ratiometrisch
Englisch: ratiometric
Ein System beschreibend, bei dem eine Ausgangsgröße direkt proportional zu einer Eingangsgröße ist.
ratiometrisch: Ausgabe folgt Eingabe als sauberes Verhältnis
Ein ratiometrisches System erzeugt ein Ausgangssignal, dessen Größe direkt proportional zu seinem Eingangssignal ist. In der Industrieelektronik bedeutet das, dass das Verhältnis zwischen Ausgang und Eingang über den gesamten Betriebsbereich konstant bleibt. Verdoppeln Sie die Eingangsspannung, verdoppelt sich die Ausgangsspannung. Halbieren Sie sie, halbiert sich auch die Ausgabe. Diese Proportionalität bleibt erhalten, unabhängig von Schwankungen der Versorgungsspannung, Temperaturdrift oder Alterung von Bauteilen, sofern das System richtig ausgelegt ist.
Die klassische ratiometrische Schaltung nutzt eine einzige Versorgungsspannung sowohl für die Sensor-Anregung als auch für die Messchaltung. Ein Analog-Digital-Wandler (ADC) referenziert dieselbe Versorgung, die die Sensorbrücke oder den Aufnehmer speist. Wenn die Versorgungsspannung um 5 Prozent schwankt, driften sowohl die Sensorausgabe als auch die Referenzspannung um 5 Prozent, heben sich gegenseitig auf. Der ADC sieht denselben digitalen Code. Ein nicht-ratiometrisches Design referenziert eine separate, geregelte Spannung; Versorgungsrauschen erscheint dann als Fehler in der Messung.
Wo ratiometrisch am wichtigsten ist
Druckaufnehmer, Wägezellen und Widerstandsthermometer (RTDs) in rauen industriellen Umgebungen profitieren am meisten von ratiometrischer Anregung. Eine Dehnungsmessstreifen-Brücke in einer Waage nimmt 5 mA aus einer Versorgung auf; die Brückenausgabespannung ist proportional zu dieser Versorgung. Wenn die Versorgung unter Last abfällt, fällt das Brückensignal im gleichen Schritt ab. Ein ratiometrischer ADC, der die Brückenausgabe mit der Versorgungsspannung vergleicht, misst das echte Lastgewicht, nicht den Versorgungseinbruch. Ohne ratiometrische Architektur bräuchten Sie einen Präzisions-Spannungsregler, was Kosten und Komplexität hinzufügt.
Ratiometrisches Design opfert absolute Genauigkeit für Stabilität. Ein ratiometrisches System mit einer Versorgungstoleranz von 10 Prozent und einer ADC-Nichtlinearität von 5 Prozent wird nicht genau messen, wenn Sie es einmal kalibrieren und davon ausgehen, dass es bestehen bleibt. Aber relative Messungen, Wiederholbarkeit und Immunität gegen Langzeitdrift verbessern sich dramatisch. Das ist der Grund, warum der Begriff am häufigsten in Datenblättern für industrielle Analog-Front-Ends, Mikrocontroller-ADC-Spezifikationen und Signalaufbereitungsmodule auftaucht, die für Fabrikhallenrauschen und Temperaturschwankungen ausgelegt sind.
Der Begriff wird manchmal missbräuchlich verwendet. Ein System, das einfach nur eine Versorgung nutzt, ist nicht automatisch ratiometrisch; die ADC-Referenz und die Sensor-Anregung müssen so gekoppelt sein, dass sich Fehler aufheben. Echtes ratiometrisches Design erfordert sorgfältige Aufmerksamkeit bei der Herleitung der Referenzspannung, beim Bias der ADC-Eingänge und bei der Abstimmung der Temperaturkoeffizienten von Anregungs- und Messspfad. Ohne diese Sorgfalt haben Sie nur eine Versorgung, keine ratiometrische Schaltung.