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TDC-Schaltkreise Die Zeit als präzise Messgröße

| Redakteur: Katharina Juschkat

Nichts kann man so genau messen wie die Zeit. Die Zeitmessung kann daher bei der Digitalisierung von physikalischen Größen (Druck, Gewicht, Lange, Abstand, Kapazität, …) viele Vorteile bieten. Mit den integrierten TDC-Schaltkreise (Time-to-Digital Converter) von Acam (Vertrieb über IS-Line) lassen sich präzise Messaufgaben auch unter veränderlichen Bedingungen wie bei Spannungs- und< Temperaturschwankungen vornehmen.

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Nichts kann man so genau messen wie die Zeit. Zeitmessung mittels TDCs kann in der Messtechnik deshalb eine sehr interessante Alternative zu herkömmlichen ADCs sein.
Nichts kann man so genau messen wie die Zeit. Zeitmessung mittels TDCs kann in der Messtechnik deshalb eine sehr interessante Alternative zu herkömmlichen ADCs sein.
(gemeinfrei)

In der Sensorik werden Wandler benötigt, die physikalische Größen (Druck, Gewicht, Länge…) in einen digitalen Wert umwandeln. Im ersten Schritt dieser Wandlung wird die zu wandelnde Größe (z.B. Gewicht) in eine analoge elektrische Zwischengröße umgewandelt (Spannung, Zeit). Im Allgemeinen verwendet man heute hierzu AD-Wandler, die die elektrische Spannung als Zwischengröße verwenden und diese dann digitalisieren. Ein TDC wandelt die physikalische Größe in ein zeitäquivalentes Signal um.

Durchflussmessung mit Ultraschall

Grundsätzlich könnte man zur Digitalisierung von Zeitdifferenzen jeden beliebigen TDC nehmen, einfache Zähler wären z.B. auch geeignet. Auch Uhren sind nichts anderes wie TDCs. Um leistungsfähige Systeme zu schaffen, muss die Zeitdifferenz aber sehr hoch aufgelöst werden. Zur Veranschaulichung dient das Beispiel Ultraschalldurchflussmessung: Um mit Ultraschall bei der Durchflussmessung in den geforderten Genauigkeitsbereich zu kommen, muss die Zeitdifferenz mit einer Auflösung im unteren Picosekunden-Bereich gemessen werden (z.B. 50 ps). Mit einem normalen Zähler würde man eine Taktfrequenz von 20 GHz benötigen. Die ist mit sinnvollem Aufwand nicht zu realisieren, man braucht also andere Lösungen.

Zeitdifferenz wird temperatur- und spannungsstabil digitalisiert

Acam verwendet einfache digitale Gatter, z.B. Inverter, für die hohe Zeitauflösung der Laufzeit. Letztendlich wird gemessen, wie viele Gatterlaufzeiten die zu messende Zeitdifferenz dauert. Über entsprechende Schaltungstechnik können die ICs jede beliebige Zeitdifferenz temperatur- und spannungsstabil digitalisieren. Auch bei der Auflösung hat das Unternehmen Technologien entwickelt, welche das gesamte benötige Spektrum abdecken. Die TDCs arbeiten mit einer stabilen Auflösung von unter 10 ps, was 98 % + x aller Applikationen abdeckt.

Hohe Leistungsfähigkeit ohne spezielle Technologien

Außerdem haben TDCs gegenüber AD-Wandler einige Vorteile. Einer der Vorteile ist die Anspruchslosigkeit gegenüber Fertigungsprozessen. TDCs sind im Kern digitale Schaltungen. Sie benötigen für eine hohe Leistungsfähigkeit keine speziellen Technologien bzw. Prozesse und können auf Standardprozesse integriert werden. Während AD-Wandler mit kleiner werdenden Prozessen und schnellen Prozesswechseln immer mehr Probleme bekommen können, werden TDCs mit kleineren Prozessen immer besser, da die Prozesse immer schneller werden. Auch ist ein Springen zwischen Prozessen bei richtiger Basisschaltung einfach realisierbar.

Bessere Auflösung

Für die Anwendung in der Praxis ergeben sich hieraus Vorteile bei der Auflösung. Bei Standard µPs sind heute 10-12 Bit AD-Wandler integriert. Professionelle High-End AD-Wandler erreichen auch 24-Bit. Dagegen sollen laut Hersteller TDCs Auflösungen jenseits von 30-Bit erreichen. Das liegt an der Tatsache, dass sich die Zeit wesentlich genauer messen lässt als die analoge Spannung. Diese Auflösung wird unabhängig davon erreicht, ob ein µP auf dem Chip ist oder nicht. TDCs können dabei anspruchslos sein, da mit den gleichen digitalen Basiselementen wie bei µPs gearbeitet wird.

Umsetzung stromsparender Lösungen

Die analoge Vorelektronik ist zudem sehr anspruchslos, da keine rauschfreie und stabile Vorverstärkung des Signals mit hohen Verstärkungen benötigt wird. Lediglich eine analoge Zusatzbeschaltung bestehend aus einem einfachen Komparator wird für TDCs benötigt, um die Messgröße erst einmal in eine Zeitdifferenz umwandeln. Der Grund dafür ist, dass TDCs eine höhere Auflösung haben.

Durch die geringe Stromaufnahme der TDCs lassen sich außerdem stromsparende Lösungen realisieren. TDCs lassen sich schnell und einfach an- und abschalten und man kann durch einfache weitere Maßnahmen den stromintensiveren Schaltungsteil nur dann anschalten, wenn er benötigt wird.

Sensor + Test 2016: Halle 5, Stand 146.

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