Was ist Signalaufbereitung?

Was ist Signalaufbereitung und Signalumwandlung?

Unter Signalaufbereitung versteht man einen Prozess, der an analogen Signalen ausgeführt wird und die Änderung ihrer Eigenschaften erlaubt. Ergebnis eines solchen Prozesses kann eine Leistungssteigerung bzw. -verringerung oder ähnliches sein. In den meisten Fällen ist dieses Verfahren Teil der inzwischen nahezu allgegenwärtigen Analog-Digital-Umwandlung und umfasst alles von der Umwandlung analoger Audio-Aufnahmen in digitale Formate bis hin zur Messung von Stromstärken, Spannungen und weiteren Größen hochentwickelter elektrischer Geräte.

Wird ein Sensor an einem Gerät befestigt, liefert er ein analoges Signal, das im Anschluss in eine Messgröße umgewandelt werden kann. Dieses analoge Signal kann sehr leistungsschwach sein und erfordert für den Aufbereitungsprozess womöglich einen Verstärker. Zudem kann das Signal im Zuge des Aufbereitungsverfahrens mithilfe anderer Komponenten noch nützlicher gemacht werden.

Danach kann dieses analoge Signal in eine digitale Form umgewandelt werden. In digitaler Form wird das Rauschen des analogen Signals verringert, das Signal wird zur besseren Verträglichkeit abgeschwächt und womöglich an ein digitales Gerät weitergeleitet, das Personen Informationen über den Zustand des Geräts bzw. Schaltkreises liefern kann, an das bzw. den der Sensor angeschlossen ist.

Die Signalverarbeitung hat viele Gesichter und kann entsprechend der jeweiligen Anwendung variiert werden. Das Prinzip dahinter sieht jedoch vor, die Genauigkeit der Messungen von Sensoren zu erhöhen und demnach mehr Sicherheit und ein Plus an Funktionalität des mit dem jeweiligen Sensor verbundenen Geräts zu gewährleisten.

Signalumwandlung beschreibt lediglich den Prozess, in dem ein analoges Signal in ein digitales Signal umgewandelt wird. Dieses Verfahren findet mithilfe eines sogenannten Analog-Digital-Wandlers statt: Diese Geräte unterscheiden sich in Sachen Störabstand und Bandbreite. Zudem können diese Geräte Informationen von einem Sensor aufnehmen, wie zum Beispiel über die Stromstärke an einem bestimmten Schaltkreis, und dieses direkt in eine Zahl umwandeln - und erweisen sich somit als nützliches Mess- und Kontrollmedium.

 

Welche Arten von Signalaufbereitung gibt es?

Für Signalaufbereitung haben sich zahlreiche verschiedene Ansätze herausgebildet. Welche Art der Signalaufbereitung letztlich eingesetzt wird, hängt entweder von der Information ab, die von den jeweiligen Sensoren aufgenommen werden soll, oder aber von der Art des Signals, das von einer analogen Form in eine digitale Form umgewandelt werden muss.

In manchen Fällen wird das tatsächliche Messergebnis nicht umgewandelt; vielmehr wird das Signal aufbereitet, um einen größeren Nutzen erzielen zu können. Einige wenige Messgeräte nehmen, zum Beispiel, die Strommessung eines Sensors auf und wandeln dieses Signal mithilfe von Analog-Digital-Umwandlung in eine Zahl um, die als Messwert dienen kann.

Signalaufbereitung erfordert nicht zwingend die direkte Integration eines Messgeräts in den jeweiligen Schaltkreis. Dabei werden verschiedene Ansätze zur Isolierung verwendet, um das Personal und die empfindlichen Geräte zu schützen, die für akkurate Messungen oftmals verwendet werden müssen. In manch anderen Fällen werden Messgeräte jedoch auch direkt an den jeweiligen Schaltkreis angeschlossen. Dies ist normalerweise nur bei niedrigen Spannungen bzw. geringen Stromstärken der Fall, und dient der Minimierung von Gefahren für das Personal und die Geräte.

Verstärker

Verstärker werden sehr häufig verwendet, um Spannungen zu erhöhen. Dieses Verfahren ermöglicht eine effizientere Analog-Digital-Umwandlung. Im Grunde genommen ermöglicht die höhere Spannung eine sensiblere Umwandlung und stellt somit die Grundlage präziserer Messungen dar. Die verschiedenen Geräte, die im Laufe des Aufbereitungsverfahrens verwendet werden, können Störgeräusche ausblenden und ähnliche Funktionen übernehmen.

Verstärker zählen zu den am häufigsten verwendeten elektrischen Komponenten und sind für die Signalaufbereitung von zentraler Bedeutung. Dadurch, dass die von Sensoren erzeugten Signale oftmals nicht über genügend Leistung verfügen, um für Messungen verwendet zu werden, ist ein Verstärker zur Steigerung der Leistung bis zu dem Punkt erforderlich, an dem das jeweilige Signal effektiv in ein digitales Signal umgewandelt werden kann.

