Analog-Digital-Wandler 101

Die Kraftmessung ist in verschiedenen technischen Bereichen unerlässlich, von der Materialcharakterisierung bis zur Qualitätskontrolle in der Produktion. Analog-Digital-Wandler (ADCs) sind in fortschrittlichen Kraftmesssystemen unerlässlich. Diese Geräte verbinden den analogen Ausgang von Kraftaufnehmern mit digitalen Eingängen zur Datenerfassung und -analyse.

DMS-Aufnehmer, einschließlich Interface-Kraftmessdosen, Drehmomentaufnehmer und Mehrachsensensoren, erzeugen eine kleine analoge Spannung, die proportional zur aufgebrachten Kraft ist. Dieses Signal muss sorgfältig aufbereitet und umgewandelt werden, bevor es für die Protokollierung, Anzeige und Analyse verwendet werden kann. Der ADC führt diese wichtige Umwandlung durch und wandelt die kontinuierliche analoge Spannung in eine diskrete digitale Darstellung um.

ADC-Instrumentierung

Interface bietet verschiedene Instrumentierungslösungen für die Analogwandlung an, darunter Ausgangsmodule, Signalkonditionierer, Anzeigegeräte und Datenerfassungssysteme. Sie umfassen:

• 9825-AI Allzweck-Analogeingangsanzeiger
• 9894 Analogeingangs-Prozessanzeiger
• BSC1-HD Einkanaliges PC-Schnittstellenmodul mit Analogausgang
• BSC4A Mehrkanal-Brückenverstärker mit Analogausgang
• INF1-Analoger Gewichtsmessumformer und -anzeiger mit einem Sensor
• INF4-Analoger Messwertgeber und Anzeiger für zwei, drei und vier Sensoren
• WTS-BS-5 Drahtloses Analogausgangs-Empfängermodul

Eine vollständige Liste der Instrumentierungslösungen finden Sie im Interface Instrumentation Selection Guide.

Wesentliche ADC-Merkmale für genaue Kraftmesswerte

Die wichtigsten Leistungsparameter bestimmen die Eignung des ADC für bestimmte Kraftmessanwendungen. Es ist wichtig, die Spezifikationen jedes Geräts zu überprüfen, um sicherzustellen, dass es Ihre Anforderungen an die Analog-Digital-Wandlung erfüllt. Worauf müssen Sie bei Ihren Spezifikationen achten? Im Folgenden finden Sie eine Liste der üblichen ADC-Produkteigenschaften:

• Auflösung: Definiert durch die Anzahl der Bits, bestimmt die Auflösung die kleinste erkennbare Kraftänderung. Eine höhere Bitanzahl bedeutet eine feinere Kraftunterscheidung. So bietet beispielsweise ein 24-Bit-ADC eine deutlich höhere Auflösung als ein 16-Bit-ADC.
• Genauigkeit: Die Genauigkeit gibt an, wie genau die gemessene Kraft mit der tatsächlichen Kraft übereinstimmt. ADC-Linearität, Offset, Verstärkungsfehler und Temperaturdrift tragen zur Gesamtgenauigkeit des Systems bei. Kalibrierung und Rückführbarkeit auf nationale Standards sind für die Gewährleistung der Messintegrität unerlässlich.
• Abtastrate/Umsetzungsgeschwindigkeit: Dieser Parameter legt fest, wie häufig Kraftmessungen erfasst werden. Um Aliasing zu vermeiden, muss die Abtastrate dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem für dynamische Kraftmessungen entsprechen. Eine höhere Abtastrate ermöglicht die Erfassung schnellerer Kraftvariationen, geht aber oft auf Kosten der Auflösung oder des größeren Datenvolumens.
• Linearität: Die ADC-Linearität beschreibt, wie gut der Umwandlungsprozess eine lineare Beziehung zwischen Eingangsspannung und digitalem Ausgang einhält. Nichtlinearität führt zu Fehlern, insbesondere bei großen Messbereichen. Kalibrierungs- und Linearisierungstechniken minimieren die Auswirkungen der Nichtlinearität.
• Rauschen: Das Rauschen elektronischer Systeme beeinträchtigt die Präzision von Kraftmessungen. Analoge und digitale Filtertechniken vermindern das Rauschen und verbessern das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Für eine wirksame Rauschunterdrückung ist es wichtig, die Rauschquellen innerhalb des Messsystems zu verstehen.
• Stabilität (Drift): Langfristige Kraftmessungen erfordern stabile ADCs mit minimaler Drift über Zeit und Temperatur. Temperaturkompensation und stabile Spannungsreferenzen sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Messstabilität.
• Eingangsimpedanz: Die ADC-Eingangsimpedanz sollte deutlich höher sein als die Ausgangsimpedanz der Signalkonditionierungsschaltung, um Belastungseffekte zu vermeiden, die die Kraftmessung verzerren können.

