DE102007031108A1 - A method of system characterizing a signal conditioning component and measuring device therefor - Google Patents

A method of system characterizing a signal conditioning component and measuring device therefor Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Systemcharakterisierung einer Signalkonditionierungskomponente mit den Schritten: - Ein Sensorsignal wird durch einen Schalter von der Signalkonditionierungskomponente entkoppelt, - ein Signalgeber erzeugt einen Spannungspuls, - der Spannungspuls wird an Stelle des Sensorsignals über den Schalter an die Signalkonditionierungskomponente weitergeleitet, - die Systemcharakterisierung erfolgt durch Auswertung der Impulsantwort der Signalkonditionierungskomponente. Eine Messvorrichtung hierzu ist offenbart.The invention relates to a method for system characterization of a signal conditioning component with the following steps: a sensor signal is decoupled from the signal conditioning component by a switch, a signal generator generates a voltage pulse, the voltage pulse is forwarded via the switch to the signal conditioning component instead of the sensor signal; System characterization is done by evaluating the impulse response of the signal conditioning component. A measuring device for this purpose is disclosed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Systemcharakterisierung einer Signalkonditionierungskomponente und eine Messvorrichtung hierzu.The The invention relates to a method for system characterizing a Signal conditioning component and a measuring device for this purpose.

Datenakquisitionssysteme (DAQ-Systeme) werden für die Erhebung und Speicherung von Daten eingesetzt. Ein oder mehrere Sensoren sind in einem Datenakquisitionssystem mit einer beispielsweise analogen Signalkonditionierungskomponente elektrisch verbunden. Der Sensor erzeugt aus den Messwerten entsprechende elektrische Signale, die mit Hilfe des Datenakquisitionssystems gemessen und gespeichert werden. Die Sensoren wandeln den Messwert in ein analoges Spannungssignal um, welches seinerseits von einem A/D-Wandler erfasst, in Binärwerte umgewandelt und sodann gespeichert wird.Data acquisition systems (DAQ systems) are used for the collection and storage of Data used. One or more sensors are in a data acquisition system with an example analog signal conditioning component electrically connected. The sensor generates corresponding values from the measured values electrical signals generated by the data acquisition system be measured and stored. The sensors convert the measured value in an analog voltage signal, which in turn of a A / D converter detected, converted to binary values and then is stored.

Eine Messvorrichtung im Allgemeinen umfasst einen Sensor zur Erhebung einer physikalischen oder auch geometrischen Größe. Die erzeugten elektrischen Signale sind proportional zu den vom Sensor erfassten physikalischen Messwerten. Die vom Sensor als Messwertaufnehmer erzeugten elektrischen Signale sind meist an den Eingangsbereich der Messvorrichtung anzupassen. Signalkonditionierungskomponenten verstärken die schwachen Signale und entkoppeln, isolieren oder filtern diese. Dies erhöht die Messgenauigkeit.A Measuring device generally comprises a sensor for collection a physical or geometric size. The generated electrical signals are proportional to those of the sensor recorded physical measured values. The sensors used as transducers Electrical signals generated are usually at the entrance of the Adapt measuring device. Amplify signal conditioning components the weak signals and decouple, isolate or filter them. This increases the measuring accuracy.

Die Verstärkung stellt die häufigste Art der Signalkonditionierung dar. Hohe Messgenauigkeit wird erzielt, indem das Signal so verstärkt wird, dass der maximale Spannungsbereich des aufbereiteten Signals dem maximalen Eingangsbereich des eingesetzten A/D-Wandlers entspricht. Eine weitere Aufgabe der Signalkonditionierungselektronik besteht in der Filterung des Eingangssignals. Dadurch werden unerwünschte Signalbestandteile des gemessenen Signals entfernt. Bei DC-Signalen wird ein Tiefpassfilter verwendet, um Signalanteile höherer Frequenz zu dämpfen, die der Messgenauig keit abträglich sind. AC-Signale hingegen, z. B. Schwingungssignale, erfordern häufig eine andere Art Filter, z. B. ein so genanntes Anti-Aliasing-Filter. Damit werden die oberhalb der Eingangsbandbreite des Datenerfassungsgeräts liegenden Signalanteile entfernt, die ansonsten fälschlicherweise als eigenständige Signale innerhalb der Eingangsbandbreite des Gerätes erscheinen würden. Integrierte elektronische Linearisierungskomponenten für Sensoren, die eine lineare Änderung der Messgröße nicht linear umsetzen, können ebenfalls eine Aufgabe der Signalkonditionierungskomponente sein.The Gain represents the most common type of signal conditioning High measurement accuracy is achieved by the signal amplified so that is the maximum voltage range of the conditioned signal corresponds to the maximum input range of the used A / D converter. Another object of signal conditioning electronics exists in the filtering of the input signal. This will be undesirable Signal components of the measured signal removed. For DC signals a lowpass filter is used to get higher signal components To attenuate frequency, which detrimental to the measurement accuracy are. On the other hand, AC signals, eg. B. vibration signals, often require another type of filter, eg. B. a so-called anti-aliasing filter. This will be above the input bandwidth of the data acquisition device removed signal components that otherwise incorrectly as independent signals within the input bandwidth of the device would appear. Integrated electronic Linearization components for sensors that undergo a linear change can not linearly implement the measured variable also be an object of the signal conditioning component.

Eine Messvorrichtung gemäß Stand der Technik umfasst regelmäßig einen programmierbaren Mikroprozessor, ein Speichermedium, Schnittstellen und ein oder mehrere Kanäle zum Anschluss von Sensoren. Ein A/D-Wandler wandelt die Daten, ausgehend von der Signalkonditionierungskomponente, in speichergerechte Daten um. Der Speicher kann eine Speicherkarte, eine Festplatte, ein integrierter Speicher im A/D-Wandler oder eine andere geeignete Hardware-Komponente sein. Die erfassten Daten werden über Schnittstellen ausgelesen und mit einer Software ausgewertet oder auf einem geeigneten Medium angezeigt.A Measuring device according to the prior art includes regularly a programmable microprocessor, a storage medium, interfaces and one or more channels for connecting sensors. An A / D converter converts the data, starting from the signal conditioning component, to memory-accurate data around. The memory can be a memory card, a hard disk, an integrated Memory in the A / D converter or other suitable hardware component be. The collected data is read out via interfaces and evaluated with software or on a suitable medium displayed.

Ein Mikrocontroller als so genanntes „Ein-Chip-Computersystem" kann die Funktionen des Mikroprozessors übernehmen. Auf einem Mikrocontroller sind nahezu alle Komponenten, wie der Hauptprozessor, die Central Processing Unit (CPU), der Programmspeicher, der Arbeitsspeicher, Ein- und Ausgabeschnittstellen und die Software auf einem einzigen Chip als integrierter Schaltkreis untergebracht. A/D-Wandler, Taktgeneratoren, Speicher, Controller, und parallele sowie serielle Schnittstellen sowie GPIO-Ports (General Port for Input & Output) ergänzen die Architektur eines Mikrocontrollers. Die auf einem Mikrocontroller abgelegte Software steuert die Messvorrichtung. Die Software integriert die Sensoren, die Datenerfassungs- und Datenanalyse- sowie die Signalkonditionierungshardware zu einer funktionstüchtigen Messvorrichtung.One Microcontroller as a so-called "one-chip computer system" can take over the functions of the microprocessor. On a microcontroller is almost all components, like the main processor, the Central Processing Unit (CPU), the program memory, the main memory, Input and output interfaces and the software on a single Chip housed as an integrated circuit. A / D converters, clock generators, Memory, controllers, and parallel as well as serial interfaces as well GPIO (General Port for Input & Output) ports complement the architecture a microcontroller. The filed on a microcontroller Software controls the measuring device. The software integrates the Sensors, the data acquisition and analysis as well as the signal conditioning hardware to a functioning measuring device.

Die Grenze zwischen einem Mikrocontroller und einem Mikroprozessor verläuft dabei häufig fließend. So erscheinen oft nach einiger Zeit auch Mikrocontroller-Varianten einer neuen Mikroprozessor-Architektur am Markt.The Border between a microcontroller and a microprocessor runs often fluent. So often appear after For some time also microcontroller variants of a new microprocessor architecture on the market.

Bei einem Mikroprozessor werden die als Unterstützungs- und Peripheriebausteine realisierten Komponenten, wie Takt- und Reset-Erzeugung, Interruptcontroller, Zeitgeber, Schnittstellenbaustein und zum Teil auch Speichercontroller in den Chip selbst integriert, so dass für ein funktionsfähiges Prozessorsystem oft nur noch ein Quarz für den Takt und Speicherbausteine notwendig sind. Dem gegenüber stehen sehr einfache Mikrocontroller-Architekturen als auf reine Steuerungsaufgaben spezialisierte Bauteile mit minimal integrierten peripheren Bausteinen.at a microprocessor are the as support and I / O modules realized components, such as clock and reset generation, Interrupt controller, timer, interface block and partly also memory controller integrated into the chip itself, allowing for a functioning processor system often just a quartz are necessary for the clock and memory modules. the Opposite are very simple microcontroller architectures as on pure control tasks specialized components with minimal integrated peripheral components.

