Wir überwachen Aspekte unserer physikalischen Umwelt mithilfe einer stetig wachsenden Anzahl und Vielfalt von Sensoren. Diese erzeugen Signale, die typischerweise eine geringe Amplitude aufweisen und verrauscht sind. Oftmals weisen sie keine Linearität auf und müssen in den meisten Fällen von ihrer analogen Form in für Computersysteme geeignete digitale Werte umgewandelt werden. Jede Signalkette, die diese Rohmesswerte bereinigt und transformiert und als Brücke zwischen Sensor und Rechen- oder Verarbeitungsressource fungiert, spielt eine entscheidende Rolle angesichts des steigenden Datenbedarfs.

Gemeinsame Merkmale der Signalkette

Im Allgemeinen besteht eine Signalkette aus einer Reihe von Schlüsselelementen. Nämlich: dem Sensor (oder der Hardware, die Daten erfasst), der Signalverstärkung und -filterung, gefolgt von einem Analog-Digital-Wandler (ADC), der das aufbereitete Signal abtastet und digitalisiert, um es weiter zu verarbeiten oder zu speichern.

 Es können eine oder mehrere Verstärkungsstufen erforderlich sein, beispielsweise ein Transinduktivitätsverstärker (TIA) nachgeschalteter Spannungsverstärker. Zusätzlich können mehrere Filter notwendig sein, um das Signal innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs zu isolieren, Überlappungen bei hochfrequenten Signalen zu verhindern und unerwünschte Signale bei bestimmten Frequenzen (z. B. Netzstörungen) zu eliminieren. Je nach Sensorausgang kann es vorteilhaft sein, das Signal vor der Filterung zu verstärken, da dabei auch Rauschen verstärkt wird. Alternativ kann die Filterung auch zuerst erfolgen.

Für die Digitalisierung des gefilterten und verstärkten Signals eignen sich SAR- oder Sigma-Delta-ADCs besonders gut. SAR-ADCs weisen typischerweise eine geringere Latenz als Sigma-Delta-Geräte auf, allerdings ist ihre maximale Abtastrate in der Regel niedriger. Zu den Stärken von Sigma-Delta-ADCs zählen ihre hohe Auflösung und Energieeffizienz; zudem verfügen sie oft über zusätzliche Funktionen (wie Filter, Multiplexer oder Eingangspuffer).

Abbildung 1: Grundlegende Komponenten der Signalkette.

Gehäuse für industrielle Temperaturüberwachung

Die Temperatur gilt als die am häufigsten überwachte Größe in der physikalischen Welt. Ein Thermoelement kann extrem hohe Temperaturen in industriellen Umgebungen erfassen, liefert aber eine geringe Ausgangsspannung (typischerweise nur wenige mV). Die Komponenten der Signalkette (siehe Abbildung 2) müssen daher eine hohe Verstärkung bei geringem Rauschen und geringer Drift gewährleisten.

Zur Kaltstellenkompensation (CUF) muss eine Referenztemperatur überwacht werden, damit das Gerät eine Ausgangsspannung erzeugen kann, die der am Thermoelement gemessenen Temperatur entspricht. Die CUF wird typischerweise mit einem Widerstandsthermometer (RTD) oder einem Silizium-basierten Temperatursensor realisiert. Ein RTD benötigt eine Anregungsspannung, die von der Signalkette bereitgestellt werden muss.

Thermoelemente, Widerstandsthermometer (RTDs) und Thermistoren weisen alle eine nicht-uniforme Linearität auf, die in der Signalkette korrigiert werden muss. Bei Thermoelementen wird die Ausgangsspannungsänderung bei einer gegebenen Temperaturänderung durch den Seebeck-Koeffizienten bestimmt. Da dieser Koeffizient jedoch nicht über den gesamten Betriebstemperaturbereich des Thermoelements konstant ist, empfiehlt es sich, einen Typ zu wählen, der innerhalb des vorgesehenen Betriebstemperaturbereichs ein möglichst lineares Ansprechverhalten bietet. Konstrukteure können die IPC-Kategorien konsultieren, welche die Eigenschaften verschiedener Thermoelementtypen standardisieren. Beispielsweise hat ein Thermoelement des IPC-Typs S einen nutzbaren Temperaturbereich von ca. 0 °C bis 1500 °C und zeigt eine gute Linearität von ca. 900 °C bis 1250 °C. Referenztabellen für Standard-Thermoelementtypen, wie sie beispielsweise vom US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) veröffentlicht werden, ermöglichen eine digitale Linearitätskorrektur und vermeiden so die Komplexität der Korrektur innerhalb der Signalkette selbst.

