Grundlagen der Signalkette

Im zweiten Teil unserer vierteiligen Serie über Analogdesign-Kompetenzen erklären wir die Funktion der analogen Signalkette und gehen auf die wichtigsten Komponentenspezifikationen ein.

Abbildung 1: Blockdiagramm der analogen Signalkette

Viele der elektronischen Geräte, die wir täglich benutzen und auf die wir uns verlassen, würden ohne die Verwendung realer Eingangssignale, die von Elektronikingenieuren entwickelt wurden, einfach nicht funktionieren.

Was ist die analoge Signalkette?
Die analoge Signalkette (Abbildung 1) besteht aus vier Hauptelementen: Sensoren, Verstärker, Filter und Datenwandler (ADC). Diese werden zur Erkennung, Aufbereitung und Umwandlung analoger Signale in ein digitales Format verwendet, das von einem Mikrocontroller oder einem anderen digitalen Steuersystem verarbeitet werden kann.

Sensoren
Der erste Teil der analogen Signalkette ist der Sensor (oft auch als Wandler bezeichnet), der das Eingangssignal erfasst und es in elektrische Energie umwandelt. Dies erfolgt in der Regel in Form einer analogen Spannung oder eines Stroms. Sensoren arbeiten nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien. Dazu zählen unter anderem:

• Temperatur – Thermoelemente und Widerstandstemperatursensoren (RTD)
• Druck – Dehnungsmessstreifen oder kapazitive Membranen
• Herzfrequenz – EKG-Elektroden
• Licht – Fotowiderstände
• Schall – Mikrofone

Bei Sensoren mit einem Spannungsausgang liegt der Bereich typischerweise zwischen einigen Mikrovolt (uV) und mehreren Millivolt (mV), was das Signal sehr anfällig für Störungen durch unerwünschte elektrische Rauschquellen macht. Das Rauschen kann aus vielen Richtungen kommen, wird aber im Allgemeinen als elektromagnetische Interferenz (EMI) oder Hochfrequenzinterferenz (RFI) bezeichnet. Um dies zu vermeiden, wird der Sensorausgang in der Regel als Differenz zwischen zwei Anschlüssen (differentiell) gemessen, so dass Rauschsignale, die an beiden Anschlüssen auftreten, unterdrückt werden.

Verstärker
Die zweite Komponente in der Signalkette ist der (Differenz-)Verstärker. Dabei handelt es sich um eine elektronische Schaltung, die die Größe des Sensorausgangs um einen Skalierungsfaktor A gemäß der folgenden Formel erhöht, wobei A als Verstärkung bezeichnet wird.

Der Verstärker wird benötigt, weil das Sensorsignal in der Regel zu klein ist, um durch den Analog-Digital-Wandler (ADC) am Ende der Kette in ein digitales Format umgewandelt zu werden. Der Verstärker hebt die Signalamplitude auf einen Pegel an, den der ADC effektiv lesen kann. Die maximale Ausgangsspannung, die ein Verstärker erzeugen kann, liegt sehr nahe am Spannungspegel seiner Stromversorgung.

Eine weitere technische Überlegung, die sich auf das Design und die Komponentenauswahl auswirkt, ist das Signal-Rausch-Verhältnis (Signal Noise Ratio, SRV). Das in Dezibel gemessene SNR ist das Verhältnis von Signalstärke zu unerwünschtem Rauschen. Ein hoher SNR-Wert in dB zeigt ein starkes Signal an, das gegenüber den Auswirkungen von Rauschen widerstandsfähiger ist.

In vielen Anwendungen wird ein Verstärker mit programmierbarer Verstärkung in Verbindung mit einer automatischen Verstärkungsregelung verwendet, die die Verstärkungsleistung des Verstärkers dynamisch erhöht oder verringert, wenn die Größe des Sensorsignals außerhalb des erwarteten Bereichs liegt (aufgrund von Umweltbedingungen oder anderen Gründen). Wenn das Sensorsignal zu hoch wird, kann es zur Sättigung des Verstärkers kommen, so dass dieser versucht, ein höheres Ausgangssignal zu erzeugen, als physikalisch möglich ist.