Aus Aleaf ( Aleaf, A. (2007). GPIO-Ports – Multitalente der I/O-Kommunikation. Elektronik 4, 46–50 ) ist die Anbindung analoger I/O-Komponenten an Mikrocontroller mittels GPIO-Signalen bekannt.From Aleaf ( Aleaf, A. (2007). GPIO ports - all-rounders of I / O communication. Electronics 4, 46-50 ) is the connection of analog I / O components to microcontroller using GPIO signals known.

In einem so genannten „Built-in-self-test" (BIST), erzeugt ein elektronischer Baustein mit einer integrierten Testschaltung Testsignale, welche während des Tests der Signalkonditionierungskomponente mit vorgegebenen „richtigen" Antwort-Signalen verglichen werden, auf dessen Grundlage ein Testresultat ausgegeben wird.In a so-called "built-in-self-test" (BIST) an electronic device with an integrated test circuit Test signals generated during the test of the signal conditioning component compared with given "correct" response signals on the basis of which a test result is output.

In der Messvorrichtung können die Signalkonditionierungskomponenten ausgetauscht werden, um der Messvorrichtung eine weitere Verwendung bzw. Aufgabe zuzuführen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn mit derselben Messvorrichtung verschiedene Sensoren ausgelesen werden können bzw. sollen.In the measuring device can the signal conditioning components be exchanged to the measuring device for further use or task to deliver. This is the case for example if different sensors are read out with the same measuring device can or should be.

Die Identifizierung der verschiedenartigen, austauschbaren analogen Signalkonditionierungskomponenten erfolgt gemäß dem Stand der Technik durch fest digital codierte Informationseinheiten, welche über eine Schnittstelle an Prozessor gesteuerte Recheneinheiten übertragen und ausgelesen werden. Beispielsweise können n Leitungen einer Signalkonditionierungskomponente an die GPIO-Ports eines Mikrocontrollers geführt sein, die seitens einer Signalkonditionierungskomponente mit konstanten, digitalen Spannungspegel gespeist werden. Somit ergeben sich 2n mögliche Kodierungen für verschiedene Signalkonditionierungs komponenten, die vom Mikrocontroller sodann identifiziert werden.The identification of the various, replaceable analog signal conditioning components is carried out according to the prior art by permanently digitally coded information units, which are transmitted and read out via an interface to processor-controlled computing units. For example, n lines of a signal conditioning component may be routed to the GPIO ports of a microcontroller which are fed by a signal conditioning component having a constant, digital voltage level. This results in 2 n possible coding for different signal conditioning components, which are then identified by the microcontroller.

Die Charakterisierung der Signalkonditionierungskomponente erfolgt mittels aufgeschalteter Signale und impliziert die Identifizierung der Komponente. Die Charakterisierung liefert Auskunft über das Verhalten der Signalkonditionierungskomponente nach Aufschalten eines spezifischen, geeigneten Signals und wird auch als Systemcharakterisierung bezeichnet. Die aufgeschalteten Signale sind regelmäßig sinusförmig und werden in mehreren Schritten bei konstanter Amplitude in der Frequenz verändert und vom Messsystem aufgezeichnet. Durch die Auswertung der Ausgangsamplituden und den zeitlichen Versatz zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen wird die Systemcharakteristik der Signalkonditionierungskomponente im Frequenzbereich bestimmt. Die Systemcharakteristik stellt sich als Amplituden- und Phasenspektrum an diskreten Stützstellen im Frequenzbereich dar. Durch Interpolation dieser Stützstellen wird das kontinuierliche Spektrum in einer gewünschten Auflösung geschätzt.The Characterization of the signal conditioning component takes place by means of connected signals and implies the identification of the component. The characterization provides information about the behavior the signal conditioning component after applying a specific, suitable signal and is also called system characterization. The connected signals are regularly sinusoidal and are in several steps at constant amplitude in the Frequency changed and recorded by the measuring system. By the evaluation of the output amplitudes and the time offset between input and output signals becomes the system characteristic the signal conditioning component in the frequency domain determined. The system characteristic turns out to be an amplitude and phase spectrum at discrete nodes in the frequency domain Interpolation of these interpolation points becomes continuous Spectrum estimated in a desired resolution.

Die Systemcharakterisierung wird an Testobjekten durchgeführt und, falls benötigt, als Vorwissen dem Datenakquisitionssystem bzw. der Messvorrichtung oder einer nachfolgenden Auswertesoftware zugeordnet. Hierdurch ist es möglich, nach der Aufzeichnung des zu untersuchenden Signals einen Kompensationsalgorithmus anzuwenden, der beispielsweise eine unerwünschte Nichtlinearität der Signalkonditionierungskomponente numerisch linearisiert.The System characterization is performed on test objects and, if needed, as prior knowledge of the data acquisition system or the measuring device or a subsequent evaluation software assigned. This makes it possible after recording apply a compensation algorithm to the signal under test, for example, an undesirable nonlinearity the signal conditioning component numerically linearized.

Die Systemcharakterisierung gemäß Stand der Technik wird in Messlaboren ermittelt, wobei das Messobjekt, also die Signalkonditionierungskomponente mit externen, nicht zur Messvorrichtung zugehörigen Instrumenten untersucht wird.The System characterization according to the prior art is determined in measuring laboratories, whereby the measuring object, thus the signal conditioning component with external instruments not associated with the measuring device is examined.

Gemäß Stand der Technik wird hierzu eine Spektralanalyse der Signalkonditionierungskomponente mit einem sehr breitbandigen Impulsgeber oder einem Sinusgenerator, wie oben beschrieben, im Verbund mit einem externen Datenerfassungsinstrument durchgeführt. Die Berechnung des Spektrums liefert den Frequenz- und Phasengang der Signalkonditionierungskomponente.As per stand The technique becomes a spectral analysis of the signal conditioning component with a very broadband pulse generator or a sine wave generator, as described above, in conjunction with an external data acquisition instrument carried out. The calculation of the spectrum provides the Frequency and phase response of the signal conditioning component.

Eine Kalibrierung wiederholt den Prozess der Charakterisierung und stellt mit dieser Messung Kennzahlen zur Abweichung von einer bekannten Systemcharakteristik bereit. Diese Abweichungen können beispielsweise auf Grund von Bauteileschwankungen, oder aufgrund von Alterungsprozessen oder Umwelteinflüssen zu Stande kommen. Ist es vorgesehen, Abweichungen auf elektronischem Wege, beispielsweise mit einem Trimmpotentiometer, zu kompensieren, wird dies im Rahmen der Kalibrierung durchgeführt.A Calibration repeats the process of characterization and restores With this measurement, key figures for deviation from a known system characteristic ready. These deviations can for example be due to of component variations, or due to aging processes or Environmental influences come about. Is it intended deviations electronically, for example with a trimming potentiometer, This is done as part of the calibration.

Die Anzahl und die Erweiterung von Komponenten sind bei gegebener Informationsbreite der digitalen Codierung nachteilig beschränkt. Die Charakteristik neuer Komponenten bzw. deren Maßzahlen müssen zudem durch so genannte Updates explizit dem Gesamtsystem mitgeteilt werden. So können neue austauschbare Signalkonditionierungskomponenten in die Messvorrichtung eingebracht werden, wobei die Messvorrichtung als Ganzes die Eigenschaften der jeweiligen Signalkonditionierungskomponente als statische Information beinhaltet.The Number and extension of components are given given information width the digital coding adversely limited. The characteristic new components or their measures must also explicitly communicated to the overall system through so-called updates become. So can new replaceable signal conditioning components be introduced into the measuring device, wherein the measuring device as a whole, the properties of the respective signal conditioning component as static information.

Ebenfalls nachteilig sind die durch Umwelteinflüsse, wie Wärme oder elektromagnetische Strahlung, bedingte, dynamische Abweichungen der Charakteristik, zeitnah zum Messprozess mit den Verfahren und den Messvorrichtungen gemäß Stand der Technik nicht erfassbar.Also disadvantageous are those due to environmental influences, such as heat or electromagnetic radiation, conditional, dynamic deviations the characteristic, promptly to the measuring process with the procedures and the measuring devices according to the prior art not detectable.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein einfaches und schnelles Verfahren zur Systemcharakterisierung einer Signalkonditionierungskomponente bereit zu stellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messvorrichtung bereit zu stellen, welche eine schnelle Systemcharakterisierung ihrer Signalkonditionierungskomponente durchführt.task The invention is therefore a simple and fast method for system characterization of a signal conditioning component to provide. Another object of the invention is to provide a Measuring device to provide, which a fast system characterization their signal conditioning component performs.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch und durch eine Messvorrichtung gemäß Nebenanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf jeweils rückbezogenen Patentansprüchen.The Task is by a method according to the main claim and by a measuring device according to the independent claim solved. Advantageous embodiments will be apparent from the on each back-related claims.

