoren, Grundformen von Sensor-Schnittstellen
Grundformen von Sensor-SchnittstellenSpannungseingang Die meisten Eingänge von Meßgeräten, Meßverstärkern und A/D-Wandlern reagieren primär auf die angelegte Spannung und verarbeiten diese weiter. Idealerweise haben diese Eingänge keine Rückwirkung auf die angeschlossenen Meßobjekte, Sensoren oder Spannungsquellen. Das heißt vor allem, daß kein Eingangsstrom in die Eingänge hineinfließt oder anders ausgedrückt: daß ihr Eingangswiderstand unendlich hoch ist. Jeder reale Eingang hat jedoch einen endlichen Eingangswiderstand und belastet die angeschlossene Quelle. In der Praxis sollte daher der Eingangswiderstand hoch sein gegenüber dem Eigenwiderstand (präziser ausgedrückt: "Innenwiderstand") des Sensors. Um wieviel höher, hängt sehr stark von der jeweiligen Anwendung und vom geforderten Präzisionsgrad ab.
Stromeingang Der Stromeingang stellt ein dem Spannungseingang entgegengesetztes Ideal dar: d.h. Eingangswiderstand möglichst klein, der eingehende Strom wird ohne Spannungsabfall "verschluckt", angeschlossene Sensoren und Stromquellen werden "kurzgeschlossen". In den hier diskutierten Anwendungen kommen Stromeingänge einzig vor bei Strommessungen, d.h. ein Amperemeter sollte idealerweise keinen Spannungsabfall in der gemessenen Leitung erzeugen.Spannungsabfall an einem Widerstand An einem Widerstand gilt das Ohm'sche Gesetz, d.h. der Widerstand stellt die Relation zwischen Strom und Spannung her.Mit Hilfe eines "Lastwiderstandes" (auch "Arbeitswiderstand" genannt) kann ein als Stromquelle wirkender Sensor bei nicht extremen Präzisions-Forderungen einfach an einen Spannungseingang angepaßt werden: der Spannungsabfall am Meßeingang ist proportional dem von der Quelle abgegebenen Strom.
Spannungsteiler 
Die Schaltung im obigen Bild ist ein "Spannungsteiler", eine immer wieder in der Elektrotechnik auftretende Grundschaltung. Die Teilspannungen verhalten sich wie die Widerstände. Je größer R2 wird (oder je kleiner R1 wird), desto größer wird auch die vom Meßgerät angezeigte Spannung. In der praktischen Anwendung wird einer der beiden Widerstände durch einen resistiven (passiven) Sensor ersetzt. Brückenschaltung Bei vielen Sensor-Anwendungen ändert sich die zu messende Größe, z.B. Temperatur, nur geringfügig. Dann liefern als Spannungsteiler geschaltete Temperatursensoren nur sehr unsignifikante Meßwerte, weil die Meßanordnung zugleich immer den relativ hohen Grundwiderstand mit verarbeiten muß. Höhere Empfindlichkeiten erreicht man mit einer Brückenschaltung, die aus 2 parallel geschalteten Spannungsteilern besteht. Der Referenz-Spannungsteiler besteht aus temperaturstabilen Widerständen. Bei einer bestimmten Referenztemperatur wird die Brücke so abgeglichen, daß die Spannungsdifferenz zwischen beiden Spannungsteilern Null ist.