Schneller Pfad zum Sensor-System-Design

National Semiconductor

Der Entwurf sensorbasierter Applikationen erforderte bisher für jedes System eine optimierte, maßgeschneiderte analoge Lösung, deren Entwicklung viele Tage oder gar Wochen in Anspruch nahm. Um den Entwicklern zu ersparen bei jeder Aufgabe immer wieder bei Null beginnen zu müssen, sprich passende Bauteile auszuwählen und einen Prototyp aufzubauen um dann anschließend die Layouterstellung und das Testen der ersten seriennahen Platine zu durchlaufen, hat National Semiconductor eine aus Hard- und Softwarekomponenten bestehende komfortable Lösung entwickelt, die zu einer wesentlichen Arbeitserleichterung sowie Zeitersparnis im Designprozess führt.

Sensor-AFE

Bei den einzelnen Sensor-AFEs handelt es sich jeweils ausdrücklich nicht um ein „analoges FPGA“, das alle Funktionen für jede denkbare Konfiguration auf einem Chip enthält. Eine solche Lösung hätte gravierende Nachteile: Das IC wäre riesig und in einem entsprechend großen Gehäuse, darüber hinaus auch besonders teuer und würde viel Leistung verbrauchen. Letztendlich wäre dem Entwickler damit nicht geholfen.
National Semiconductor geht einen anderen Weg: Für jede Messart – zum Beispiel Temperatur, Gase, Druck, pH-Wert, medizinische Werte verschiedenster Art, Wägeeinrichtungen – wurde ein jeweils speziell auf diesen Messfall zugeschnittenes IC entwickelt, das nur über die applikationsspezifisch erforderlichen Funktionen verfügt und keinen unnötigen Ballast enthält. Innerhalb der jeweiligen Messkategorie, beispielsweise Temperatur, lässt sich dieser spezielle Baustein dann flexibel an verschiedene Sensoren anpassen – und das mit äußerst geringem Aufwand. Beispiele im Rahmen der Bauteilbeschreibung zeigen, in welch großem Umfang National die Entwickler mit dieser Lösung entlastet.

Die ersten beiden Sensor-AFE-Bausteine

Vor wenigen Monaten wurden die ersten zwei Bausteine aus der Familie der Sensor-AFEs vorgestellt: Die Version LMP90100 für Temperatursensoren und langsame Brückenmessung sowie der Typ LMP91000 für Gas-Sensoren. Im Laufe des Jahres wird National Semiconductor weitere Bausteine auf den Markt bringen, beispielsweise Varianten für die Messung des ph-Werts und für Wägezellen. Die beiden ersten ICs unterscheiden sich fundamental voneinander und unterstreichen damit die Idee hinter den Sensor-AFEs: Spezielle Bausteine für jede Mess-Aufgabe!

Sensor-AFE LMP90100

Bei diesem Baustein handelt es sich um eine hochkomplexe Kombination aus einem achtkanaligen Eingangsmultiplexer, einem Präzisionsverstärker mit einstellbarer Verstärkung und einem 24-Bit-Delta-Sigma-ADC. Hinzu kommen Stromquellen, Spannungsreferenzumschalter und weitere Funktionen, die den Baustein komplettieren.

Bild 1: Interner Aufbau des Sensor-Analog-Frontend ICs LMP90100. Farbig hinterlegte Blöcke lassen sich an den Sensor und die Messaufgabe anpassen.National Semiconductor