Das Verfahren zur Systemcharakterisierung einer Signalkonditionierungskomponente ist gekennzeichnet durch die Schritte:

  • – Ein Sensorsignal wird durch den Schaltvorgang eines Schalters von der Signalkonditionierungskomponente entkoppelt,
  • – ein Signalgeber erzeugt einen Puls, welcher an Stelle des Sensorsignals über den Schalter an die Signalkonditionierungskomponente weitergeleitet wird,
  • – die Systemcharakterisierung erfolgt durch Auswertung der Impulsantwort der Signalkonditionierungskomponente.
The method of system characterization of a signal conditioning component is characterized by the steps of:
  • A sensor signal is decoupled from the signal conditioning component by the switching action of a switch,
  • A signal generator generates a pulse which, instead of the sensor signal, is forwarded via the switch to the signal conditioning component,
  • - The system characterization is done by evaluating the impulse response of the signal conditioning component.

Als Signalkonditionierungskomponente wird bevorzugt eine analoge Signalkonditionierungskomponente gewählt.When Signal conditioning component is preferably an analog signal conditioning component selected.

Während der Durchführung der Systemcharakterisierung der Signalkonditionierungskomponente ist diese vorzugsweise in der Messvorrichtung angeordnet. Die Messvorrichtung weist mindestens einen Sensor auf, welcher elektrisch mit der Signalkonditionierungskomponente während des Verfahrens verbunden ist und bleibt.While performing the system characterization of the signal conditioning component this is preferably arranged in the measuring device. The measuring device has at least one sensor which is electrically connected to the signal conditioning component during the procedure is and remains.

Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass für die Systemcharakterisierung einer Signalkonditionierungskomponente gemäß Stand der Technik nachteilig immer eine Diskonnektierung des Sensors von der Signalkonditionierungskomponente und damit einhergehend eine zeitliche Unterbrechung des Messprozesses durchgeführt werden muss, um die Signalkonditionierungskomponente mit einem Testsignal zu beaufschlagen. Eine Systemcharakterisierung gemäß Stand der Technik ist aus diesem Grund regelmäßig zeitaufwendig und umständlich.in the Under the invention, it has been recognized that for system characterization a signal conditioning component according to state the technology disadvantageous always a Diskonnektierung the sensor of the signal conditioning component and, consequently, a temporal interruption of the measuring process performed must be to the signal conditioning component with a test signal to act on. A system characterization according to state The technique is therefore time-consuming for this reason regularly and awkward.

Für den ersten Schritt des Verfahrens wird zunächst ein Schaltsignal an den Schalter geleitet. Als Schalter wird bevorzugt ein analoger Wechselschalter oder ein CMOS-Schalter ausgewählt. Der Schalter wird über das Schaltsignal geschaltet. Der Signalweg vom Sensor zur Signalkonditionierungskomponente wird daraufhin unterbrochen. Dadurch wird das Sensorsignal von der Signalkonditionierungskomponente entkoppelt. Der Schalter öffnet an Stelle dessen den Signalweg vom Signalgeber zur Weiterleitung dessen Pulses an die Signalkonditionierungskomponente zum Zwecke der Systemcharakterisierung. Die Systemcharakterisierung ist mit der Analyse der Impulsantwort abgeschlossen.For the first step of the method is first a switching signal passed to the switch. As a switch is preferably an analog Changeover switch or a CMOS switch selected. The desk is switched via the switching signal. The signal path from Sensor for signal conditioning component is then interrupted. This will cause the sensor signal from the signal conditioning component decoupled. The switch instead opens the signal path from the signal generator for forwarding its pulse to the signal conditioning component for the purpose of system characterization. The system characterization is finished with the analysis of the impulse response.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erzeugt der Signalgeber einen Rechteckpuls. Rechteckpulse sind, zeitlich betrachtet, hinreichend kurze Signale, beispielsweise von kleiner als 15 μs, um die Systemcharakteristisierung im Sinne einer Impulsantwort durchführen zu können. Der Rechteckpuls stellt ein definiertes, hinreichend kurzes Eingangssignal für die Signalkonditionierungskomponente dar. Die Systemcharakterisierung der Signalkonditionierungskomponente und somit die Bestimmung derer Eigenschaften, erfolgt aus der Impulsantwort der Signalkonditionierungskomponente.In In a preferred embodiment of the invention, the signal generator generates a square pulse. Rectangular pulses are sufficiently short in time Signals, for example less than 15 μs, about system characterization to perform in the sense of an impulse response. The square-wave pulse provides a defined, sufficiently short input signal for the signal conditioning component. The system characterization the signal conditioning component and thus the determination of these Properties, made from the impulse response of the signal conditioning component.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Impulsantwort der Signalkonditionierungskomponente aufgezeichnet. Die Aufzeichnung der Impulsantwort erfolgt vorzugsweise durch einen in der Messvorrichtung integrierten A/D-Wandler, der die digitalisierten Messwerte an einen internen Speicher übergibt. Der A/D-Wandler ist daher im Signalweg hinter der Signalkonditionierungskomponente angeordnet.In a further advantageous embodiment of the invention is the Impulse response of the signal conditioning component recorded. The recording of the impulse response is preferably carried out by a in the measuring device integrated A / D converter, which digitized the Passing measured values to an internal memory. The A / D converter is therefore in the signal path behind the signal conditioning component arranged.

Der A/D-Wandler kann in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung Bestandteil des Signalgebers sein.Of the A / D converter may be part of a further embodiment of the invention be the signaler.

Es ist aber auch möglich, die Impulsantwort in einem peripheren Speicher und somit außerhalb der Messvorrichtung abzulegen. Nach der Speicherung der Impulsantwort kann ausgehend von den abgespeicherten Daten eine genaue Analyse der Systemcharakterisierung bis hin zu einer bedarfsgesteuerten Kalibrierung der Signalkonditionierungskomponente erfolgen.It but it is also possible the impulse response in a peripheral Store memory and thus outside of the measuring device. After storing the impulse response, starting from the stored Data includes a detailed analysis of the system characterization right up to an on-demand calibration of the signal conditioning component respectively.

Im Signalweg verläuft der Puls, insbesondere der Rechteckpuls somit ausgehend vom Signalgeber über den Schalter zur Signalkonditionierungskomponente.in the Signal path runs the pulse, in particular the square-wave pulse thus starting from the signal generator via the switch to the signal conditioning component.

Während dessen ist das Nutzsignal des Sensors durch den durch das Schaltsignal ausgelösten Schaltvorgang von der Signalkonditionierungskomponente entkoppelt. Nach der Aufzeichnung der Impulsantwort der Signalkonditionierungskomponente sind alle Informationen für die Systemcharakterisierung gespeichert. Die Systemcharakterisierung der Signalkonditionierungskomponente kann daher parallel zur weiteren Datenaufzeichnung durch den wieder hinzu geschalteten Sensor erfolgen.While this is the useful signal of the sensor by the by the switching signal triggered switching process of the signal conditioning component decoupled. After recording the impulse response of the signal conditioning component All information stored for system characterization. The system characterization of the signal conditioning component can therefore parallel to the further data recording by the again connected sensor done.

Es können auch mehrere Sensoren mit der Signalkonditionierungskomponente verbunden sein.It can also use multiple sensors with the signal conditioning component be connected.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird für die Systemcharakterisierung der Signalkonditionierungskomponente eine Fast-Fourier-Transformation der Impulsantwort vorgenommen. Die Fast-Fourier-Transformation der Daten kann vorteilhaft ebenfalls online erfolgen.In A particularly advantageous embodiment of the invention is for the system characterization of the signal conditioning component made a fast Fourier transformation of the impulse response. The fast Fourier transform of the data may also be advantageous done online.

Der (Spannungs-)Puls wird in einer weiteren, ganz besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung durch einen Mikrocontroller oder durch einen Mikroprozessor als Signalgeber innerhalb der Messvorrichtung selbst erzeugt.Of the (Voltage) pulse is in a further, particularly advantageous Embodiment of the invention by a microcontroller or by a microprocessor as a signal generator within the measuring device self generated.

Die Messvorrichtung umfasst dann vorteilhaft neben der Signalkonditionierungskomponente auch einen Mikrocontroller bzw. einen Mikroprozessor. An Stelle dessen ist es aber auch denkbar, einen Funktionsgenerator oder einen anderen geeigneten Baustein als Signalgeber zu verwenden.The measuring device then advantageously comprises not only the signal conditioning component but also a microcontroller or a microprocessor. Instead, however, it is also conceivable to use a function generator or another suitable one Block to use as a signal generator.

