Die moderne intelligente Technologie ist auf Daten angewiesen. Ganz gleich, ob es um die Vernetzung des Betriebs einer Smart Factory oder den Einsatz der neuesten selbstfahrenden Fahrzeuge geht, all diese Technologien sind auf Daten von einem Array von Sensoren angewiesen. Deren gesammelte Informationen ergeben ein genaues Bild der Welt um sie herum. Maschinen können das aus diesen Daten erstellte Modell nutzen, um mit der realen Welt zu interagieren, sei es, um Gefahren zu vermeiden, Funktionen neu zu konfigurieren, um neuen Anforderungen gerecht zu werden, ihren Zustand zu überwachen oder um Wartungsarbeiten anzufordern. Ein Großteil der vom Sensor gelieferten Informationen liegt in Form von analogen Niederspannungssignalen vor, die vor der digitalen Verarbeitung umgewandelt werden müssen. Das analoge Frontend (AFE) ist eine Lösung, mit der analoge Sensoren und die neuesten digitalen Prozessoren miteinander verbunden werden können.

Die Grenzen von MCUs

Der Mikrocontroller (Microcontroller unit, MCU) ist ein entscheidendes Bauteil in der modernen Elektronik. Die MCU hat mehrere Bestandteile, darunter der Prozessor, dedizierte Speicherressourcen, Kommunikationsschnittstellen und eine Reihe von Peripheriegeräten. In einigen Fällen kann dazu auch ein Analog-Digital-Wandler (Analog-Digital-Converter, ADC) gehören, der für jede MCU, die die von analogen Sensoren empfangenen Signale verarbeiten soll, unerlässlich ist.

Die MCU kann diese Signale zwar empfangen, dies ist jedoch nicht ihre Hauptaufgabe. Die Grenzen der MCU bei der Verarbeitung analoger Signale beruhen im Wesentlichen darauf, dass es sich um ein digitales Bauteil handelt. Der in vielen MCUs integrierte ADC ist für Erfassungsaufgaben geeignet, bei denen die Genauigkeit keine entscheidende Rolle spielt. Für Applikationen, bei denen es auf Präzision ankommt, liefert ein dedizierter ADC mit 16 oder 24 Bit jedoch wesentlich bessere Ergebnisse.

Die digitale Funktionsweise der MCU stellt auch eine Einschränkung dar, wenn es um digitales Rauschen geht. Analoge Signale sind sehr störanfällig und erfordern eine Isolierung und Signalaufbereitung. Ohne diese dedizierten Funktionen liefern digitale MCUs ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis, insbesondere bei der Verarbeitung von Niederspannungssignalen. Bei allen Applikationen, wo es auf die genaue Erfassung kleiner Schwankungen ankommt, ist eine bessere Leistung erforderlich, als sie eine durchschnittliche MCU bieten kann.

Zudem bieten diese grundlegenden ADC-Funktionen nicht die spezielle Funktionalität dedizierter analoger Komponenten. Der große Dynamikbereich einer Kombination verschiedener Sensortypen macht zusätzliche Schaltungen erforderlich, was die Komplexität des Leiterplattendesigns und die Anzahl der erforderlichen Bauteile erhöht.

Bei der Verarbeitung zahlreicher analoger Eingänge von Sensoren unterschiedlichster Art stehen MCUs daher vor großen Herausforderungen.

Das Analog-Frontend (AFE) als Lösung

Die Lösung für dieses Problem besteht in der Verwendung einer dedizierten Ressource, die große Mengen analoger Signale empfängt und sie für die Verarbeitung durch digitale Bauteile vorbereitet. Das Analog-Frontend (AFE) ist ein Bauteil, das zwischen den Sensoren und der MCU platziert wird. Seine Hauptfunktion besteht darin, die von den Sensoren erzeugten Rohsignale zu empfangen und für die Umwandlung vorzubereiten. Die einfachsten AFEs führen eine Aufgabe aus, die als Signalaufbereitung bekannt ist. Die vom AFE empfangenen Signale werden verstärkt und auf ein Niveau angehoben, bei dem sie zuverlässig in ein digitales Signal umgewandelt werden können. Anschließend werden sie gefiltert, um unerwünschtes Rauschen zu entfernen.