Bild 1 zeigt den internen Aufbau des ICs: Dabei kann der Anwender alle farbig hinterlegten Blöcke an den Sensor und die Messaufgabe anpassen. Weitere Funktionen lassen sich zu- oder abschalten: Die Sensorüberwachung, welche die Sensoren auf Kurzschluss oder Bruch prüft, oder die Kalibrierung des Offset und die Verstärkung. Beide Funktionen laufen komplett im Hintergrund und generieren keine Artefakte auf dem Ausgangsdatenstrom, was im zweiten Teil dieses Artikels noch zur Sprache kommt. Des Weiteren kann die Taktüberwachung dazu dienen, bei einem Ausfall des externen Takts auf die interne Taktversorgung umzuschalten.
Da der Multiplexer über sieben asymmetrische (Single-Ended) oder vier symmetrische (differenzielle) Eingänge verfügt, lassen sich mehrere Sensoren anklemmen, die auch in unterschiedlicher Technik realisiert sein können. Ein gutes Beispiel hierfür sind ein Thermoelement und ein unter der Thermoelement-Klemme sitzender analoger Temperatursensor zur Kaltstellenkompensation. Auch zwei Thermoelemente mit zwei analogen Sensoren oder zwei dreidrähtige Messwiderstände bzw. drei Thermistoren können direkt an den vielfältigen Baustein angeschlossen werden. Dabei ist die Sensorüberwachung bei Bedarf jederzeit in der Lage, Sensoren zu überprüfen. Hierzu checkt die Überwachung jeweils einen Sensor, der gerade nicht gemessen wird, damit der Datenstrom der Messung nicht gestört wird. Auch auf diesen Aspekt geht der zweite Teil des Artikels noch weiter ein. Bei Widerstandsfühlern kommen die zwei aufeinander abgeglichenen Stromquellen zum Einsatz, die bis 1 mA in 100-µA-Schritten einstellbar sind.
Den Verstärkungsfaktor der folgenden Verstärkerstufen können die Entwickler binär von Faktor 1 bis Faktor 128 einstellen. Der Puffer nach der ersten Verstärkerstufe verbessert das Gesamtergebnis der Messung bei höheren Verstärkungen als Faktor 16, benötigt aber zusätzliche Leistung. Je nach Anwendung müssen die Entwickler somit entscheiden, ob die zusätzliche Verlustleistung das bessere Ergebnis wert ist.
Die Abtastrate des 24-Bit-Delta-Sigma-A/D-Wandlers ist auf Temperaturmessungen abgestimmt und liegt im Bereich von 1,68 bis 214,65 Wandlungen pro Sekunde. Bei Abtastraten unter 13,42 sorgt der Chip dafür, dass weder 50-Hz- noch 60-Hz-Störungen auftreten. Dabei können die Entwickler die Abtastrate für jeden Kanal einzeln anpassen. Die angegebenen Werte gelten für den Single-Ended-Betrieb. Bei differenziellen Kanälen ist zu beachten, dass sich die Wandelrate durch die Anzahl der differenziellen Kanäle teilt. Bei zwei differenziellen Kanälen beträgt die maximale Wandelrate entsprechend 214,65 / 2 = 107,33, bei vier differenziellen Kanälen 53,6625 Wandlungen pro Sekunde.

Sensor-AFE LMP91000

Bei der Version LMP9100 handelt es sich um eine rein analoge Lösung mit sehr geringer Stromaufnahme, die auch für portable Geräte bestens geeignet ist. Im Durchschnitt nimmt dieses Sensor-AFE weniger als 10 µA auf, kann aber beim Anschluss neuer Sensoren bis zu 10 mA bereitstellen. Dabei lassen sich entweder Sensoren mit zwei Elektroden anschließen, die als galvanische Zelle arbeiten, oder Sensoren mit drei Elektroden, die nach dem amperometrischen Verfahren funktionieren. An einem Drei-Elektroden-Sensor arbeitet der LMP91000 als Potentiostat, bei galvanischen Zellen als Puffer – und zwar entweder gegen Masse oder gegen Referenzspannung. Typische Sensoren sind beispielsweise für folgende Gase geeignet:

• Ammoniak

• Blausäure

• Chlor

• Chlorwasserstoff

• Ethylenoxid

• Kohlenmonoxid

• Methan

• Ozon

• Phosphine

• Sauerstoff

• Schwefeldioxid

• Schwefelwasserstoff

• Stickstoffoxid

• Stickoxid

• Wasserstoff.

Anwendungen finden sich in vielen Gebieten, unter anderem beim Bergbau, in der Industrie, bei Feuerwehren, in der Lebensmittelbranche, im medizinischen Bereich, bei der Öl- und Gasgewinnung sowie bei der Wasser- und Abwasserbehandlung.

LMP91000 als Potentiostat

Beim Einsatz des Sensor-AFE LMP91000 als Potentiostat verfügt der Sensor über drei Elektroden: WE, RE und CE (Bild 2).

Bild 2: Die Funktionsweise des Sensor-AFE LMP91000 als Potentiostat.National Semiconductor

WE bezeichnet die Working Electrode, die Arbeitselektrode. Gas, das mit der WE in Kontakt kommt, führt zur Oxidation oder Reduktion der Elektrode, und dieser Oxidationsvorgang geht mit einem positiven/negativen Strom einher, wobei sich der Betrag des Stroms in Abhängigkeit der Gaskonzentration verändert. Die Elektrode wird mit der Zeit und zunehmender Gaskonzentration zerstört. Deswegen ist ein regelmäßiger Austausch der Sensoren erforderlich, und dabei ändert sich auch der Stromwert, was zu Messfehlern führt. Um zu beurteilen, in welchem Lebenszyklus sich der Sensor befindet, gibt es die Möglichkeit des „Sensortest“. Hier wird der Sensor mit einem Impuls beaufschlagt, der zu einem charakteristischen Ausgangssignal führt. Anhand der Kurvenform dieses Signals kann der aktuelle Zustand des Sensors beurteilt werden.
RE steht für Reference Electrode: Die Referenzelektrode ist das konstante Referenz-Potenzial und befindet sich im Elektrolyten, hat aber keinen Kontakt zum Gas. Mithilfe der RE ist das Sensor-AFE LMP91000 in der Lage, den Fehler der Arbeitselektrode (WE) zu kompensieren.
CE schließlich steht für Counter Electrode. Die Gegenelektrode führt einen Strom, der genau dem entgegengesetzten Wert des Stromes an WE entspricht, wobei der Verstärker A1 im LMP91000 diesen Strom treibt. So hält der Baustein die Messzelle in der Balance; daher stammt auch der Name Potentiostat: Die Potenziale werden ausgeglichen. Auf diese Art und Weise lässt sich bei einem maximalen Vorstrom an RE von 670 pA eine Empfindlichkeit im Bereich von 9,5 µA/ppm bis hinzu 0,5 nA/ppm erreichen.
Wenn ein Sensor erstmals in Betrieb genommen wird, steht zunächst der Aufbau der Potenziale an. Zu diesem Zweck kann der LMP91000 bis zu 10 mA treiben, um den Vorgang innerhalb weniger Stunden zu erledigen. Im Vergleich dazu benötigen herkömmliche diskrete Schaltungen zum Aufbau der Potenziale teilweise mehrere Tage – eine nicht zu unterschätzende Verbesserung!