In einer weiteren, ganz besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, wird ein Mikrocontroller mit seinen GPIO-Ports als Signalgeber und Treiber für die Systemcharakterisierung einer Signalkonditionierungskomponente und gegebenenfalls sogar für die Erzeugung und das Treiben von Schaltsignalen an den Schalter ausgewählt.In another, particularly advantageous embodiment of the invention, becomes a microcontroller with its GPIO ports as a signal generator and driver for the system characterization of a signal conditioning component and possibly even for production and bustle selected from switching signals to the switch.

Ohne Einschränkung der Erfindung ist es aber auch denkbar ist, einen andersartigen, geeigneten Signalgeber mit GPIO-Ports zu verwenden.Without Limitation of the invention, it is also conceivable to use a different, suitable signal generator with GPIO ports.

Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass besonders vorteilhaft der in vielen Messvorrichtungen ohnehin vorhandene Mikrocontroller (μC) eine wichtige Komponente bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellen kann.in the Within the scope of the invention, it has been found that particularly advantageous in many measuring devices already existing microcontroller (μC) a important component in the execution of the invention Can represent method.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird daher ein Puls, insbesondere ein Rechteckpuls durch den Mikrocontroller der Messvorrichtung erzeugt und durch einen seiner GPIO-Ports (General Purpose Input/Output) an die Signalkonditionierungskomponente getrieben.In a particularly advantageous embodiment of the invention will therefore a pulse, in particular a rectangular pulse through the microcontroller generated by the measuring device and through one of its GPIO ports (General Purpose input / output) to the signal conditioning component.

In einer weiteren, ganz besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung treibt vorab ein anderer GPIO-Port des Mikrocontrollers als Signalgeber auch ein Steuer- bzw. Schaltsignal zum Wechseln des Signalpfades und Schalten an den Schalter. Der Signalpfad beschreibt sich nach dem Schaltvorgang des Schalters durch den Mikrocontroller nebst eines zweiten GPIO-Port an Stelle des Sensors, sowie dem Schalter und der Signalkonditionierungskomponente. Dieser zweite GPIO-Port treibt dann den definierten (Rechteck-)Puls an die Signalkonditionierungskomponente, um diese im Sinne einer Impulsantwort zu charakterisieren.In a further, particularly advantageous embodiment of the invention drives in advance another GPIO port of the microcontroller as a signal generator also a control or switching signal for changing the signal path and switching to the switch. The signal path is described after the switching operation of the switch by the microcontroller together with a second GPIO port in place of the sensor, as well as the switch and the signal conditioning component. This second GPIO port is driving then the defined (square) pulse to the signal conditioning component, to characterize these in the sense of an impulse response.

Es ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ohne weiteres denkbar, dass ein GPIO-Port eines Signalgebers bzw. Mikrocontrollers als Signalgeber beide Funktionen erfüllen kann. Dann wird zunächst das Schaltsignal über den GPIO-Port des Signalgebers bzw. Mikrocontrollers an den Schalter getrieben und damit einhergehend der Wechsel des Signalpfades eingeleitet. Sodann treibt derselbe GPIO-Port einen Puls für die Systemcharakterisierung an die Signalkonditionierungskomponente.It is in a further embodiment of the invention readily conceivable that a GPIO port of a signaling device or microcontroller as a signal generator can fulfill both functions. Then it will be first the switching signal via the GPIO port of the Signal transmitter or microcontroller to the switch and driven accompanied by the change of the signal path. thereupon The same GPIO port drives a pulse for system characterization to the signal conditioning component.

Es wurde erkannt, dass der GPIO-Port des Signalgebers bzw. Mikrocontrollers einen in Bezug auf den Eingangswiderstand der Signalkonditionierungskomponente genügend großen Strom, z. B. von mindestens 1 mA, treiben kann. Weiterhin weisen Signalkonditionierungskomponenten regelmäßig einen hohen Innenwiderstand auf. Somit ist ein derartiger Mikrocontroller mit GPIO-Port zum Treiben des Signals für die Systemcharakterisierung und insbesondere auch der Identifikation der Signalkonditionierungskomponente besonders geeignet. Ausgehend vom Mikrocontroller wird über dessen GPIO-Port ein (Spannungs-)Puls an Stelle des Sensorsignals über den Schalter an die Signalkonditionierungskomponente weitergeleitet. Die Impulsantwort ist abhängig vom (Spannungs-)Puls einerseits und von den Eigenschaften der Signalkonditionierungskomponente andererseits.It was detected that the GPIO port of the signaler or microcontroller one with respect to the input resistance of the signal conditioning component sufficiently large current, z. B. of at least 1 mA, can drive. Furthermore have signal conditioning components regularly a high internal resistance. Consequently is such a microcontroller with GPIO port for driving the Signals for system characterization and in particular also the identification of the signal conditioning component especially suitable. Starting from the microcontroller is about its GPIO port on (voltage) pulse in place of the sensor signal via the Switch forwarded to the signal conditioning component. The impulse response depends on the (voltage) pulse on the one hand and the properties of the signal conditioning component, on the other hand.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Mikrocontroller und dessen GPIO-Port(s) als eine mögliche Ausgestaltung eines Signalgebers nicht nur zur Erzeugung und zum Treiben eines Schaltsignals und eines (Spannungs-)Pulses (z. B. Rechtecksignal), sondern zusätzlich auch noch für die Durchführung einer Fast-Fourier-Transformation verwendet. Die Impulsantwort der Signalkonditionierungskomponente erfolgt in Form der Ausgabe eines (Antwort-)Signals. Die Impulsantwort wird nach Einspeisen des Eingangsignals an den Signalgeber analysiert.In a further particularly advantageous embodiment of the invention is the microcontroller and its GPIO port (s) as a possible Design of a signal generator not only for generation and Driving a switching signal and a (voltage) pulse (eg. Square wave signal), but also for used to perform a fast Fourier transform. The impulse response of the signal conditioning component is in Form of the output of a (response) signal. The impulse response becomes after injecting the input signal to the signal generator analyzed.

Das Verfahren zur Systemcharakterisierung umfasst vorteilhaft auch die Identifizierung der Signalkonditionierungskomponente. Beispielsweise kann ausgehend von einem in einem Mikrocontroller als Signalgeber erzeugten Signal über dessen GPIO-Port ein für die Signalkonditionierungskomponente geeignetes Testsignal an die Signalkonditionierungskomponente weitergeleitet werden.The Method for system characterization advantageously also includes Identification of the signal conditioning component. For example, can starting from a generated in a microcontroller as a signal generator Signal via its GPIO port on for the signal conditioning component passed appropriate test signal to the signal conditioning component become.

Besonders vorteilhaft kann während des erfindungsgemäßen Verfahrens der Sensor an der Messvorrichtung angeschlossen bleiben. Der oder die Sensor(en) kann mit der Signalkonditionierungskomponente verbunden bleiben, da lediglich der Schalter den Signalweg vom Sensor bzw. von den Sensoren zur Signalkonditionierungskomponente unterbricht und stattdessen den Signalweg vom Signalgeber zur Signalkonditionierungskomponente frei schaltet. Daher ist das Verfahren schnell und einfach.Especially can be advantageous during the inventive Procedure of the sensor to remain connected to the measuring device. The sensor (s) may be connected to the signal conditioning component remain connected because only the switch the signal path from the sensor or interrupts from the sensors to the signal conditioning component and instead the signal path from the signal generator to the signal conditioning component switches freely. Therefore, the process is quick and easy.

Es ist aber für bestimmte Applikationen auch denkbar, das Verfahren zur Systemcharakterisierung der Signalkonditionierungskomponente außerhalb einer Messvorrichtung durchzuführen.It But is also conceivable for certain applications, the Method for system characterization of the signal conditioning component outside a measuring device.

Das Verfahren kann sowohl für single-ended als auch für differentielle Messverfahren angewendet werden.The Method can be used both for single-ended and for Differential measurement methods are used.

Das beschriebene Verfahren setzt einen den elektrischen Eigenschaften der GPIO-Port entsprechenden hochohmigen Eingangswiderstand der Signalkonditionierungskomponente voraus. Dies ist in den meisten Signalkonditionierungskomponenten als so genannte Impedanzentkopplung implementiert. Der Signalpegel des Sensors, an den die Signalkonditionierungskomponente angepasst ist, sollte nicht wesentlich höher als der Pulspegel des Signalgebers bzw. Mikrocontrollers sein.The method described requires a high-impedance input resistance of the signal conditioning component corresponding to the electrical properties of the GPIO port. This is implemented in most signal conditioning components as so-called impedance decoupling. The signal level of the sensor to which the signal con is adapted not be much higher than the pulse level of the signal generator or microcontroller.

Sind diese Vorraussetzungen nicht erfüllt, sollte eine Impedanz- und Pegelanpassung des vom Signalgeber bzw. Mikrocontroller erzeugten Pulses mittels einer zwischengeschalteten Konditionierungsstufe erfolgen.are If these requirements are not met, an impedance Level adjustment of the signal generator or microcontroller generated Pulse by means of an intermediate conditioning stage respectively.