Abbildung 2: Beispiel einer Thermoelement-Signalkette.

Jede physikalische elektrische Verbindung des Thermoelements erzeugt zwangsläufig eine zusätzliche thermische Verbindung. Daher ist es unerlässlich sicherzustellen, dass alle Verbindungen – mit Ausnahme der Temperaturfühler und der kalten Verbindung – die gleiche Temperatur aufweisen.

Überwachung des medizinischen oder körperlichen Zustands

Der wachsende Wunsch nach Selbstmessung und schnelleren, kostengünstigeren Gesundheitsmodellen treibt die Nachfrage nach einfacheren Detektionssystemen für Bioindikatoren (wie Körpertemperatur, Blutsauerstoffsättigung und Herzfrequenz) an, sowohl für klinische Geräte als auch für Endgeräte (wie Fitness-Tracker). Im Vergleich zu Thermistoren und RTD-Temperatursensoren, die eine aufwendige Signalverarbeitung erfordern, sind siliziumbasierte Temperatursensoren linearer, stabiler und benutzerfreundlicher. Obwohl ihr Temperaturbereich enger ist (55 °C bis 150 °C), ist er für die Überwachung der Körpertemperatur mit medizinischen Geräten mehr als ausreichend.

Der MAX30208 ist ein digitaler Temperatursensor in Klinikqualität, optimiert für die einfache, nicht-invasive Körpertemperaturmessung. Die Temperatur wird an der Oberseite des Sensors gemessen, die sich am einfachsten auf der Haut platzieren lässt und am wenigsten von Eigenerwärmung (durch den Versorgungsstrom über die IC-Pins) betroffen ist. Das Montagekonzept ist für flexible Leiterplatten optimiert, die in einem gewissen Abstand zum Host-Prozessor positioniert werden können. Über die I²C-Schnittstelle^{lassen sich}mehrere Sensoren in Reihe schalten, um Daten von verschiedenen Körperstellen für optimale Genauigkeit zu erfassen. Der MAX30208 misst die Körpertemperatur mit einer Genauigkeit von ±0,1 °C und verfügt über eine integrierte Signalverarbeitungsschaltung sowie einen 32-Bit-FIFO für die einfache Kommunikation mit dem Host-Prozessor.

Im Bereich der Herzaktivitätsüberwachung basierten klinische Monitore traditionell auf elektrokardiografischen (EKG-)Signalen verschiedener Sensoren am Körper. Seit Kurzem bietet die optische Photoplethysmografie (PPG) eine akzeptable Genauigkeit und kann mit kleinen, nicht-invasiven, tragbaren Geräten wie Fitness-Trackern oder Pulsoximetern am Finger gemessen werden. Die PPG-Detektion funktioniert, indem Licht durch das Körpergewebe gesendet und die reflektierten oder transmittierten Signale gemessen werden. So lassen sich selbst geringfügige Veränderungen des Blutvolumens quantifizieren und Indikatoren wie Blutsauerstoffsättigung, Herzfrequenz und Atmung berechnen. Darüber hinaus ermöglicht sie Rückschlüsse auf den Zustand des Gewebes und die Funktion der Organe.

Das Spannungssignal der optischen Sensoren eines PPG-Geräts enthält eine Gleichstromkomponente, die mit dem Blutvolumen und den optischen Eigenschaften von Knochen und Gewebe zusammenhängt, sowie eine Wechselstromkomponente, die durch die dem Herzschlag entsprechenden Blutvolumenänderungen entsteht. Zusätzlich treten kleinere, durch körperliche Aktivität (z. B. Atmung) erzeugte Signale auf.

Die Signalkette eines tragbaren Herzfrequenzmessers beginnt mit dem Sender, der aus einer grünen LED oder einer Kombination aus roten und infraroten LEDs bestehen kann. Wellenlänge und Intensität der Lichtquelle bestimmen Eindringtiefe und Signalstärke und lassen sich für optimale Genauigkeit anpassen. Zudem erzeugen die LED-Treiber Rauschen im Sendesignal, und der Stromverbrauch muss ebenfalls berücksichtigt werden.