Das Design-Tool Webench für Sensoren

Mit dem von National Semiconductor kostenlos bereitgestellten Online-Design-Tool „Sensor AFE Designer“ können die Entwickler leicht eine Evaluierung vornehmen. Der Einstieg erfolgt von der National-Homepage: Dort in der Webench-Box den Tab Sensors anklicken (Bild 3),

Bild 3: Den Einstieg in die Sensorentwicklung bildet das Online-Design-Tool „Sensor AFE Designer“.National Semiconductor

den passenden Sensortyp anklicken und danach „Start Design“ wählen. Hier wählt der Anwender den von ihm benutzten Sensor aus – in diesem Beispiel ein Thermoelement des Typs K der Firma Tempco (Bild 4).

Bild 4: Der Anwender wählt den von ihm benutzten Sensor aus. Hier ein Thermoelement der Firma Tempco .Tempco

Die Auswahl des Sensors stellt sofort grafisch die Verbindung zum LMP90100 her. Alle notwendigen Einstellungen sind bereits vom System voreingestellt: Von der Auswahl und Zuordnung der Eingänge zu den jeweiligen Sensoren über das Einstellen von Parametern wie Strom- und Referenzquellen und der Verstärkung (Bild 5).

Bild 5: Nach der Auswahl des Sensors wird sofort grafisch die Verbindung zum LMP90100 hergestellt. Alle notwendigen Einstellungen sind bereits vom System voreingestellt.National Semiconductor

Der Benutzer kann noch die Abtastrate, Hintergrundkalibrierung oder Sensor-Check auswählen.
Zu den beiden Sensor-AFE-ICs bietet National Semicondutor auch passende Evaluation-Boards an. Soll solch ein Evaluation-Board an den PC angeschlossen werden, können die Entwickler die entsprechende Offline-Software von der National-Seite herunterladen. Die gesamte Konfiguration funktioniert identisch zu Webench, bis auf die Tatsache, dass hier direkte Messungen mit einem Sensor durchgeführt werden können. Die Sensor-Daten lassen sich als Spannung (in V), als Daten (in Bit) oder als Temperatur (in °C) bzw. Druck über die Zeit anzeigen. Auf diese Weise ist der Anwender in der Lage, direkt an seinem Prozess beziehungsweise seiner Mess-aufgabe zu testen, wie das Sensor-AFE die Messaufgabe meistert. Im linken Teil der Darstellung zeigt das System die zu erwartende Genauigkeit und die tatsächlich erreichte Genauigkeit an. Dabei müssen die Entwickler beachten, dass die Formel für ENOB für statische Werte gültig ist, nicht für dynamische Werte, wie man es normalerweise gewohnt ist. Da die Standardabweichung mit in die Formel einfließt, gehen die angezeigten ENOB drastisch nach unten, wenn die Temperatur (oder der Druck bei einer Brückenschaltung) nicht konstant ist!

Zusammenfassung

Die Bausteine LMP90100 und LMP91000 ermöglichen es dem Entwickler, in kürzester Zeit zu einer funktionierenden Lösung zu kommen. Des Weiteren lässt sich ein Sensor-AFE auch im Nachhinein, im Feldeinsatz, an geänderte Einsatzbedingungen anpassen: Wird ein Sensor geändert – beispielsweise von einem Thermoelement auf einen Thermistor – kann im Labor sehr schnell die Simulation erfolgen. Anschließend besteht die Möglichkeit, die Konfigurationsdaten per E-Mail, USB-Stick oder Fernwartung an das Mess-System zu schicken. Diese Methode weist im Vergleich zu diskreten Lösungen entscheidende Kostenvorteile auf, weil bei einer diskreten Lösung in diesem Fall ein Austausch der Elektronik notwendig wäre.

(jj)