Eine erfindungsgemäße Messvorrichtung weist mindestens einen Sensor und eine hiermit elektrisch verbundene Signalkonditionierungskomponente auf. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass im Signalweg zwischen dem Sensor und der Signalkonditionierungskomponente ein Schalter angeordnet ist, welcher elektrisch mit einem Signalgeber verbunden ist. Der Schalter vermag an Stelle des Sensors den Signalgeber an die Signalkonditionierungskomponente zuzuschalten.A Measuring device according to the invention has at least a sensor and a signal conditioning component electrically connected thereto on. The device is characterized in that in the signal path between the sensor and the signal conditioning component Switch is arranged, which is electrically connected to a signal generator is. The switch can use the signal transmitter instead of the sensor to turn on the signal conditioning component.

In einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Signalgeber ein Schaltsignal für den Schalter erzeugen und an den Schalter treiben.In According to an embodiment of the invention, the signal transmitter can be a switching signal for the switch and drive to the switch.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Signalgeber auch Pulse für die Systemcharakterisierung der Signalkonditionierungskomponente erzeugen und treiben.In a further embodiment of the invention, the signal generator also pulses for the system characterization of the signal conditioning component generate and drive.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Signalgeber wenigstens einen GPIO-Port auf.In a further advantageous embodiment of the invention, the Signal generator on at least one GPIO port.

Ein erster GPIO-Port des Signalgebers kann hierzu ein Schaltsignal an den Schalter treiben. Der Signalgeber kann somit das Steuer- bzw. Schaltsignal erzeugen und treibt dieses vorteilhaft über einen ersten GPIO-Port des Signalgebers an den Schalter.One The first GPIO port of the signal generator can send a switching signal drive the switch. The signal generator can thus the tax or Generate switching signal and drives this advantageous over a first GPIO port of the auto switch to the switch.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Signalgeber ohne weiteres gegebenenfalls einen zweiten GPIO-Port umfassen. Über den zweiten GPIO-Port des Signalgebers wird der Puls an die Signalkonditionierungskomponente getrieben.In a further embodiment of the invention, the signal generator optionally optionally include a second GPIO port. On the second GPIO port of the signal generator, the pulse to the signal conditioning component driven.

Der Puls, insbesondere ein Rechteckpuls als Spannungspuls, zur Systemcharakterisierung wird besonders vorteilhaft ebenfalls durch den Signalgeber erzeugt und beispielsweise mittels eines zweiten GPIO-Port des Signalgebers an Stelle des Sensorsignals über den Schalter an die Signalkonditionierungskomponente getrieben. Es ist möglich, dass derselbe GPIO-Port auch diese Funktion auszuführen vermag.Of the Pulse, in particular a rectangular pulse as a voltage pulse, for system characterization is also particularly advantageous generated by the signal generator and for example by means of a second GPIO port of the signal generator instead of the sensor signal via the switch to the signal conditioning component driven. It is possible that the same GPIO port too to perform this function.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vermag der Signalgeber auch eine Fast-Fourier-Transformation durchzuführen. Dann ist der Signalgeber sozusagen ein im Sinne der Erfindung multifunktionales Steuer- und Auswertebauteil.In a further advantageous embodiment of the invention able the signal generator also carry out a fast Fourier transformation. Then the signal generator is, so to speak, a multifunctional in the sense of the invention Control and evaluation component.

In einer ganz besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Messvorrichtung vorteilhaft zu diesem Zweck einen Mikrocontroller nebst seinen GPIO-Ports als Signalgeber auf. Ein Mikrocontroller weist regelmäßig bereits eine Vielzahl an GPIO-Ports auf. Ein oder insbesondere mehrere GPIO-Ports des Mikrocontrollers treiben das erzeugte Schaltsignal an den Schalter und/oder den Puls für die Systemcharakterisierung an die Signalkonditionierungskomponente.In a very particularly advantageous embodiment of the invention the measuring device advantageously for this purpose a microcontroller along with its GPIO ports as a signaling device. A microcontroller already regularly has a large number of GPIO ports on. One or in particular several GPIO ports of the microcontroller drive the generated switching signal to the switch and / or the pulse for system characterization to the signal conditioning component.

Die Messvorrichtung weist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Konditionierungsstufe z. B. in Form eines Verstärkers auf. Die Konditionierungsstufe führt eine Impedanzentkopplung und/oder Pegelanpassung in Form einer Verstärkung oder Dämpfung des vom Signalgeber erzeugten Pulses. Die Konditionierungsstufe ist zwischen Signalgeber und Signalkonditionierungskomponente(n), insbesondere zwischen dem Signalgeber und dem Schalter angeordnet.The Measuring device has in a further advantageous embodiment the invention, a conditioning stage z. B. in the form of an amplifier on. The conditioning stage performs an impedance decoupling and / or level adjustment in the form of a gain or Damping of the pulse generated by the signal generator. The conditioning stage is between signal generator and signal conditioning component (s), arranged in particular between the signal generator and the switch.

Im Falle eines Verstärkers als Konditionierungsstufe, ist dieser besonders vorteilhaft eingangsseitig hochohmig und ausgangsseitig niederohmig ausgeführt, so dass der GPIO-Port des Signalgebers bzw. Mikrocontrollers als Signalgeber nicht belastet wird.in the Case of an amplifier as a conditioning stage, is this is particularly advantageous on the input side high impedance and output side low impedance, so that the GPIO port of the signal transmitter or Microcontroller is not charged as a signal generator.

Besonders vorteilhaft erfolgt mittels der erfindungsgemäßen Messvorrichtung die notwendige Systemcharakterisierung einer Signalkonditionierungskomponente viel schneller, als aus dem Stand der Technik bekannt, da der oder die Sensor(en) einfacherweise nicht mehr notwendigerweise von der Messvorrichtung diskonnektiert werden muss bzw. müssen.Especially advantageously takes place by means of the invention Measuring device the necessary system characterization of a signal conditioning component much faster than known from the prior art because of or the sensor (s) simply no longer necessarily from the measuring device must or must be disconnected.

Austauschbare oder auch fest eingebundene analoge elektronische Komponenten zur Signalkonditionierung und Nachverarbeitung können sich vorteilhaft innerhalb einer durch Messcomputer oder durch Mikrocontroller gesteuerten Messvorrichtung, z. B. mit integriertem analog-digital Wandler bedarfsnah selbst identifizieren und charakterisieren. Damit ist eine systeminterne Kalibrierung und Rekonfiguration möglich.interchangeable or firmly integrated analog electronic components for Signal conditioning and post processing can be advantageous within one by measuring computer or by microcontroller controlled measuring device, z. B. with integrated analog-digital Transducers are self-identifying and characterizing themselves. This is an internal system calibration and reconfiguration possible.

Dies ist insbesondere bei autarken verteilten Systemen von besonderer Bedeutung. Hier ist im besonderen Maße eine Selbstkonfiguration von Systemen im Allgemeinen von Bedeutung. Eine Selbstkonfiguration (analoger) Signalkonditionierungskomponenten innerhalb solcher Systeme kann beispielsweise die Anpassung eines geänderten Sensorsignals aufgrund von geänderten Umweltbedingungen sein. Hier werden zumeist auf elektronischem Wege die Eigenschaften der Signalkonditionierungskomponente adaptiv und eigenständig angepasst. Dieser Vorgang kann erfindungsgemäß schnell und präzise vom System selbst überprüft werden.This is particularly important in self-contained distributed systems of particular importance. In particular, self-configuration of systems in general is important here. A self-configuration (analog) signal conditioning components within such systems may, for example, be the adaptation of a changed sensor signal due to changed environmental conditions. Here are mostly electronically the Properties of the signal conditioning component adapted adaptively and independently. This process can be checked according to the invention quickly and accurately by the system itself.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung ist auch bei Anwendungen einsetzbar, bei denen die Aufnahme und Verarbeitung von biomedizinischen Signalen im Vordergrund stehen. Beispielhaft sein EKG-, EEG-, EMG-Signale oder auch in-vitro Einzelzellableitungen von Neuronen genannt.The Measuring device according to the invention is also in Can be used in applications where recording and processing of biomedical signals in the foreground. exemplary His ECG, EEG, EMG signals or in-vitro single cell leads called by neurons.

