Effektiver Einsatz analoger Signalaufbereitung zur Abstimmung von Sensoren auf Prozessoren

Der Kern der meisten Maker-Projekte ist digital, aber Sensoren sind oft analoge Komponenten, sodass zur Anbindung an die Analogeingänge des Prozessors eine Signalverarbeitung erforderlich ist. Eine niedrige Signalamplitude, Offset-Spannungen und Störsignale können den Entwicklungsprozess für Maker verkomplizieren, weil die Signalpegel dadurch außerhalb des digitalen Eingangsbereichs des Digitalisierers des Prozessors geraten.

Wer schon lange dabei ist, versteht die Probleme, andere haben vielleicht die Grundlagen vergessen und für viele ist die analoge Welt noch immer voller Rätsel. Für alle beschreibt dieser Artikel die Rolle einer analogen Signalverarbeitung/-konditionierung und führt Beispiele typischer Designanforderungen, Beschränkungen und Kompromisse auf.

Musterkomponenten und deren Anwendungen sowie kostengünstige und kostenfreie Designtools zur Beschleunigung von Projektdesign und -entwicklung werden vorgestellt, was die Einhaltung knapper Budgets erleichtern kann. Da viele Maker-Projekte mit begrenzten Ressourcen auskommen müssen, enthält dieser Artikel auch Informationen dazu, welche Ressourcen für mehrere Zwecke verwendet werden können, um noch mehr zu sparen.

Signalverarbeitung und Operationsverstärker

Die Verarbeitung oder Konditionierung von Analogsignalen zwischen dem Sensor und dem digitalen Prozessor soll nachteilige analoge Effekte minimieren, bevor das Signal digitalisiert wird. Mit kostengünstigen Operationsverstärkern für die Verstärkung, die Verschiebung und das Filtern von Sensorsignalen können diese kosteneffizient voll kompatibel mit den Prozessoreingängen gemacht werden.

Darüber hinaus kann eine Signalverarbeitung die Sensorfunktionen erweitern und zum Beispiel den Ausgang eines Beschleunigungsmessers integrieren, um Geschwindigkeits- und Wegsignale zu erhalten.

Operationsverstärker sind DC-gekoppelte Spannungsverstärker mit sehr hoher Verstärkung, differenziellen Eingängen und einem in der Regel referenzbezogenen (asymmetrischen) Ausgang. Früher wurden sie in Analogrechnern zur Lösung von Differenzialgleichungen verwendet.

Aufgrund ihrer Vielseitigkeit sind Operationsverstärker heute ein Grundbaustein für viele analoge Schaltkreise und damit auch für die analoge Signalverarbeitung. Sie finden in vielen Geräten für Verbraucher, Industrie und Wissenschaft Anwendung. Auch für Maker-/Bastler-Projekte sind sie ideal, weil sie kostengünstig und leicht erhältlich sind.

Unter Anwendung von Gegenkopplung werden die Parameter einer Operationsverstärkerschaltung, einschließlich Verstärkung, Bandbreite und Eingangs- und Ausgangsimpedanz, um nur einige zu nennen, von externen Komponenten bestimmt. Mit guten Designpraktiken ist die Leistung meist unabhängig von Fertigungsabweichungen im Operationsverstärker oder Umgebungsbedingungen.

Betrachten wir den Operationsverstärker TL081 von Texas Instruments (Abbildung 1).

Abbildung 1: Schaltbild der Anschlüsse an einem TL081 Operationsverstärker von Texas Instruments (Bildquelle: DigiKey)

Dieser typische Operationsverstärker verfügt über einen invertierenden und einen nicht invertierenden differenziellen Eingang und einen Ausgang. Der Eingang nutzt einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET), um eine hohe Eingangsimpedanz und einen extrem niedrigen Ruhestrom (30 Picoampere (pA)) zu gewährleisten. Die typische große Signaldifferenzverstärkung beträgt über 100.000 bei Gleichstrom und das Verstärkungsfaktor-Bandbreite-Produkt 3 MHz. Der Verstärker ist in Gehäusen für Durchsteckmontage (kompatibel mit Prototyping-Karten) und zur Oberflächenmontage erhältlich.

