17. Januar 2021

Auswahl eines geeigneten Verstärkers

Kraft-, Druck- und Beschleunigungssensoren, die auf DMS-Technik basieren, erzeugen nur ein relativ kleines Ausgangssignal. Dieses muss dann entsprechend verstärkt werden. Analoge Messverstärker erzeugen dann ein normiertes Signal, das für die Messdatenerfassung und Verarbeitung benötigt wird. Auch digitale Produkte, wie AD-Wandler müssen die Signale zuerst verstärken, bevor diese weiterverarbeitet (quantisiert) werden.

Die wichtigsten Eigenschaften eines Verstärkers sind:

  • Rauscharm
  • Hochwertige Filter
  • Geringe Nichtlinearität, bzw. hohe Genauigkeit
  • Hohe Abtastrate / Bandbreite
  • Hohe Auflösung (bei AD-Wandlern)
    (Meist wird leider bei AD-Wandlern die Genauigkeit mit der Auflösung verwechselt.)

Bevor ein Sensorsignal verstärkt wird, ist meist ein Filter vorgeschaltet. Dieser dient dazu, unerwünschte Frequenzen (Störungen) vom Verstärkereingang fernzuhalten.
Diese “Störfrequenzen” können sowohl im niedrigen, als auch im höheren Frequenzbereich angesiedelt sein. Bei den Filtern, die diese Frequenzanteile sperren, handelt es sich meist um sogenannte Bandpassfilter, die nur das gewünschte Frequenzband passieren lassen:

Wenn bei einem Verstärker nur ein Tiefpassfilter vorgeschaltet ist, sperrt dieser nur die höheren Frequenzen.

Jede elektronische Schaltung, also auch ein Sensor, produziert durch die Elektronenbewegung ein Grundrauschen (“weißes Rauschen”), hinzu kommt dann mindestens noch ein frequenzabhängiges Rauschen (“rosa Rauschen”). Die Höhe des Rauschens eines Sensorsignals ist u.a. abhängig von der verwendeten Technologie (DMS-Metallfolien Sensoren zeigen z.B. ein geringeres Rauschen als MEMS-Ausführungen) und der Qualität der Speisespannung. Dies ist daher schon bei der Auswahl der Sensorik zu beachten. Die nachgeschalteten Verstärker sollten dann ebenfalls in einer möglichst rauscharmen Ausführung gewählt werden.

Abtastrate (sampling rate)
Meist wird bei der Auswahl der Verstärker die erforderliche Abtastrate zu klein gewählt. Hier hilft das bekannte Nyquist-Shannon Abtasttheorem nicht weiter. Dieses besagt, dass die Abtastrate mindestens doppelt so hoch sein muss wie die zu messende Frequenz.
Bei den Sensorsignalen liegt die Information jedoch in der Amplitude und nicht in der Frequenz. Daher müssen diese Signale mindestens 8-fach höher abgetastet werden. Wird das nicht beachtet, interpretiert die Messdatenverarbeitung die Sensorsignale nicht richtig, d.h. die Messung ist falsch.
Achten Sie bei der Auswahl eines Verstärkers auch auf die benötigte maximale Abtastrate bzw. Bandbreite für die Messung. Dies gilt gleichermaßen auch für AD-Wandler.
AD-Wandler produzieren neben Verstärkungsfehlern zusätzlich Abweichungen durch die Quantisierung. Diese sind abhängig von der Auflösung. Neben der erforderlichen Genauigkeit, den Filtern und der Abtastrate, sollte auch die passende Auflösung gewählt werden.

Eine Übersicht über die von uns angebotenen Verstärker finden Sie hier.