Ähnliche Probleme ergeben sich bei Dehnungsmeßstreifen oder bei piezoresistiven Drucksensoren.Hier läßt sich die Empfindlichkeit vergrößern, indem man zwei gleiche Sensoren diagonal gegenüber in der Brücke anordnet. Zur Temperaturkompensation ordnet man gelegentlich einen gleichartigen unbelasteten Dummy-Sensor im Brückenzweig neben dem Meß-Sensor an Nachteil: Zur Auswertung des Brückensignals ist ein Differenzverstärker notwendig. In einigen Fällen kann der Differenzverstärker eingespart werden, indem die Spannungen beider Brücken-Abgriffe jeweils mit einem hochauflösenden A/D-Wandler digitalisiert werden und die Differenz im Rechner gebildet wird. Allerdings ist in solchen Fällen der Einsatz einer Brückenschaltung nur dann sinnvoll, wenn sich beide Brückenzweige verändern (diagonale Anordnung zweier Sensoren, Temperaturkompensation). Andernfalls kommt man mit einem einzigen Spannungsteiler einfacher zum gleichen Ergebnis. Verstärkung von SensorsignalenDie Aufgabe eines Sensorverstärkers besteht darin, die direkt am Sensor (z.B. in einer Spannungsteiler- oder Brückenschaltung) anstehende Ausgangsspannung in einen normierten, praktisch handhabbaren Spannungsbereich umzusetzen. Die meisten normierten analogen Spannungseingänge erwarten Spannungen zwischen 0 und +10 Volt gegenüber der Bezugsmasse, speziell im Musik- und Multimediabereich häufig auch zwischen 0 und +5 Volt. Die meisten normierten digitalen Spannungseingänge erwarten Spannungen zwischen 0 und +1 Volt als LOW-Pegel und zwischen +2,5 und +5 Volt als HIGH-Pegel. Für analoge Signalübertragungen über längere Strecken werden die Spannungen auch häufig in proportionale Ströme zwischen 0 und 20 mA umgesetzt. Angesichts der Digitalisierung ist diese Technik jedoch am Aussterben und wird hier nicht weiter betrachtet.
Elektrometerverstärker, Spannungsfolger Diese Verstärkertypen haben einen hohen Eingangswiderstand und einen niedrigen Ausgangswiderstand (häufig als "Innenwiderstand" bezeichnet). Sie dienen daher als "Impedanzwandler" zur Anpassung von "hochohmigen" Sensoren an "niederohmige" A/D-Wandler. Mit einem Elektrometerverstärker kann die gemessene Spannung(sdifferenz) zugleich verstärkt werden. In der Praxis ist es günstiger, den Impedanzwandler in der Nähe des Sensors anzuordnen, weil eine "niederohmige" Übertragungsleitung weniger störempfindlich ist.
INA = "Instrumentation Amplifier" PGA="Programmable Gain Amplifier" Unter diesen Stichworten werden professionelle Operationsverstärker und mit allen Hilskomponenten fertig abgeglichene Differenzverstärker angeboten.Die Website der Herstellerfirma Burr-Brown war mal gut gegliedert und man konnte sich Beispielschaltungen einfach abrufen. Inzwischen ist die Firma von Texas Instruments aufgekauft. Ich lasse den alten Link, weil man so vermutlich am besten zum Ziel kommt.
Komparator und Schmitt-Trigger Elektrometerverstärker und
INA dienen hauptsächlich dem Zweck, analoge Sensorausgänge
mit ihren differenzierten Ausgangssignalen an einen analogen Eingang
anzupassen. Häufig ist man jedoch interessiert, aus einem analogen
Sensorsignal eine möglichst exakt definierte binäre Aussage
zu gewinnen: Sensor- Ereignis JA oder NEIN. Binäre Informationen
lassen sich in Rechnern erheblich einfacher auswerten und handhaben
als analoge Informationen.