Abstimmung von Sensoren auf Analog/Digital-Wandler

Maker-Prozessoren wie die Arduino-Karten enthalten analoge Kanaleingänge zum Auslesen analoger Sensoren. Die Arduino Uno zum Beispiel hat sechs Analogeingänge. Diese Eingänge sind in einen 10-Bit-Analog/Digital-Wandler (ADC) gemultiplext. Der 10-Bit-ADC teilt den Eingangsspannungsbereich in 2¹⁰ oder 1024 Spannungspegel (mit Werten von 0 bis 1023) auf.

Der ADC-Eingangsbereich wird von der gewählten analogen Referenzspannung bestimmt. Im Falle der Arduino Uno beträgt die Standard-Referenzspannung 5 Volt. Sie hat außerdem eine interne Referenzspannung von 1,1 Volt, und der Benutzer kann eine externe Referenzspannung zwischen 0 und 5 Volt eingeben. Der ADC bildet Spannungen zwischen 0 Volt und der gewählten analogen Referenzspannung ab. Bei der Standard-Referenzspannung von 5 Volt bildet der ADC 1024 Pegel zwischen 0 und 5 Volt oder 4,88 Millivolt (mV) pro Pegel ab. Bei der Umwandlung eines bipolaren Signals liegt der Nullpegel in der Mitte des ADC-Bereichs. In diesem Beispiel wären das 2,5 Volt. Die Wandlercodes sind zugewiesene Werte ab 0 Volt für den negativsten Signalwert bis hin zu 5 Volt für den positivsten Signalwert und 2,5 Volt in der Mitte des Bereichs.

Betrachten wir nun das Signal eines Transducers, zum Beispiel eines Elektretmikrofons, das eine Amplitude von nur 2 mV hat. Die Signalamplitude ist kleiner als der kleinste signifikante Pegel des im Beispiel verwendeten ADC. Um das Mikrofon mit dem ADC zu verwenden, muss das Signal verstärkt werden. Der Signalbereich muss außerdem verschoben werden, sodass die Mitte bei 2,5 Volt liegt. Diese Änderungen können mithilfe von Operationsverstärkern vorgenommen werden. Darüber hinaus kann das Signalband begrenzt werden, um den gewünschten Audiobereich abzudecken, wofür als Filter konfigurierte Operationsverstärker verwendet werden.

Verstärkerkonfigurationen

Operationsverstärker haben differenzielle Eingänge und können entweder als invertierende oder als nicht invertierende Verstärker konfiguriert sein (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die beiden Hauptkonfigurationen von Operationsverstärkern: invertierend und nicht invertierend. (Bildquelle: DigiKey)

Der differenzielle Eingang eines Operationsverstärkers hat einen invertierenden Eingang, der mit einem Minuszeichen (-) bezeichnet ist, und einen nicht invertierenden Eingang, der mit einem Pluszeichen (+) bezeichnet ist. Signale, die an den invertierenden Eingang angelegt werden, erzeugen einen um 180 Grad verschobenen (invertierten) Ausgang. Signale, die an den nicht invertierenden Eingang angelegt werden, erscheinen dagegen am Ausgang phasengleich.

Die Verstärkung beider Konfigurationen ist ausschließlich von den externen Widerständen R_a und R_b abhängig. Dies ist eine Folge der hohen Leerlaufverstärkung des Operationsverstärkers und des Einsatzes von Gegenkopplung, angewandt vom Ausgang auf den invertierenden Eingang über den Widerstand R_b. Beachten Sie, dass die Verstärkung des invertierenden Verstärkers durch das Verhältnis von R_b zu R_a bestimmt wird. Die Verstärkung der nicht invertierenden Verstärkerkonfiguration ist 1 + R_b/R_a.

Dies zeigt, wie durch den Operationsverstärker eine Verstärkung erzielt werden kann. Die Frage der Implementierung eines festen DC-Offsets wird durch die Summierung einer Offset-Spannung an einem der Eingänge gelöst (Abbildung 3).