Im Rahmen dieser medizinischen Untersuchungen werden regelmäßig verschiedene Charakteristiken der die Signalkonditionierungskomponente(n) umfassenden Frontends, wie z. B. Filterordnungen und Typ oder Verstärkung, gefordert. Dabei werden der Verstärker bzw. die gesamte analoge Datenvorverarbeitung angepasst. Ein Anwender kann während einer Messung die Systemcharakteristik eines Verstärkers ändern, indem ein Frontend ausgetauscht wird. Dieses wird durch das beschriebene Verfahren im Sinne einer Plug- & Play-Technologie von der Messvorrichtung automatisch identifiziert und charakterisiert. Die Messvorrichtung führt beim Start einen Built-in-self-test eigenständig durch, um die initialen Systemeigenschaften zu bestimmen.in the These medical examinations are conducted regularly different characteristics of the signal conditioning component (s) comprehensive front ends, such as B. Filter orders and type or gain, required. In this case, the amplifier or the entire adapted analog data preprocessing. A user can during a measurement change the system characteristics of an amplifier, by exchanging a frontend. This is done by the described method in the sense of a Plug & Play technology from the measuring device automatically identified and characterized. The measuring device performs a built-in self-test at startup independently through to the initial system properties to determine.

Im Weiteren wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels und der beigefügten Figuren näher beschrieben, ohne dass der Gegenstand der Erfindung hierdurch eingeschränkt wird.in the Furthermore, the invention with reference to an embodiment and the accompanying figures, without the object of the invention being limited thereby becomes.

1 zeigt blockschematisch eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 1. 1 shows a block diagram of a measuring device according to the invention 1 ,

2 zeigt eine mittels eines Oszilloskop durchgeführte Aufzeichnung eines Eingangssignals. 2 shows a recorded by an oscilloscope recording an input signal.

3 zeigt die mittels eines Oszilloskop vorgenommene Messaufzeichnung von insgesamt 32 gemittelten Impulsantworten. 3 shows the total recorded by a oscilloscope measurement record 32 averaged impulse responses.

4 zeigt die Systemcharakteristik der Signalkonditionierungskomponente an Hand zweier Amplitudenspektren. 4 shows the system characteristics of the signal conditioning component based on two amplitude spectra.

Der Sensor 7 der Messvorrichtung 1 wandelt die physikalische Messgröße, z. B. Schall, Licht, Wärme oder Bewegung in ein elektronisches Signal, das heißt im Allgemeinen in eine zur Messgröße proportionale Spannung um.The sensor 7 the measuring device 1 converts the physical measurand, z. As sound, light, heat or movement in an electronic signal, that is generally in a proportional to the measured voltage.

Der analoge Schalter 2 ist als ein elektromechanisches Bauteil in Form eines Relais, hier als ein Wechselschalter, ausgeführt. Alternativ hierzu ist ein elektronischer Schalter, z. B. ein CMOS SPDT-Multiplexer an Stelle des Wechselschalters 2 angeordnet. Dieser weist im Vergleich schnellere Schaltzeiten und einen geringeren Stromverbrauch zur Ansteuerung auf. Der Signalweg ist im Messmodus durch den Sensor 7, den Schalter 2, der Signalkonditionierungskomponente 3 und den hinter der Signalkonditionierungskomponente 3 angeordneten Bausteinen beschrieben.The analog switch 2 is designed as an electromechanical component in the form of a relay, here as a changeover switch. Alternatively, an electronic switch, z. A CMOS SPDT multiplexer instead of the toggle switch 2 arranged. In comparison, this has faster switching times and lower power consumption for driving. The signal path is in measurement mode by the sensor 7 , the switch 2 , the signal conditioning component 3 and the one behind the signal conditioning component 3 arranged blocks described.

Das Schaltsignal 5 wird durch den Mikrocontroller 4 als Signalgeber erzeugt und mittels eines ersten GPIO-Port (nicht dargestellt) des Mikrocontrollers 4 an den Schalter 2 getrieben (gepunktete Linie). Durch den Schaltvorgang des Schalters 2 wird der Sensor 7 von der Signalkonditionierungskomponente 3 entkoppelt.The switching signal 5 is through the microcontroller 4 generated as a signal generator and by means of a first GPIO port (not shown) of the microcontroller 4 to the switch 2 driven (dotted line). By switching the switch 2 becomes the sensor 7 from the signal conditioning component 3 decoupled.

Das Schaltsignal 5 als ein Steuersignal für den analogen Schalter 2 dient der Entkopplung des Eingangssignals des physikalischen Sensors 7 und dem Hinzuschalten des vom Mikrocontroller 4 generierten Spannungspulses 6.The switching signal 5 as a control signal for the analog switch 2 serves to decouple the input signal of the physical sensor 7 and the addition of the microcontroller 4 generated voltage pulse 6 ,

Der Spannungspuls 6 wird mittels der Übertragungsfunktion H(f) der Signalkonditionierungskomponente 3 in das applikationsspezifische und definierte Ausgangssignal transformiert. Der Spannungspuls 6 ist als ein definierter Rechteckpuls ausgeführt und wird über einen zweiten GPIO-Port (nicht dargestellt) des Mikrocontrollers 4 an den Schalter 2 getrieben. Der Mikrocontroller 4 ist damit als Signalgeber sowie als Steuersignalgeber mit dem Schalter 2 verbunden.The voltage pulse 6 is determined by the transfer function H (f) of the signal conditioning component 3 transformed into the application specific and defined output signal. The voltage pulse 6 is implemented as a defined rectangular pulse and is transmitted via a second GPIO port (not shown) of the microcontroller 4 to the switch 2 driven. The microcontroller 4 is thus as a signal generator and as a control signal generator with the switch 2 connected.

Die Pulsbreite bestimmt die Bandbreite des Impulses, welche die der zu untersuchenden Signalkonditionierungskomponente 3 überschreiten muss. Strebt die Pulsbreite gegen Null, spricht man von einem so genannten Dirac-Stoß. Wird dieses Signal an ein lineares zeitinvariantes System wie beispielsweise eine analoge Filterkaskade als Signalkonditionierungskomponente 3 übergeben, kann aufgrund der Eigenschaft des Dirac-Pulses mit unendlicher Bandbreite die Systemantwort der Signalkonditionierungskomponente 3 gemessen werden. Da der Rechteckpuls 6 aus einem technischen System nie die zeitliche Ausdehnung Null erreichen kann, wird aus der unendlichen Bandbreite des Eingangssignals eine sin(x)/x Funktion im Frequenzbereich mit einer Bandbreite von –3 dB, die der des zu erwartenden Messobjekts überschreiten muss, um eine definierte Fehlertoleranz einzuhalten. Als Umkehrung kann somit die kleinste Pulsbreite bestimmt werden, die die geforderte Bandbreite abdeckt.The pulse width determines the bandwidth of the pulse which is that of the signal conditioning component to be examined 3 must exceed. If the pulse width tends towards zero, one speaks of a so-called Dirac shock. This signal is applied to a linear time invariant system such as an analog filter cascade as a signal conditioning component 3 Due to the nature of the infinite bandwidth Dirac pulse, the system response of the signal conditioning component can be passed 3 be measured. Because the square pulse 6 From a technical system can never reach the time extension zero, from the infinite bandwidth of the input signal is a sin (x) / x function in the frequency range with a bandwidth of -3 dB, which must exceed that of the expected measurement object to a defined fault tolerance observed. As a reversal can thus be determined the smallest pulse width covering the required bandwidth.

Die analoge Signalkonditionierungskomponente 3, hier ein analoger Filter mit Verstärker, bereitet unter anderem das elektrische Signal für eine Analog-Digital-Konvertierung in dem A/D-Wandler 4.1 des Mikrocontrollers 4, hier einen MSP 430 von Texas Instruments, vor. Hierzu wird das Signal für ein dem A/D-Wandler 4.1 entsprechenden Eingangsspannungsbereich verstärkt. Des Weiteren kann optional das Signal von einem konstanten Offset befreit werden (AC-Kopplung), was mit einem Hochpassfilter innerhalb der Signalkonditionierungskomponente realisiert wird. Aufgrund des Abtasttheorems von Nyquist wird entsprechend der Abtastfrequenz das Signalband begrenzt. Dies wird mit einem Tiefpassfilter in der Signalkonditionierungskomponente 3 realisiert. Sind nur bestimmte Frequenzbänder des Sensorsignals von Interesse, werden applikative Hoch-, Tief-, oder Bandpassfilter mit speziellen Eigenschaften in der Signalkonditionierungskomponente 3 angewandt. Diese Operationen auf das Eingangssignal formen die Systemcharakteristik H(f), die im Frequenzbereich den Amplituden und Phasengang des Systems darstellt.The analog signal conditioning component 3 , here an analogue filter with amplifier, prepares, inter alia, the electrical signal for an analog-to-digital conversion in the A / D converter 4.1 of the microcontroller 4 , here is a MSP 430 from Texas Instruments, before. This is the signal for a the A / D converter 4.1 amplified corresponding input voltage range. Furthermore, op tional the signal from a constant offset freed (AC coupling), which is realized with a high-pass filter within the signal conditioning component. Due to the sampling theorem of Nyquist, the signal band is limited according to the sampling frequency. This is done with a low-pass filter in the signal conditioning component 3 realized. If only certain frequency bands of the sensor signal are of interest, applicative high, low, or bandpass filters with special properties in the signal conditioning component 3 applied. These operations on the input signal form the system characteristic H (f), which in the frequency domain represents the amplitudes and phase response of the system.