Die neuesten AFEs bieten dagegen schon eine hochauflösende Analog-Digital-Wandlung mit 16-Bit- oder 24-Bit-Technologie. Das bedeutet, dass am Ausgang des AFE ein sauberes, digitales Signal anliegt, das direkt weiterverarbeitet werden kann, sobald es die MCU erreicht. Da die MCU keine eigene Analog-Digital-Wandlung mehr durchführen muss, wird ihre Funktion erheblich vereinfacht und beschleunigt, sodass die Daten schneller verarbeitet werden können und die Anschwingzeiten verbessert werden.

Der Einsatz eines AFE bietet auch logistische und finanzielle Vorteile. Das Ersetzen potenziell komplexer Schaltungen durch ein AFE vereinfacht das Leiterplattendesign und verkürzt die Zeit bis zur Markteinführung. Außerdem wird die Anzahl der Bauteile in der Stückliste reduziert, und da die MCU keine On-Board-Analog-Digital-Wandlung mehr benötigt, kann eine kostengünstigere Option gewählt werden.

Die Lösung

NXP ist ein Unternehmen, das die Grenzen digitaler Prozessoren bei der Verarbeitung umfangreicher analoger Signale kennt. NXP ist Hersteller eines breiten Spektrums von MCUs, die für anspruchsvolle Applikationen im Automotive- und Smart-Factory-Bereich geeignet sind, und bietet seinen Kunden mit den Analog-Frontends neue Gestaltungsmöglichkeiten.

Die Produktfamilie der analogen Front-End-Bauteile N-AFE eignet sich ideal für die neuesten Applikationen in der Fabrikautomatisierung, bei denen Sensoren zum Einsatz kommen. Die N-AFE ICs sind in hohem Maße konfigurierbar. Sie können eine große Anzahl von Signalen empfangen, wobei jeder Eingang für spezifische Aufgaben konfiguriert und für die Anforderungen verschiedener Sensortypen, von Spannung und Strom bis hin zu Temperatur oder Druck, differenziert werden kann.

Das NAFE13388-UIM 8-Channel Universal Input AFE Arduino Shield Board wurde entwickelt, um das hoch konfigurierbare, industrietaugliche Mehrkanal-Analogeingang-AFE NAFExx388 zu evaluieren. Dieses Arduino Shield Board zeichnet sich durch ein kompaktes Hardwaredesign und eine optimierte Software-Konfigurierbarkeit mit universellen open-CMSIS Treibern aus. Eine universellere Evaluierung ist mit den NAFEx88-EVB Evaluierungsboards möglich, die nicht auf die Bauweise von Arduino beschränkt sind.

N-AFE im Überblick

Die Genauigkeit und Präzision der Produktfamilie N-AFE sind von unschätzbarem Wert für Kunden in der Industrieautomatisierung. Durch die höhere Präzision ist eine bessere Qualitätskontrolle in der Fertigung möglich, was die Produktivität erhöht und den Ausschuss reduziert. Aber auch bei der Instandhaltung der Fabrik selbst spielen diese Bauteile eine wichtige Rolle. Durch die genaue Überwachung des Maschinenzustandes in der Fabrik können potenzielle Ausfälle frühzeitig erkannt werden, so dass die Bediener Wartungsarbeiten durchführen können, bevor die Produktionslinie zum Stillstand kommt. Verringerung von Ausfallzeiten durch unerwartete Störungen.

Das Analog-Frontend (AFE) reduziert nicht nur die Komplexität des Designs von Leiterplatten, sondern bietet auch eine höhere Präzision. Dies führt zu einer produktiveren Fertigungsumgebung mit höherem Durchsatz und weniger ungeplanten Produktionsunterbrechungen. Die N-AFE-Serie von NXP bietet hochpräzise, konfigurierbare Analog-Frontend-Lösungen, die das Design von Leiterplatten optimieren, die Signalpräzision verbessern und dazu beitragen, die Fabrik der Zukunft zu schaffen.