Abbildung 3: Techniken zum Hinzufügen eines Offsets zu invertierenden und nicht invertierenden Operationsverstärkerkonfigurationen (Bildquelle: DigiKey)

Offset-Spannungen werden in invertierenden oder nicht invertierenden Eingängen durch einen einfachen Spannungsteiler summiert. Beachten Sie, dass die Offset-Spannung durch die Stufenverstärkung beeinflusst wird. Dies darf bei der Auslegung des Verstärkers nicht vergessen werden.

Designtools

Operationsverstärkerschaltungen, die verstärken, filtern oder beides können, sind aus vielen Quellen verfügbar. Hersteller von Operationsverstärkern bieten kostenlose Designtools an, um die Evaluierung dieser Schaltungen zu ermöglichen, ohne dass Komponenten gekauft und Prototypen gebaut werden müssen. So stellt beispielsweise Texas Instruments ein kostenloses Schaltungssimulationsprogramm namens TINA-TI zur Verfügung – einen Spice-ähnlichen Schaltungssimulator. Texas Instruments kombiniert das Programm mit einer Bibliothek von Komponentenmodellen und Schaltkreisbeispielen, um den Einstieg zu erleichtern (Abbildung 4).

Abbildung 4: TINA-TI-Simulation eines Verstärkers/Filters zur Abstimmung eines Elektretmikrofons auf eine Arduino-Karte. Sie bietet eine Verstärkung von 100 mit einem 300 bis 10.000 Hz Bandpassfilter. (Bildquelle: DigiKey)

Für diesen Schaltkreis werden zwei OPA337NA-3K Operationsverstärker von Texas Instruments verwendet. Dieser Operationsverstärker ist für batteriebetriebene Komponenten ausgelegt und unterstützt einen Einzelversorgungsbetrieb, JFET-Eingänge mit <10 pA Ruhestrom und eine Verstärkungsbandbreite von 3 MHz.

OP1 in Abbildung 4 ist als nicht invertierender Verstärker mit einer Verstärkung von 10 (20 dB) konfiguriert. OP2 ist als Multi-Feedback-Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 10 kHz eingerichtet. Diese Stufe hat ebenfalls eine Verstärkung von 10. Die beiden kaskadierten Stufen bieten eine Gesamtverstärkung von 100 (40 dB). Der Eingang ist AC-gekoppelt mit einer oberen Grenzfrequenz von ca. 300 Hz. Zusammen mit dem Tiefpassfilter ergibt dies einen Bandpassfilter, der 300 bis 10.000 Hz abdeckt.

Die Schaltkreisleistung kann mithilfe integrierter virtueller Instrumente wie einem DVM, Signalgenerator, Oszilloskop oder Signalanalysator getestet werden. Die Schaltkreisleistung wird auf dem virtuellen Signalanalysator angezeigt. Das Diagramm zeigt die Verstärkung als eine Funktion der Frequenz. Es verifiziert die Verstärkung von 40 dB über ein Band von 300 Hz bis 10 kHz.

Durch den über R4 und R5 eingerichteten Spannungsteiler wird außerdem eine Vorspannung von 2,5 Volt für den Prozessor-ADC erzeugt.

Verstärkerschaltung

Die endgültige Verstärkerschaltung (Abbildung 5) zeigt das Elektretmikrofon und seinen Vorspannungswiderstand.

Abbildung 5: Vervollständigter Schaltplan für den Verstärker mit Elektretmikrofon und zugehörigem Vorspannungswiderstand. (Bildquelle: DigiKey)

Dies ist die endgültige Version der Schaltung, die von derselben 5-Volt-Spannungsquelle wie die Arduino-Karte betrieben werden soll. Der Widerstand R1 gewährleistet den erforderlichen Ruhestrom für das Mikrofon. Alle anderen Komponenten sind identisch mit denen des simulierten Verstärkers in Abbildung 4.