Die Empfangssignalkette muss das Ausgangssignal des Fotodetektors abtasten und Umgebungslichtunterdrückung, Filterung und Analog-Digital-Wandlung durchführen. Das Ausgangssignal des Fotodetektors ist ein Stromsignal mit einer Amplitude von unter 1 nA bis zu mehreren zehn µA. Ein TIA (Transformator-Analog-Interface) ist erforderlich, um das Stromsignal in eine Spannung umzuwandeln. Bei der Auslegung der Signalkette müssen Faktoren wie Signaldynamikbereich, Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), Leiterplattenauslastung und der Stromverbrauch von Komponenten wie Anti-Overlap-Filtern und dem TIA berücksichtigt werden. Glücklicherweise bietet der große und wachsende Markt für Herzfrequenzmesser für Endverbraucher die Möglichkeit, ein integriertes analoges Frontend (AFE) wie den Texas Instruments AFE4405 oder den Maxim MAX30112 zu wählen . Diese beiden Chips integrieren jeweils den LED-Treiber und eine vollständige Fotodetektor-Signalkette in ihre Ein-Chip-Lösungen. Diese Geräte bieten einen geeigneten Mechanismus, um Herausforderungen wie die Manipulation des Photodiodenstroms, die Filterung, die Speicherung, die Verstärkung und die Umwandlung mit einem Sigma-Delta-ADC zu bewältigen.

Fallstudie zur Bildaufnahme und -verarbeitung

Parameter wie die menschliche Herzfrequenz und industrielle Prozesstemperaturen sind relativ einfach und stabil und stellen daher moderate Anforderungen an die Signalkette hinsichtlich Geschwindigkeit und Abtastrate. Der MAX30112 unterstützt eine Abtastrate von bis zu 3,2 kSPS und erfüllt damit die Anforderungen von Anwendungen zur Pulsoximetrie oder Herzfrequenzüberwachung. Signalgeschwindigkeiten und Abtastraten in Anwendungen wie Bilderkennung oder industrieller Bildverarbeitung sind deutlich höher und erfordern besondere Aufmerksamkeit.

Einfache Bildgebungssysteme, wie z. B. Nahinfrarotspektrometer zur Materialprüfung oder -analyse, verwenden mitunter eine lineare Fotodiode, die Kühlung benötigt, um thermisches Rauschen und Signalaufbereitung zu minimieren. ADA4807 verfügt über eine -3-dB-Bandbreite von 180 MHz und eignet sich besonders für den Einsatz mit demADAQ7980 , das einen rauscharmen 1-MSPS-SAR-ADC enthält. Dieses System passt die Leistungsaufnahme an die Abtastrate an und maximiert so die Effizienz. Die Integration eines breitbandigen ADC-Treibers mit geringer Eingangsspannung und eines Rail-to-Rail-Ausgangs zur Minimierung von Verzerrungen beseitigt unerwünschte Komplikationen für Entwicklungsingenieure, wie z. B. bei der Schaltungsentwicklung und der Bauteilauswahl. Die interne Leistungsarchitektur und die Bereitstellung einer präzisen externen Spannungsreferenz tragen ebenfalls zur Erhaltung der Signalintegrität bei, indem sie das Systemrauschen reduzieren.

Maschinelles Sehen mit Hochgeschwindigkeitskameras und Videoüberwachungsanwendungen stellen noch höhere Anforderungen an die Signalerfassung. Ein Hochgeschwindigkeits-Bildaufnahmegerät stellt die Verbindung zur Kamera her und kommuniziert mit dem Host-PC (typischerweise über PCI oder PCI Express) mithilfe eines Kommunikationsprotokolls wie Camera Link, das Videoverarbeitungsgeschwindigkeiten von 255 Mbit/s bis 680 Mbit/s definiert. Das Bildaufnahmegerät implementiert typischerweise auch wichtige Videovorverarbeitungsfunktionen wie Verstärkungsregelung, Pixelfehlerkompensation und Dynamikbereichserweiterung. Dies muss oft in Echtzeit erfolgen. Die Entwicklung eines Bildaufnahmegeräts ist eine erhebliche technische Herausforderung, die häufig mit FPGAs bewältigt wird, welche die erforderliche Signalverarbeitungsleistung bereitstellen und gleichzeitig Bildverarbeitungsalgorithmen auf demselben Gerät ausführen können.

Abschluss

Die Erfassung von Sensorsignalen zur Gewinnung aussagekräftiger Daten für beliebige Anwendungen – ob Konsumgüter, Industrie oder Medizin – erfordert ein umfassendes Verständnis jeder einzelnen Komponente der Signalkette. Dies umfasst alles vom Sensor bis zum Analog-Digital-Wandler (ADC), und in jedem Fall müssen die richtigen Elemente ausgewählt und korrekt integriert werden. Oftmals ist bereits ein Single-Chip-Frontend verfügbar, das die Entwicklung deutlich vereinfachen und die Markteinführungszeit verkürzen kann.