Sensor Frontends

Seit der Gründung des Fraunhofer IMS beschäftigen wir uns mit miniaturisierter Sensortechnik. Der Sensor wandelt dabei den zu messenden Parameter (Temperatur, Druck etc.) in ein elektrisches Signal um. Dies ist allerdings häufig von geringer Amplitude und außerdem störanfällig, wenn es über längere Strecken übertragen werden muss. Um die maximale Leistungsfähigkeit des Sensors auszureizen, ist daher eine Signalaufbereitung möglichst in unmittelbarer Sensornähe erforderlich. Die dafür verwendeten elektronischen Schaltungen sind in dieser ersten Stufe i.d.R. analog und werden allgemein als Sensor-Frontend bezeichnet. Für die Übertragung zu einem übergeordneten System werden die analog aufbereiteten Signale dann meist in die digitale Form gewandelt.

 

Analoge Sensor-Frontend Schaltungen können vielfältiger Art sein. Im einfachsten Fall wird das Sensorsignal durch einen Verstärker auf eine größere Amplitude gebracht; um unanfälliger gegen Störungen zu sein. Es können jedoch auch weitere Funktionen damit verbunden werden, so z.B. eine programmierbare Verstärkung, die eine Kalibrierung von Sensor mit Elektronik erlaubt, oder eine einstellbare Offset-Kompensation des Sensors, um dessen Messbereich optimal auszunutzen. Die dafür verwendeten Einstellungen werden digital vorgenommen, über eine geeignete Schnittstelle (z.B. SPI oder RS485) übertragen und in EEPROM-Speichern permanent abgelegt. Sensor mit Elektronik bilden somit ein kalibriertes System; nichtsdestotrotz können die eingestellten Werte über die digitale Schnittstelle auch umprogrammiert werden. Das Konzept des Industrie 4.0 konformen Zugriffs auf Sensorknoten wird dadurch wirkungsvoll unterstützt.

 

Sensor-Frontend Elektronik umfasst neben Verstärkern jedoch noch viele andere Komponenten. So liefern manche Sensoren das Messsignal nicht als Spannung, sondern z. B. als Kapazitätsänderung und erfordern zunächst einen Wandler, der den Kapazitätswert in eine Spannung umsetzt, bevor das Signal verstärkt werden kann. Ebenso kann der Sensor einen Strom liefern, der entsprechend in eine Spannung für die weitere Signalverarbeitung zu wandeln ist.

Einen großen Beitrag zur Verbesserung der Signalqualität können Sensor-Frontend Schaltungen liefern, indem sie Filterfunktionen erfüllen. Neben der Unterdrückung unerwünschter Frequenzbereiche werden hier vor allem sogenannte Chopper-Verstärker eingesetzt, die in der Lage sind, das in integrierten Schaltungen auftretende 1/f-Rauschen zu verringern. Für hochpräzise Anwendungen lassen sich des Weiteren sog. Autozero-Verstärker einsetzen, die in der Lage sind, Ihre eigene Offset-Spannung zu eliminieren.