Ein Transducer, mehrere Ausgänge

Früher wurden Operationsverstärker zur Lösung von Differenzialgleichungen verwendet. Dazu gehört die Fähigkeit, Signale zu differenzieren und zu integrieren. Dank dieser Fähigkeit kann der Ausgang eines Beschleunigungsmessers einmal integriert werden, um die Geschwindigkeit zu erfahren. Wird das Geschwindigkeitssignal integriert, ist der Ausgang der Weg. Das bedeutet, dass durch die Verwendung von Operationsverstärkern zur Integration von Signalen der Ausgang eines einzigen Transducers drei unterschiedliche Signale erzeugen kann. Mit nur einem Beschleunigungsmesser können Beschleunigung, Geschwindigkeit und Weg ausgelesen werden (Abbildung 6).

Abbildung 6: Verwendung von zwei Integratoren zur Erzeugung von Beschleunigungs-, Geschwindigkeits- und Wegausgaben aus nur einem Beschleunigungsmesser und dessen Beschleunigungssignal. (Bildquelle: DigiKey).

Das Signal vom Beschleunigungsmesser wird direkt ausgegeben; außerdem wird es einmal integriert, um eine Geschwindigkeitsausgabe zu erzeugen. Das Geschwindigkeitssignal wird integriert, um das Wegsignal abzuleiten.

Der Integrator nutzt einen Operationsverstärker mit einem Kondensator in der Rückkopplungsschleife. In diesem Beispiel folgt ein zweiter Operationsverstärker, der als Tiefpassfilter verdrahtet ist, um die Bandbreite des Signals zu begrenzen und dadurch das Rauschen zu reduzieren. Diese Technik wird in mehreren handelsüblichen Stromversorgungen verwendet, die Beschleunigungsmessersignale konditionieren.

Werden Operationsverstärker als Integratoren verwendet, sind mehrere Sachverhalte zu berücksichtigen. Zum einen tendieren Integratoren dazu zu driften; jeglicher Ruhestrom des Operationsverstärkers akkumuliert Ladung im Rückkopplungskondensator, was zu einer Ausgangsspannung führt. Der Einsatz von Operationsverstärkern mit extrem niedrigen Ruheströmen wie dem TL081 und der OPA337 minimiert dieses Problem.

Wenn ein Signal integriert wird, gibt es zudem eine Integrationskonstante, die zum Signal addiert wird. Der Wert dieser Konstante ist von den Anfangsbedingungen abhängig. In dieser Schaltung wird AC-Kopplung eingesetzt, um diese DC-Konstanten zu entfernen. Das Ergebnis ist, dass das Geschwindigkeits- und das Wegsignal nur relative Werte sind. Beim Wegsignal ist daher nur die Veränderung des Wegs, nicht der absolute Weg zu sehen. Bei Anwendungen wie einer Schwingungsmessung, wo lediglich die Änderung des Wegs von Belang ist, ist dies kein Problem. Zur Bestimmung der absoluten Veränderung des Orts des Beschleunigungsmessers kann diese Schaltung jedoch nicht verwendet werden.

Weitere Informationen über Operationsverstärker

Verschiedene Operationsverstärker-Schulungskits können bei der Erkundung dieser nützlichen Signalverarbeitungskomponenten und ihrer Anwendung hilfreich sein. Eines der besten ist das Kit Pro Analog System Lab von MikroElektronika. Dieses zusammen mit Texas Instruments entwickelte Kit enthält 14 Experimente zum Einsatz von Operationsverstärkern und zugehörigen Bausteinen für die analoge Signalverarbeitung. Die Inhalte dieses Kurses gehen weit über die in diesem Artikel behandelten Beispiele hinaus.

Fazit

Operationsverstärker sind wichtige Komponenten für die analoge Signalverarbeitung, die Maker wie Bastler verstehen sollten, wenn sie sie in Projekten mit Sensoren und digitalen Prozessoren verwenden. Sie dienen zur Verstärkung, Steuerung von Offset-Spannungen und Filterung analoger Signale und können Sensorausgänge integrieren oder differenzieren, um zu gewährleisten, dass die Sensor-Prozessor-Schnittstelle optimal abgestimmt ist. All diese Funktionen sind innerhalb der begrenzten Budgets der meisten Bastler problemlos zu realisieren.