Emitterfolger Der Emitterfolger ist die "Billigversion" eines Spannungsfolgers: Nachteilig am Emitterfolger ist die Spannungsdifferenz zwischen Emitter und Basis von etwa 0,7 Volt, die zudem eine gewisse Temperaturempfindlichkeit aufweist (- 2 Millivolt pro Grad). Diese Nachteile lassen sich annähernd kompensieren durch einen komplementären Emitterfolger aus npn und pnp-Transistor: Ein weiterer Nachteil des Emitterfolgers ist seine asymmetrische Aussteuerbarkeit: Aus dem Emitter eines npn-Emitterfolgers kann nahezu beliebig viel Strom nach Masse fließen, aus dem Emitter eines pnp-Emitterfolgers kann nahezu beliebig viel Strom zum Pluspol fließen (zumindest soviel, daß der Transistor bei Kurzschluß des Emitterwiderstandes meistens zerstört wird). Dagegen kann ein npn-Emitterfolger keinen Strom zur positiven Betriebsspannung speisen - oder höchstens soviel, daß der Strom durch den Emitter nicht Null wird. Wird der Schaltung nämlich mehr Strom zum Pluspol entnommen, so sperrt der Transistor und die Basis hat keinen Einfluß auf das Geschehen am Emitter mehr. Aus diesem Grunde muß man sich genau überlegen, ob man den Emitterfolger mit einem npn- oder pnp- Transistor aufbaut. einfacher Schaltverstärker (Inverter) Der Emitterfolger arbeitet als Stromverstärker, man könnte auch sagen, Widerstands- Verringerer. Um Spannungen zu verstärken, benutzt man in der Transistortechnik das Schaltungsprinzip des Inverters:
"Open Collector"-Schaltung, "Wired OR" Der Lastwiderstand eines Schaltverstärkers muß nicht unmittelbar am Transistor angeordnet werden, er kann auch am anderen Ende der Übertragungsleitung vorhanden sein. Insbesondere muß auch die Kollektorspannung, d.h. die Spannung an die der Lastwiderstand angeschlossen ist, nicht gleich der Spannung sein, aus der die Basis-Schaltung versorgt wird. Daher werden Schaltungsmodule zur leichten Integration in andere Schaltungskonzepte häufig mit einem "Open Collector"-Ausgang geliefert. Ein weiterer Vorteil dieser Schaltungstechnik ist die Möglichkeit, auf extrem einfache Weise eine Verknüpfungslogik herzustellen ("Wired OR"). In der Schaltskizze unten werden z.B. zwei Lichtschranken zu einem gemeinsamen Ausgangssignal verknüpft.
optisch isolierter Digitaleingang / Optokoppler Oben beschriebene Fototransistoren werden häufig zusammen mit einer Infrarot-Leuchtdiode in einem gut isolierenden, aber intern transparenten Plastikgehäuse vergossen. Diese Anordnung nennt man "Optokoppler". Hiermit lassen sich Schaltverstärker herstellen, bei denen der Eingang völlig vom Ausgang isoliert ist. Die Leuchtkraft einer Leuchtdiode hängt ab vom sie durchfließenden Strom. Ähnlich einer normalen Diode ist die an ihr abfallende Spannung nahezu unabhängig vom Strom (ca. 1,5 bis 2 Volt). Daher muß eine Leuchtdiode, bzw. ein Optokoppler immer durch einen Vorwiderstand gespeist werden. Die Sperrspannung einer Leuchtdiode beträgt nur wenige Volt, beim Überschreiten wird die Diode zerstört. Daher schaltet man eine entgegengesetzt gepolte normale Diode zum Schutz parallel. Schließlich kann man aus dem Vorwiderstand durch Zuschalten eines Kondensators einen einfachen Tiefpaß zur Unterdrückung von Hochfrequenz- und kurzen Impuls- Störungen herstellen. Durch Aufteilen des Widerstandes wird die Effizienz des Filters etwas verbessert. Logikschaltungen als Sensorverstärker Speziell die Bausteine der Standard- CMOS Logikfamilie eignen sich sehr gut als komparator-ähnliche Koppelglieder zwischen analogen Sensoren und binärer