Verstärker verfügen über einen niedrigen Störabstand, der entsprechend der für die jeweilige Messung erforderlichen Genauigkeit bei Bedarf mithilfe weiterer Komponenten verbessert werden kann. Verstärker können zur Aufwertung jedes beliebigen elektronischen Signals verwendet werden - sei es von einem Sensor zur Messung der Stromstärke, der Spannung oder einer beliebigen anderen Größe. Sie können jedoch auch Signale von Geräten verstärken, die physisch von dem jeweiligen Schaltkreis isoliert sind, darunter Geräte, deren Messungen auf optischen bzw. magnetischen Signalen basieren.

Strombegrenzer

Ein Strombegrenzer ist ein Mittel zur Kontrolle des Stroms, die durch einen elektrischen Schaltkreis fließt. Wird der entsprechende Grenzwert überschritten, kann der Schaltkreis zum Schutz der jeweiligen Geräte unterbrochen werden

Das Signal von einem Sensor wird zunächst aufbereitet und daraufhin an den Strombegrenzer weitergeleitet, um akkurate Messungen und entsprechende Reaktionen auf einen zu schwachen bzw. zu starken Strom zu gewährleisten. Besonders bei Geräten wie Elektromotoren und Generatoren kann es sehr gefährlich werden und großen Schaden anrichten, stimmt der Strom nicht mit den anderen Parametern des Geräts überein.

Ein Strombegrenzer kann der Überwachung eines Schaltkreises dienen, indem er entweder physisch an den jeweiligen Schaltkreis angeschlossen wird, oder indem er seinen Input über eine isolierte Informationsform empfängt. So kann ein Strombegrenzer zum Beispiel auf der Basis optischer bzw. magnetischer Informationen operieren, sollte die Stromstärke so hoch sein, dass die tatsächliche Einbindung des Geräts in den Schaltkreis mit einem hohen Risiko für das Personal oder das jeweilige Gerät selbst verbunden wäre.

Strom zu Strom

Die bei einer Strom-zu-Strom Messung involvierte Umwandlung sieht allgemein die Umwandlung eines analogen Signals in ein nützlicheres digitales Signal vor. Dabei wird der Strom entlang des jeweiligen Schaltkreises gemessen (entweder durch direkte Messung oder mithilfe eines isolierten Geräts); das von dem Sensor empfangene analoge Signal wird daraufhin in ein digitales Signal umgewandelt, das im Anschluss wiederum in eine Zahl umgewandelt wird, die von entsprechendem Personal abgelesen werden kann.

Dadurch, dass Signale von Sensoren mit zu lauten Störgeräuschen oder zu geringer Leistung Messungenauigkeiten hervorrufen können, müssen diese Signale insofern aufbereitet werden, als dass sie zuverlässigere Informationen liefern können.

Strom zu Spannung

Zur Bestimmung der Spannung eines Schaltkreises kann die Stromstärke herangezogen werden - mithilfe der sogenannten Strom-zu-Spannung Umwandlung. Bei einem solchen Aufbau wird die Stromstärke eines Schaltkreises verwendet, um die gesamte Spannung desselben Schaltkreises präzise bestimmen zu können.

Dieses Messverfahren wird sehr häufig verwendet. Dabei kann die Messung direkt an dem Schaltkreis selbst erfolgen, oder - sollte die Stromstärke sehr hoch sein - mithilfe eines Messgeräts durchgeführt werden.

Strom zu Spannung Signalaufbereitung und -umwandlung kann sowohl in sehr kompakt dimensionierten Apparaten (zum Beispiel in PCs), als auch in sehr großen Schaltkreisen zur Stromversorgung industrieller Anlagen erfolgen. Diese Variante zählt zu den grundlegendsten Formen der Signalumwandlung, bei der das Signal aufgrund der erforderlichen Präzision aufbereitet wird um sicherzustellen, dass die Informationen so nützlich wie möglich sind.

Elektrische Isolierung

Elektrische Isolierung ist ein weit verbreitetes Phänomen im Bereich Signalaufbereitung. Oftmals ist das Gerät zur Messung des Signals sehr empfindlich und kann nicht direkt mit der Quelle des jeweiligen Signals verbunden werden. Inzwischen gibt es viele verschiedene Mittel, mit denen das Signal eines Schaltkreises gemessen werden kann, ohne etwas physisch an den Schaltkreis anschließen zu müssen.

Zu den verschiedenen Arten der Isolierung zählt mitunter die magnetische Isolierung, bei der die aufgenommene Spannung in ein Magnetfeld umgewandelt wird, das im Anschluss von dem jeweiligen Messgerät aufgenommen werden kann, ohne dieses physisch an den Schaltkreis anschließen zu müssen. Eine weitere Möglichkeit zum Erhalt einer gewissen Isolierung besteht darin, ein elektrisches in ein optisches Signal umzuwandeln, das im Anschluss von einem Messgerät weiterverarbeitet werden kann.