Filter
Nach der Verstärkung muss das Sensorsignal eine analoge Filterschaltung durchlaufen, um unerwünschte Frequenzkomponenten zu entfernen. Zu den drei Hauptkategorien von analogen Filterschaltungen zählen:

• Tiefpassfilter (entfernt hochfrequente Signale)
• Hochpassfilter (entfernt niederfrequente Signale)
• Bandpassfilter (lässt nur Signale innerhalb eines bestimmten Bereichs durch)

Filterschaltungen werden mit einer Kombination aus Kondensatoren, Widerständen und einem Operationsverstärker aufgebaut (Abbildung 2).



Abbildung 2: Schaltung eines Tiefpassfilters mit einem Operationsverstärker

Zu den wichtigsten Leistungsmerkmalen eines Filters gehören:

• Filterbandbreite – Sie beschreibt den Frequenzbereich, den eine Schaltung ohne Verringerung der Amplitude (Dämpfung) durchlässt, wobei die 3-dB-Eckfrequenz (oder Frequenzen) die Leistung ist, bei der das Ausgangssignal auf die Hälfte der Leistung des Eingangssignals abfällt.



• ‘Roll-Off’ beschreibt die Dämpfungsrate – Sie gibt an, wie schnell der Filter unerwünschte Frequenzkomponenten am Eingang unterdrückt und wird in Dezibel/Dekade gemessen. Filter mit schnellerem Roll-off erfordern mehr Komponenten, was die Komplexität und die Kosten erhöht.



• ‘Phase’ bezeichnet die relative Verzögerung zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal und ist wichtig, wenn eine Rückkopplungsschleife in der Signalkette verwendet wird, da sie die Stabilität der Schleife beeinflussen kann.

ANALOG-DIGITAL-WANDLER (ADCS)
Die letzte Komponente, die zwischen den analogen und digitalen Signalen sitzt, ist der Analog-Digital-Wandler (ADC). Damit ein ADC eine genaue digitale Darstellung des analogen Signals erzeugen kann, muss er mit dem Doppelten der höchsten Frequenzkomponente des Signals (der so genannten Nyquist-Frequenz) abtasten. Dies geschieht mit Hilfe einer Abtast- und Halteschaltung, die die analoge Eingangsspannung regelmäßig misst und so lange auf einem konstanten Pegel hält, bis der ADC die Umwandlung durchgeführt hat, bevor er zur nächsten Abtastung übergeht.

Der nächste Schritt im Umwandlungsprozess ist die „Quantisierung“, bei der die abgetastete Spannung mit einer festen Anzahl von Einzelwerten verglichen wird, von denen jeder durch einen eindeutigen digitalen Code dargestellt wird. Ein Vier-Bit-ADC verfügt beispielsweise über sechzehn (24) einzelne Pegel zur Darstellung einer Abtastung. ADCs mit mehr Bits haben eine bessere Auflösung (Genauigkeit), da sie mehr Einzelwerte verwenden, wobei sich die Auflösung mit jedem zusätzlichen Bit verdoppelt. Zu den gängigsten ADC-Architekturen zählen:

• Successive Approximation Register (SAR)
• Sigma Delta
• Flash
• Pipelined

Fazit
Die analoge Signalkette besteht aus einer Reihe von Schaltkreisen, die zur genauen Erkennung, Aufbereitung und Umwandlung analoger Signale in eine digitale Form erforderlich sind. Die Elektronikindustrie ist auf Elektronikingenieure angewiesen, die über die notwendigen Kompetenzen und Erfahrungen mit analogen Schaltungen verfügen, um Produkte zu entwickeln, die eine zuverlässige und effektive Leistung erbringen.

Lesen Sie den nächsten Blog in dieser Reihe: Tools und Ressourcen für Analogdesign.

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