Signal-Weiterverarbeitung. Ein weiterer Vorteil ist die unmittelbare Möglichkeit zu logischen Verknüpfungen mehrer Sensoren und die Möglichkeit, "halbdigitale" Signalverarbeitung wie Impulsformer, Flipflops und Zählerbausteine einzubeziehen.Der Umschaltpunkt von NAND- und NOR- Gates liegt etwa bei der Hälfte der Betriebsspannung, ist allerdings etwas temperaturabhängig und von Hersteller zu Hersteller leicht unterschiedlich. Der Eingangswiderstand ist "praktisch gesehen" unendlich hoch, das heißt die Sensorschaltung wird nicht durch einen Eingangswiderstand - wie etwa beim Transistor-Inverter - belastet. Eine besonders saubere Impulsformung, allerdings mit Hysterese, erhält man mit Schmitt-Trigger NAND Bausteinen CD4093. Durch Zusammenfassung beider Eingänge wirkt das Gate als Inverter. Transformator, Wechselspannungs-Übertrager Mit Hilfe von Transformatoren kann man hohe Wechselspannungen in niedrigere Spannungen transformieren und umgekehrt. Ein einfacher Transformator besteht aus 2 Spulen auf einem gemeinsamen ringförmigen Eisenkern. Fließt ein Wechselstrom durch die Primärspule, so wird im Eisenkern ein magnetischer Fluß induziert, dieser wiederum induziert eine Wechselspannung in der Sekundärspule. Die Spannungen verhalten sich wie die Windungszahlen beider Spulen.Im Gegensatz zu aktiven Verstärkern sind Transformatoren / Übertrager passive Bauteile. Die Ausgangsleistung (das Produkt aus Strom und Spannung) an derSekundärspule ist gleich der Eingangsleistung an der Primärspule - abgesehen von Verlusten, die je nach Trafogröße etwa 10 - 20 % betragen. Neben einer Spannungstransformation führt ein Transformator also auch eine Stromtransformation bzw. Transformation von Widerstandswerten durch. In dem Sinne kann er zur Anpassung von Sensoren mit Wechselspannungsausgang verwendet werden.
Weiterverarbeitung der elektrischen Ausgangssignale eines Sensors / Sensorverstärkers
Spezial-InterfacesHochfrequenz-Oszillator: Verstimmung durch induktiven, kapazitiven oder engergieabsorbierenden Fremdeinfluß.Der Hf-Oszillator stellt keinen eigenständigen Sensortyp dar, sondern eine elegante Methode, um geringe Induktivitäts und Kapazitätsänderungen in Frequenzänderungen zu transformieren und auf diese Art präzise auszuwerten. Aktuelles Beispiel: Theremin Ätherwellenklavier. Es besteht aus zwei Hf-Oszillatoren, von denen einer durch Annäherung des Musizierenden kapazitiv in seiner Frequenz verstimmt wird. Der andere Oszillator schwingt mit konstanter Frequenz. Beide Frequenzen werden in einer Mischstufe überlagert, dabei entsteht u.a. die Summen- und die Differenzfrequenz beider Oszillatoren. Die Hf-Anteile werden weggefiltert, und beide Oszillatoren werden so justiert, daß die Differenzfrequenz eine musikalische Tonhöhe annimmt. Durch gestische Bewegung vor dem einen Oszillator können Melodien erzeugt werden Bei industriellen Sensoren
wird dagegen die Variation des Betriebsstroms des Oszillators oder seiner
Schwingungsamplitude gemessen, die eintritt, wenn die Kapazität
des Schwingkreises verändert wird oder wenn in der Nähe befindliche
Metallteile dem Schwingkreis induktive Energie entziehen. Allerdings
entsprechen diese Sensortypen den Denkansätzen des "vordigitalen
Zeitalters". Die Einspeisung ihrer Ausgangssignale in digitale Rechner
erfordert einen relativ hohen Aufwand. Durch ihre langjährige Industriepraxis
weisen solche Sensoren hohe Zuverlässigkeit auf, werden aber früher
oder später durch Sensoren ersetzt, die einem digitalen Paradigma
entsprechen.