Der A/D-Wandler 4.1 des Mikrocontroller 4 tastet das analoge Signal der Signalkonditionierungskomponente 3 in äquidistanten Zeitschritten ab und wandelt die analogen Spannungen in digitale Informationseinheiten um. Der Prozessor (CPU) 4.2 des Mikrocontrollers 4 empfangt die digitalen Daten und legt diese in einen internen Speicherbereich 4.3 ab.The A / D converter 4.1 of the microcontroller 4 samples the analog signal of the signal conditioning component 3 in equidistant time steps and converts the analog voltages into digital information units. The processor (CPU) 4.2 of the microcontroller 4 receives the digital data and places it in an internal memory area 4.3 from.

Der Prozessor 4.2 führt die im Speicher 4.3 befindliche Software 4.4 als Befehlssatz aus. Die Software 4.4 beinhaltet die Auswertealgorithmen sowie die Steuerungslogik für die Datenaufnahme.The processor 4.2 leads the one in the store 4.3 located software 4.4 as an instruction set. The software 4.4 includes the evaluation algorithms as well as the control logic for the data acquisition.

Nach dem Abspeichern der Daten im Speicher 4.3, berechnet der Algorithmus eine Spektralschätzung des Ausgangssignals. Dies ist als Fast-Fourier-Transformation (FFT) etabliert. Hiermit ist die Systemcharakteristik der vorausgegangen Impulsantwort bestimmt.After saving the data in memory 4.3 The algorithm calculates a spectral estimate of the output signal. This is established as fast Fourier transform (FFT). This determines the system characteristics of the previous impulse response.

Die Software 4.4 bestimmt Maßzahlen der Charakteristik und führt die Klassifikation durch. Der Speicher 4.3 ist als flüchtiger Speicher (RAM) oder nichtflüchtiger Speicher (ROM, Flash) zur Speicherung der Software 4.4 und zur Speicherung anfallender Daten ausgelegt.The software 4.4 determines measures of the characteristic and performs the classification. The memory 4.3 is a volatile memory (RAM) or nonvolatile memory (ROM, Flash) for storing the software 4.4 and designed to store accumulating data.

Die Applikationen der Messvorrichtung 1 beziehen sich insbesondere auf die Aufnahme und Verarbeitung von biomedizinischen Signalen wie z. B. EKG-, EEG-, EMG-Signalen oder auch in-vitro Einzelzellableitungen von Neuronen, für die verschiedene Charakteristiken der Frontends, wie z. B. Filterordnung und Typ oder Verstärkung, gefordert sind. Der Anwender kann während einer Messung ein Frontend austauschen (sogenannte Plug- & Play-Technologie).The applications of the measuring device 1 refer in particular to the uptake and processing of biomedical signals such as As ECG, EEG, EMG signals or in-vitro single cell leads of neurons, for the different characteristics of the front ends, such. As filter order and type or gain are required. The user can exchange a frontend during a measurement (so-called plug & play technology).

2 dokumentiert das Verfahren anhand von Messaufzeichnungen mit einem Oszilloskop. Das Oszilloskop greift die Signale zwischen der Signalkonditionierungskomponente 3 und dem Mikrocontroller 4, wie für 1 gezeigt, ab. 2 documents the procedure using measurement records with an oscilloscope. The oscilloscope picks up the signals between the signal conditioning component 3 and the microcontroller 4 , as for 1 shown off.

In 2 umfasst jedes Kästchen auf der Abszisse 500 mV und jedes Kästchen auf der Ordinate einen Zeitabstand von 10 ms.In 2 For example, each box on the abscissa is 500 mV and each box on the ordinate is 10 ms apart.

Ein universeller Verstärker mit applikationsspezifischen austauschbaren Signalkonditionierungs- und Nachverarbeitungseinheiten ist an den Mikrocontroller angeschlossen.One Universal amplifier with application-specific exchangeable Signal conditioning and postprocessing units is connected to the microcontroller connected.

Die Messvorrichtung umfasste, wie für 1 gezeigt, einen Mikrocontroller mit integriertem Analog-Digital-Wandler, mindestens einen ersten sowie einen zweiten GPIO-Port zum Treiben von Rechteckpulsen und Schaltsignalen sowie internem Programm- und Arbeitsspeicher zur Prozesssteuerung und Analyse.The measuring device included, as for 1 a microcontroller with integrated analog-to-digital converter, at least a first and a second GPIO port for driving rectangular pulses and switching signals and internal program and memory for process control and analysis.

Das sinusförmige Sensorsignal 21a wird durch den analogen Schalter von der Verstärker- und Konditionierungseinheit getrennt. Der Bereich 22a bezeichnet den Schaltvorgang des Schalters, durch den das Signal des Sensors von der Signalkonditionierungskomponente entkoppelt und im Weiteren ein Rechteckpuls des Mikrocontrollers hinzugeschaltet wird. Dieses Signal erzeugt die Impulsantwort 23 der Signalkonditionierungskomponente.The sinusoidal sensor signal 21a is disconnected from the amplifier and conditioning unit by the analogue switch. The area 22a denotes the switching operation of the switch, by which the signal of the sensor is decoupled from the signal conditioning component and subsequently a rectangular pulse of the microcontroller is added. This signal generates the impulse response 23 the signal conditioning component.

Nach Aufzeichnung der Impulsantwort 23 wird das Sensorsignal 21b durch den Schaltvorgang 22b wieder hinzugeschaltet.After recording the impulse response 23 becomes the sensor signal 21b through the switching process 22b switched back on.

3 zeigt die mittels des externen Oszilloskops vorgenommene Aufzeichnung von insgesamt 32 gemittelten Impulsantworten 33 nach einem treibenden Rechteckpuls 32, welcher wie in 1 gezeigt, durch einen Mikrocontroller erzeugt wurde. Der Rechteckpuls 32 hat eine zeitliche Ausdehnung von kleiner als 15 μs und ist durch die Zeitbasis des Oszilloskops mit 1 ms/div in 3 nur als Linie erfasst. Der Bereich 33 umfasst die gemittelte Impulsantwort der Signalkonditionierungskomponente im Zeitbereich. 3 shows the total recording made by the external oscilloscope 32 averaged impulse responses 33 after a driving square pulse 32 , which like in 1 shown was generated by a microcontroller. The square pulse 32 has a time span of less than 15 μs and is limited by the time base of the oscilloscope with 1 ms / div in 3 only recorded as a line. The area 33 includes the averaged impulse response of the signal conditioning component in the time domain.

4 zeigt zwei Amplitudenspektren der Systemcharakteristik der Signalkonditionierungskomponente. Hier wird exemplarisch ein aktiver Tiefpass 4. Ordnung mit Sessel-Koeffizienten als Signalkonditionierungskomponente vermessen, dessen –3 dB Grenzfrequenz bei etwa 400 Hz liegt. Dieser wurde zuvor simuliert und als elektronische Komponente aufgebaut. Die Skalierung der Ordinate ist logarithmisch aufgetragen. Die Abszisse ist ebenfalls in logarithmischer Skalierung in Dezibel 20·log10(x) dargestellt. 4 shows two amplitude spectra of the system characteristic of the signal conditioning component. Here is an example of an active low pass 4 , Measure order with armchair coefficients as a signal conditioning component whose -3 dB cut-off frequency is around 400 Hz. This was previously simulated and built as an electronic component. The scaling of the ordinate is plotted logarithmically. The abscissa is also shown in logarithmic scale in decibels 20 · log10 (x).

Die nicht gepunktete Kurve stellt die Fourieranalyse der gemittelten Impulsantwort (Bezugszeichen 33, siehe 3) in Form eines Amplitudenspektrums, dar. Dies entspricht durch die Anwendung einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) dem hier beschriebenen Verfahren. Das Amplitudenspektrum der Impulsantwort ist eine wesentliche Aussage der Systemcharakteristik eines zu untersuchenden Systems.The non-dotted curve represents the Fourier analysis of the averaged impulse response (reference numeral 33 , please refer 3 ) in the form of an amplitude spectrum. This corresponds to the use of a fast Fourier transform (FFT) methods described here. The amplitude spectrum of the impulse response is an essential statement of the system characteristics of a system to be investigated.