Isolierung ist insbesondere in Situation mit sehr hohen Spannungen bzw. sehr starken Strömen von zentraler Bedeutung. Bei manchen Industrieanlagen können beispielsweise sehr hohe Stromstärken auftreten, sodass eine akkurate Messung an dem Schaltkreis der Anlage ohne entsprechende Isolierung ausgesprochen gefährlich sein kann. Für die sichere und effektive Isolierung gefährlicher Schaltkreise stehen zahlreiche verschiedene Geräte zur Verfügung.

NPN-Transistorausgang zu PNP-Transistorausgang

Mit Hilfe zweier halbleitender Materialien kann ein bipolarer (Junction-) Transistor zur Verstärkung von Signalen, zur Verwendung als Schalter oder als Teil eines Oszillators herangezogen werden. Der Output dieser Geräte kann daraufhin verwendet werden, um die Signale insofern aufzubereiten, als dass sie aus Sicht der Kontrollgeräte einen nützlicheren Output darstellen. Transistoren können Strom verstärken bzw. umschalten und eignen sich demnach besonders gut als Output-Geräte von Sensoren.

Widerstand zu Strom

Diese Geräte können einen Strom über die Messung des Widerstandes messen. Manchmal sind sie auf spezielle Anwendungen ausgelegt, sodass sie den jeweiligen Widerstand messen und auftretenden Leckstrom registrieren können. In der Folge bieten sie akkurate Messergebnisse, die sehr wertvoll für Steuerfunktionen und ähnliches sind.

Dadurch, dass Widerstand und Stromstärke sehr eng zusammenhängen, ist das Verfahren Widerstand zu Strom  eine besonders geläufige Umwandlungsvariante und stellt zudem eine Methode dar, die sowohl mit einfachsten Handgeräten, als auch mit den hochentwickeltsten Geräten für leistungsstarke und komplexe Anlagen ausgeführt werden kann.

Temperaturkompensierte Leitfähigkeit

Die Menge an Konnektivität eines bestimmten Schaltkreises hängt von der Temperatur der jeweils integrierten Komponenten ab. Durch die Umwandlung von Temperaturangaben in Messwerte der Leitfähigkeit können wertvolle Informationen über die Performance des jeweiligen Schaltkreises gewonnen werden.

Viele moderne Geräte verfügen im Hinblick auf den Temperaturbereich, in dem sie sicher betrieben werden können, über sehr bestimmte Grenzen - weshalb solche Messungen für diese Anwendungen von elementarer Bedeutung sind. Diese Werte können entweder kontaktlos (sprich: mithilfe optischer Sensoren) oder direkt ausgelesen werden, indem das Messgerät direkt in den jeweiligen Schaltkreis integriert wird und die Leitfähigkeit anhand der Temperatur misst. Dies nennt man auch Temperaturkompensierte Leitfähigkeit.

Temperatur zu Strom

Die Temperatur kann die Menge an Strom beeinflussen, die ein elektronischer Schaltkreis führen kann. Durch die Umwandlung von Informationen eines Sensors bezüglich der Temperatur eines Schaltkreises bzw. eines Geräts, kann Aufschluss über die jeweils fließende Strommenge gewonnen werden.

Analog zu Messungen der temperaturkompensierten Leitfähigkeit, spielen Temperatur zu Strom Messungen eine entscheidende Rolle für präzise, digitale elektronische Geräte, bei denen die Temperatur der jeweiligen Komponenten einen gewissen Wertebereich nicht verlassen darf.

Temperatur zu Spannung

Durch die Umwandlung temperaturanzeigender Signale kann die Spannung bestimmt werden. Temperatur zu Spannung Messungen können besonders dann nützlich sein, wenn die Temperatur leichter bestimmt werden kann als die Spannung, da für eine solche Messung keinerlei physischer Kontakt mit dem Schaltkreis erforderlich ist.

Spannung zu Strom

Spannung zu Strom Signalumwandlung basiert auf den grundlegendsten aller Elektronik-Gleichungen: Anhand der Messung des Signals eines Gerätes, das die Spannung eines Schaltkreises misst, kann die Stromstärke mithilfe einfacher Mathematik bestimmt werden. Dies ist eine sehr grundlegende Form der Signalumwandlung und wird von einfachen Spannungsmessern bis hin zu hochentwickelten Elektronik-Aufbauten überall eingesetzt.

Spannung zu Spannung

Spannung zu Spannung beschreibt keine Umwandlung, da hierbei lediglich die Spannung gemessen wird und in eine Zahl umgeformt wird, die zum Ablesen des jeweiligen Wertes verwendet werden kann. In manchen Fällen kann zum Schutz des Messgeräts vor hohen Spannungen ein gewisses Maß an Isolierung erforderlich sein. Dabei können alle geläufigen Methoden zur Isolierung verwendet werden, darunter auch optische und magnetische Isolierung, um die sichere Messung hoher Spannungen zu gewährleisten.