Frequenzmessung als Verfahren zur Sensorankopplung Frequenzmessung nimmt eine Sonderstellung zwischen analogen und digitalen Meßverfahren ein. Unter der Frequenz einer Schwingung versteht man die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde. Dem Wesen nach ist die Frequenz eine analoge Größe. Da jeder Computer bzw. Mikrocontroller aber einen recht genauen und stabilen internen Taktgenerator enthält, können Frequenzen von Digitalimpulsen ohne aufwendige Umwandlungselektronik direkt vom Computer mit großer Genauigkeit in Zahlenwerte umgewandelt werden. Eine Softwareschleife in Verbindung mit einem stabilen Taktgenerator ist also ein spezieller Typ von A/D-Wandler.Daher gibt es als Alternative zu analogen Sensoren mit Spannungs- oder Stromausgang zunehmend einfache und preiswerte Sensoren mit Frequenzausgang auf dem Markt. Leider gibt es keine Normierung für frequenzbasierte Dateninterfaces von Sensoren. Wenn man die Möglichkeit hat, Mikrocontroller auf Maschinenebene oder PCs auf Treiberebene zu programmieren, hat man genügend Freiraum, um eine spezifische Anpassung vorzunehmen. Auf Anwenderebene programmierbare Sensoranpassungen weisen oft eine recht geringe Flexibilität auf. Ein sehr gelungenes programmierbares
Frequenz-Interface hat der Lichtsensor TLC320A von Texas Instruments.
Digitale Sensoren: CodierscheibenBei einigen Waagen-Typen wird eine mit einem ausgeklügelten Lochraster versehene Scheibe durch das zu wägende Gewicht zwischen einer Gruppe von Lichtschranken verdreht. Mechanische Bewegung wird direkt in digitale Informationscodes verwandelt. Ein Schritt der Analog/Digitalwandlung entfällt.Ähnlich funktionieren inkrementale Winkelcodierer: eine flügelrad-förmige Scheibe dreht sich in einer Lichtschranke. Aus der winkelproportionalen Unterbrechung des Lichtstrahls werden binär-digitale Impulse hergeleitet. Durch passende mechanische Anordnung zweier Lichtschranken kann hieraus sogar die Drehrichtung ohne Zeitverzögerung ermittelt werden (sog. Zwei-Phasen-Takt). Dieses Verfahren wird in jeder Computer-Maus angewandt. Nachteilig ist hierbei, daß keine absolute Sensorinformation erhalten wird, sondern stets nur die Veränderung gegenüber einem vorherigen Zustand. Viele inkrementale Winkelcodierer geben deshalb einen zusätzlichen Indeximpuls pro voller Umdrehung ab.
Digitale Bildanalyse:Darstellung des Bildes einer Videokamera als Bitmap im Rechner. Auswertung der Bitmap mit mathematischen Algorithmen. Dieser Ansatz ist besonders attraktiv im Multimedia-Kontext, weil die notwendige Hardware hier zur Standardausrüstung zählt; d.h. die für Gestalter normalerweise schwierig zu bewältigenden Hardware-Probleme entfallen weitgehend. Besonders naheliegend ist die Realisierung zweidimensionaler Bewegungs- oder Näherungssensoren mit Hilfe einer softwaretechnisch ausgewerteten Videokamera. Der Unterschied einer als Sensor genutzten Videokamera gegenüber den anderen hier beschriebenen Sensortypen besteht darin, daß sowohl die Videokamera als auch der Video-TV Digitizer massenhaft hergestellte Universal-Konsumprodukte sind, deren hochqualifizierte Sensoreigenschaften quasi erst durch ihren spezifischen Einsatz entstehen. Die zukünftige Entwicklung wird wahrscheinlich vermehrt solche Sensortypen hervorbringen.
 * Informationsstand Okt '99. Alle Angaben nach bestem Wissen. * Der Autor übernimmt keine Haftung für Richtigkeit der Angaben und deren Eignung für einen bestimmten Zweck. * Im Text zitierte Warenzeichen und Produktnamen sind Eigentum ihrer Besitzer.
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