Die Messkette

Messtechnik hat heute viel mit Elektrotechnik zu tun. Der Grund liegt vor allem darin, dass wir Messergebnisse immer seltener für Menschen aufbereiten, die diese von Messgeräten ablesen, sondern für Maschinen. Maschinen benötigen in der digitalen Welt digitale Messdaten. Es gibt nur eine Größe, die direkt digitalisiert werden kann: Die elektrische Spannung. Sehr selten werden auch Zeiten oder elektrische Ströme digitalisiert, allerdings auch nur als elektrische Größen.

Aus diesem Grund werden alle physikalischen Größen, die gemessen und dabei digitalisiert werden, in eine elektrische Spannung umgewandelt. Dies geschieht in mehreren Schritten, die in dieser Vorlesung der Reihe nach besprochen werden. Die an der Signalverarbeitung beteiligten Komponenten werden auch als „Messkette“ bezeichnet.

In dieser Einleitung wird kurz auf die Verarbeitungsschritte eingegangen, die im Verlauf der Vorlesung detailliert besprochen werden.

Sensoren

Sensoren wandeln physikalische Größen in analoge elektrische Größen um. Elektrische Größen sind z. B. Strom, Spannung, Frequenz, Widerstandswert oder auch eine Zeitinformation, die sich in elektrischen Größen zeigt. Es gibt z. B. temperaturabhängige Widerstände, deren Widerstandswert sich mit der Temperatur verändert.

Sensoren sind technische Sinnesorgane. Sie geben technischen Systemen Informationen über die Umwelt, so wie es beim Menschen z. B. die Augen oder die Haut tun. Sensoren werden i. A. zugekauft und nicht selbst entwickelt. Daher beschränkt sich Ihre Aufgabe darauf, den für die Anwendung (Genauigkeit, Robustheit, Kosten) passenden Sensor zu wählen.

Es ist i. A. schwierig, eine physikalische Größe in einem Sensor überhaupt in eine elektrische Größe umzuwandeln. Die elektrische Größe ändert sich nur sehr wenig mit der physikalischen Größe. Die Ausgangsspannung eines Sensors liegt oft nur im Bereich weniger mV.

Der „Messbereich“ eines Sensors gibt an, welchen Teil einer physikalischen Größe er messen kann. Ein Abstandssensor eines Staubsaugerroboters hat z. B. einen typischen Messbereich von [0cm .. 30cm]. Er kann damit Hindernisse mit einem Abstand von 0cm und 30cm erfassen. Die Schreibweise in eckigen Klammern gibt einen Bereich und keine einzelne Zahl an.

Analog-Digital-Wandler

Ein Analog-Digital-Wandler (ADC) gibt eine Zahl aus, die proportional zur Eingangsspannung ist. Diese Zahl kann z. B. in einem Mikrocontroller (Arduino) weiterverarbeitet werden. Oft erfolgt die Analog-Digital-Wandlung innerhalb eines Mikrocontrollers. Der Eingangsspannungsbereich eines ADCs beträgt typisch [0V .. 3V] oder [0V .. 5V].

Ein ADC liegt in der Messkette hinter der analogen Signalverarbeitung. Er wird hier vorher besprochen, weil der ADC die Anforderungen an die analoge Signalverarbeitung definiert. Was auch immer der Sensor an elektrischer Größe ausgibt, sie muss für den ADC in eine Spannung im Bereich von z. B. [0V .. 3V] umgewandelt werden.

Analoge Signalverarbeitung

Die Verbindung zwischen Sensor und ADC bildet die analoge Signalverarbeitung. Die Aufgabe der analogen Signalverarbeitung liegt vor allem darin, die elektrische Größe am Ausgang des Sensors in eine Spannung umzuwandeln. Soll mit einem temperaturabhängigen Widerstand die Temperatur gemessen werden, ändert sich mit der Temperatur zunächst der Widerstandswert des Sensors. In der analogen Signalverarbeitung wird aus der Widerstandsänderung eine Spannungsänderung erzeugt.

Diese Spannung muss anschließend verstärkt werden, damit sie auf den Eingangsspannungsbereich des AD-Wandlers passt. Wenn der Abstandssensor des Staubsaugerroboters z. B. den Abstand [0cm .. 30cm] eine Ausgangsspannung im Bereich [0V .. 30mV] umwandelt und der ADC einen Eingangsspannungsbereich von [0V .. 3V] aufweist, dann müssen wir die Sensorspannung um Faktor 100 verstärken.

Mikrocontroller

Folgende Bearbeitungsschritte durchläuft das Messsignal im Mikrocontroller:

1. Analog-Digital-Wandlung

Nahezu alle Mikrocontroller stellen einen oder mehrere ADCs bereit, mit denen Spannungen in Zahlen umgewandelt werden können. Der Spannungsbereich liegt zwischen 0V und seiner „Referenzspannung“. Der Wert der Referenzspannung ist bei unterschiedlichen OPs verschieden. Er wird jeweils im Datenblatt des ADCs definiert. Der Eingangsspannungsbereich liegt also im Bereich

2. Digitale Signalverarbeitung und Fehlerkorrektur

In diesem Block wird Software programmiert, um die vom ADC ausgegebene Zahl weiter zu verändern. Der Ausgabewert kann z. B. korrigiert werden oder es kann ihm eine Einheit zugewiesen werden. Dieser Teil füllt Ihr ISD-Studium in der „Embedded“-Vertiefung.

Weiter