Aufschlüsselung der Analog-Digital-Wandler-Technologien

SAR-ADCs (Successive Approximation Register) eignen sich gut für Situationen, in denen sich die Kraft nur mäßig ändert, z. B. bei langsam ansteigenden oder abfallenden Lasten oder bei statischen Gewichtsmessungen, bei denen eine hohe Geschwindigkeit nicht entscheidend ist. Eine typische Dehnungsmessstreifen-Kraftmessdose gibt ein Signal in mV/V aus. Der SAR ADC wandelt dieses kleine Spannungssignal direkt in einen digitalen Wert um, der die Kraft darstellt. Eine Signalaufbereitung (Verstärkung und Filterung) ist vor dem ADC noch erforderlich. SAR-ADCs bieten ein ausgewogenes Verhältnis von Geschwindigkeit und Auflösung. Ihre Auflösung ist im Allgemeinen für viele gängige Kraftmessaufgaben ausreichend.

Delta-Sigma-ADCs sind ideal für Anwendungen, die eine hohe Genauigkeit und Auflösung in lauten Umgebungen erfordern. Sie sind auch gut geeignet, um subtile Kraftschwankungen zu erfassen. Delta-Sigma-ADCs sind hervorragend in der Lage, Rauschen zu unterdrücken und sehr präzise Messungen zu liefern. Ihre Oversampling- und Rauschformungstechniken machen sie weniger störanfällig, was bei den kleinen Signalen von mV/V-Sensoren wichtig ist.

Zusätzliche ADC-Überlegungen

Die Signalkonditionierung ist für die Vorbereitung des Wandlerausgangs für den ADC unerlässlich. TIPP: Lesen Sie den Beitrag Signal Conditioners 101 von Interface.

Die Verstärkung passt das kleine Aufnehmersignal an den Eingangsbereich des ADC an, während die Filterung unerwünschtes Rauschen eliminiert. Die Signalkonditionierungsschaltung hat einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtleistung des Kraftmesssystems. TIPP: Sehen Sie sich unseren 6-Kanal-DMS-Verstärker BSC6A-HD44 an.

Letztendlich werden die digitalen Daten vom ADC über Standardschnittstellen wie USB, Ethernet oder andere industrielle Kommunikationsprotokolle an einen Host-Computer oder ein Datenerfassungssystem (DAQ) gesendet. Faktoren wie die Datenrate, die Entfernung und die Anforderungen an die Systemintegration beeinflussen die Wahl der Instrumentierung für jedes System. Beispiele für komplette Systeme finden Sie im Data AQ Pack Guide von Interface.

Bei der Auswahl des richtigen ADC für eine Kraftmessanwendung müssen diese Parameter sorgfältig berücksichtigt werden. Ingenieure und Prüflaboranten müssen Auflösung, Genauigkeit, Geschwindigkeit und andere Faktoren abwägen, um die spezifischen Anforderungen ihrer Messaufgaben zu erfüllen.