Die gepunktete Kurve ist eine Vergleichsmessung. Hierzu wurde der Sensor, wie im Stand der Technik, von der Signalkonditionierungskomponente diskonnektiert und ein Signalgenerator stattdessen angeschlossen. Bei konstanter Amplitude sind schrittweise Sinusschwingungen mit unterschiedlicher Frequenz durch den Signalgenerator erzeugt und statt des Sensorsignals an die Signalkonditionierungskomponente übergeben worden. Zu jeder unterschiedlichen Frequenz wurde das Ausgangssignal der Signalkonditionierungskomponente untersucht. Die Höhe der Ausgangsamplitude des Sinussignals entspricht den Stützstellen des Amplitudenspektrums der Systemcharakterisierung im Frequenzbereich, die als Punkte in 4 eingetragen sind.The dotted curve is a comparative measurement. For this purpose, the sensor, as in the prior art, was disconnected from the signal conditioning component and a signal generator instead connected. At constant amplitude, stepwise sinusoidal oscillations with different frequencies have been generated by the signal generator and transferred to the signal conditioning component instead of the sensor signal. At each different frequency, the output of the signal conditioning component was examined. The magnitude of the output amplitude of the sinusoidal signal corresponds to the interpolation points of the amplitude spectrum of the system characterization in the frequency domain, represented as points in 4 are registered.

Die hier linear interpolierte Kurve der Stützstellen stellt somit ebenfalls das Amplitudenspektrum der Systemcharakteristik dar und ist im Idealfall deckungsgleich mit dem Amplitudenspektrum der Impulsantwort.The here linearly interpolated curve of the support points provides thus also the amplitude spectrum of the system characteristic is and is ideally congruent with the amplitude spectrum the impulse response.

Die Deckungsgleichheit ist in 4 mit einer großen Genauigkeit bis hin zu diskret nicht mehr messbaren Dämpfungen dargestellt. Dies unterstreicht die Funktionstüchtigkeit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens.The congruence is in 4 represented with a high degree of accuracy down to discretely no longer measurable attenuation. This emphasizes the functionality of the measuring device according to the invention or of the method according to the invention.

In einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird zusätzlich zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel zudem eine Impedanz- und Pegelanpassung in Form einer Verstärkung oder Dämpfung des vom Mikrokontroller 4 erzeugten Pulses 6 mittels zwischengeschalteter Konditionierungsstufe durchgeführt. Die zwischengeschaltete Konditionierungsstufe ist im vorliegenden Falle durch den Verstärker 8 realisiert (s. wiederum 1). Verstärker 8 führt eine Impedanzentkopplung durch. Hierzu ist der Verstärker 8 eingangsseitig hochohmig und ausgangsseitig niederohmig ausgeführt, so dass der GPIO-Port des Mikrocontrollers 4 nicht belastet wird.In a second embodiment of the invention, in addition to the in 1 embodiment shown also an impedance and level adjustment in the form of a gain or attenuation of the microcontroller 4 generated pulse 6 carried out by means of intermediary conditioning stage. The intermediate conditioning stage is in the present case by the amplifier 8th realized (see again 1 ). amplifier 8th performs an impedance decoupling. This is the amplifier 8th High impedance on the input side and low impedance on the output side, so that the GPIO port of the microcontroller 4 is not charged.

Einzelne Komponenten der Messvorrichtung 1 gemäß der 1 können selbstverständlich durch andere ersetzt oder auch anders angeordnet sein, ohne dass dies zu einer Einschränkung der Erfindung fährt. Es ist beispielsweise denkbar, an Stelle des genannten Mikrocontrollers 4 einen anderen Signalgeber, z. B. einen Mikroprozessor mit GPIO-Ports zu verwenden.Individual components of the measuring device 1 according to the 1 may of course be replaced by others or arranged differently, without this leading to a limitation of the invention. It is conceivable, for example, in place of the mentioned microcontroller 4 another signal generator, z. B. to use a microprocessor with GPIO ports.

Es ist auch denkbar, ein Signal des Signalgebers, insbesondere des Mikrocontrollers an mehrere Signalkonditionierungskomponenten der Messvorrichtung gleichzeitig zu übertragen. Dies kann insbesondere für mehrkanalige Messvorrichtungen, mit mehreren gegebenenfalls unterschiedlichen Signalkonditionierungskomponenten relevant sein.It is also conceivable, a signal of the signal generator, in particular the Microcontroller to several signal conditioning components of Transmit measuring device simultaneously. This can be special for multichannel measuring devices, with several if necessary be relevant to different signal conditioning components.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - Aleaf, A. (2007). GPIO-Ports – Multitalente der I/O-Kommunikation. Elektronik 4, 46–50 [0009] - Aleaf, A. (2007). GPIO ports - all-rounders of I / O communication. Electronics 4, 46-50 [0009]

Claims (15)

Verfahren zur Systemcharakterisierung einer Signalkonditionierungskomponente (3) mit den Schritten: – Ein Sensorsignal wird durch einen Schalter (2) von der Signalkonditionierungskomponente (3) entkoppelt, – ein Signalgeber erzeugt einen Puls, welcher an Stelle des Sensorsignals über den Schalter (2) an die Signalkonditionierungskomponente (3) weitergeleitet wird, – die Systemcharakterisierung erfolgt durch Auswertung der Impulsantwort.Method for system characterization of a signal conditioning component ( 3 ) with the steps: - A sensor signal is switched by a switch ( 2 ) of the signal conditioning component ( 3 ), - a signal generator generates a pulse, which instead of the sensor signal via the switch ( 2 ) to the signal conditioning component ( 3 ), - the system is characterized by evaluation of the impulse response. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Aufzeichnung der Impulsantwort der Signalkonditionierungskomponente (3).Method according to Claim 1, characterized by recording the impulse response of the signal conditioning component ( 3 ). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Schaltsignal (5) für den Schalter (2) über einen GPIO-Port des Signalgebers an den Schalter (2) getrieben wird.Method according to one of the preceding claims, in which a switching signal ( 5 ) for the switch ( 2 ) via a GPIO port of the signaling device to the switch ( 2 ) is driven. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Puls durch einen GPIO-Port des Signalgebers über den Schalter (2) an die Signalkonditionierungskomponente (3) getrieben wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the pulse through a GPIO port of the signal generator via the switch ( 2 ) to the signal conditioning component ( 3 ) is driven. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Signalgeber als Puls einen Rechteckpuls (6) definierter, vorzugsweise kurzer zeitlicher Breite erzeugen kann.Method according to one of the preceding claims, in which the signal generator as pulse a rectangular pulse ( 6 ) defined, preferably short time width can generate. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Erzeugung und zum Treiben des Schaltsignals und/oder des Pulses ein Mikrocontroller (4) als Signalgeber gewählt wird.Method according to one of the preceding claims, in which for generating and driving the switching signal and / or the pulse, a microcontroller ( 4 ) is selected as a signal generator. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Fast-Fourier-Transformation der Impulsantwort.Method according to one of the preceding claims, characterized by a fast Fourier transformation of the impulse response. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Fast-Fourier-Transformation der Impulsantwort innerhalb des Signalgebers, insbesondere Mikrocontrollers.Method according to one of the preceding claims, characterized by a fast Fourier transformation of the impulse response within the signal generator, in particular microcontroller. Messvorrichtung (1), umfassend eine mit einem Sensor (7) verbundene Signalkonditionierungskomponente (3), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Sensor (7) und der Signalkonditionierungskomponente (3) ein Schalter (2) angeordnet ist, welcher mit einem Signalgeber verbunden ist.Measuring device ( 1 ), comprising one with a sensor ( 7 ) associated signal conditioning component ( 3 ), characterized in that between the sensor ( 7 ) and the signal conditioning component ( 3 ) a switch ( 2 ), which is connected to a signal generator. Messvorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber ein Schaltsignal für den Schalter (2) erzeugen und an den Schalter (2) treiben kann.Measuring device ( 1 ) according to claim 9, characterized in that the signal generator a switching signal for the switch ( 2 ) and to the switch ( 2 ) can drive. Messvorrichtung (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber Pulse für die Systemcharakterisierung der Signalkonditionierungskomponente erzeugen und treiben kann.Measuring device ( 1 ) according to claim 9 or 10, characterized in that the signal generator can generate and drive pulses for the system characterization of the signal conditioning component. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem der Signalgeber (4) wenigstens einen GPIO-Port aufweist.Measuring device according to one of Claims 9 to 11, in which the signal transmitter ( 4 ) has at least one GPIO port. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei ein erster GPIO-Port des Signalgebers ein Schaltsignal (5) an den Schalter (2), und/oder ein zweiter GPIO-Port des Signalgebers einen Puls an die Signalkonditionierungskomponente (3) zu treiben vermag.Measuring device according to one of claims 9 to 12, wherein a first GPIO port of the signal generator a switching signal ( 5 ) to the switch ( 2 ), and / or a second GPIO port of the signal generator sends a pulse to the signal conditioning component ( 3 ) to drive. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber eine Fast-Fourier-Transformation durchzuführen vermag.Measuring device according to one of claims 9 to 13, characterized in that the signal generator has a fast Fourier transformation to perform. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch einen Mikrocontroller (4) als Signalgeber.Measuring device according to one of Claims 9 to 14, characterized by a microcontroller ( 4 ) as a signal generator.
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