Bei Kapazität-Digital-Wandlern liegt an einer Kondensatorplatte eine Anregungsspannung an. Gemessen wird die im Kondensator gespeicherte elektrische Ladung und als Messsignal ausgegeben. Wir stellen vier Applikationen kapazitativer Sensoren vor, die sich durch die Art der Anregung unterscheiden.

Als elektrische Kapazität bezeichnet man die Fähigkeit eines Kondensators zum Speichern elektrischer Ladung. In ihrer Grundform, ein Kondensator mit zwei parallelen Platten, ist die Kapazität C ein Maß für die in einem Kondensator bei der Spannung U gespeicherte Ladung Q.

Bild 2: Prinzipdarstellung der Kapazitätserkennung und Messung

Der Plattenkondensator in Bild 2 besteht aus zwei elektrischen Leitern. Dabei sind a und b die leitenden Flächen, d der Abstand zwischen den Platten und ε_r die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials zwischen den Leitern. Die daraus resultierende Kapazität C wird mit Gleichung 1 berechnet. Darin ist ε₀ die Dielektrizitätskonstante im Vakuum.

Gleichung 1

Bei einem Kapazität-Digital-Wandler (CDC) liegt an einer Platte des Kondensators eine Anregungsspannung an. Gemessen wird die im Kondensator gespeicherte elektrische Ladung und in Form eines digitalen Messsignals an einen externen Mikrocontroller übergeben.

Da die Kapazität des Sensors durch die Parameter a, b, d und ε_r bestimmt wird, wird die CDC-Technologie für direkte Kapazitätsmessungen und, je nach Sensortyp, für viele andere Applikationen verwendet. Falls zum Beispiel a, b und ε_r konstant sind, ist der CDC-Ausgang proportional zum Abstand d zwischen den beiden Leitern.

Bild 1: Applikationsmöglichkeiten kapazitiver Sensoren

Bild 1 zeigt vier Applikationen kapazitiver Sensoren, die sich durch die Art der Anregung unterscheiden.

Links oben in Bild 1 ist ein massebezogener Single-Ended-Sensor zu sehen. In dieser Konfiguration liegt eine Sensorplatte auf Massepotenzial. Die Anregung wird an die zweite Platte angelegt. Der CDC-Baustein misst die Kondensatorladung derselben Platte. Die Anregung und die Ladungsmessung erfolgt in unterschiedlichen Zeitfenstern.

Die Schaltung rechts unten in Bild 1 beschreibt einen Single-Ended Floating-Sensor. Die Anregungsspannung wird an eine Platte angelegt und der CDC-Baustein misst die im Kondensator gespeicherte Ladung von der anderen Platte. Dieser Typ Schnittstelle kann die differentielle parasitäre Kapazität unterdrücken und eine höhere Präzision und Genauigkeit erzielen.

Sowohl der massebezogene wie auch der Floating-Sensor haben eine korrespondierende differenzielle Applikation zur Messung der Kapazitätsdifferenz zweier Eingangskanäle (Bild 1, links unten und rechts oben).

Der AD7747 wurde für den Einsatz in Verbindung mit massebezogenen Sensoren entwickelt. Die Bauteile AD7745 und AD7746 sowie die AD715X Familie wurden für Floating-Sensoren konzipiert.

Darüber hinaus gibt es mit AD714X CapTouch einen speziell für den Einsatz mit kapazitiven Berührungssensoren entwickelten Controller. Dieser misst kapazitive Änderungen von Single-Ended-Sensoren.

Bild 3: Kapazitive Berührung und typisches Ausgangssignal (Bild: Analog Devices)

Wie in Bild 3 zu sehen ist, bildet die Sensorelektrode auf der Leiterplatte eine Platte eines virtuellen Kondensators. Der Finger des Anwenders, der bezogen auf den Sensoreingang auf Masse liegt, bildet die andere Platte. Mit vielen nützlichen Leistungsmerkmalen kann die AD714X-Familie viele Berührungsfunktionen wie Schaltknöpfe, Schieberegler, Scroll-Räder etc. implementieren.

Plattform für Analogtechnik, Mixed Signal und Embedded Systems:

Analog Devices veranstaltet mit Xilinx und MathWorks für Ingenieure in den Bereichen Analogtechnik, Mixed Signal und Embedded Systems eintägige Entwickler-Konferenzen.

Design Conference 2013

Die im Juni 2013 in München und Frankfurt anlaufende Veranstaltungsreihe soll eine Plattform etablieren, auf der Entwickler mit Experten der Hochleistungs-Signalverarbeitung von ADI, Xilinx und MathWorks diskutieren und Wissen austauschen können.

Unter dem Motto „Discuss. Design. Deliver.” treffen sich Fachleute aus den Bereichen Hochleistungs-Analogtechnik, FPGA-Design (Field-Programmable Gate Arrays) und Simulation, um komplette Signalketten und systemtaugliche Lösungen für komplexe Signalverarbeitungs-Aufgaben zu präsentieren. „Ingenieure, die an der Design Conference 2013 teilnehmen, erhalten neben praxisbezogenem Wissen auch ein Verständnis neuer Produkte und Lösungen, die sie in ihren Schaltungen einsetzen können“, erläutert Pascal Cerruti, Director of Marketing Programs, EMEA, bei Analog Devices.

Experten aus unterschiedlichen technischen Disziplinen leiten die Konferenzen und unterrichten die teilnehmenden Ingenieure über aktuelle Techniken bei der Signalverarbeitung sowie über Referenzdesigns und System-Anwendungen. Auf der Veranstaltung werden neben praktischen Demonstrationen Themen erörtert, die für die Region besonders relevant sind. Dazu gehören hochpräzise industrielle Anwendungen und schnelle HF-Applikationen.

Jede der ganztägigen Konferenzen besteht aus Live-Demonstrationen und 16 Fachvorträgen, die ein breites Spektrum von Technologiesparten und Applikations-Lösungen abdecken. Dies betrifft neben dem Luft- und Raumfahrtsektor die schnelle Funk-Kommunikation, Prozesssteuerungen, Motorsteuerungen und die Messtechnik. Die Veranstaltungen sind darauf ausgerichtet, den Teilnehmern die aktuellen Signalverarbeitungstechniken nahe zu bringen sowie ihnen praktische Referenz-Applikationen auf der System-Ebene und entsprechende Tools vorzuführen.

Die Fachvorträge gliedern sich in die Schwerpunkte „Fortschrittliche Techniken für eine leistungsfähigere Signalverarbeitung“ und „Referenzdesigns und System-Applikationen“.

Fortschrittliche Techniken für eine leistungsfähigere Signalverarbeitung

• Partitionierung und Design von Systemen
• Signal Chain Designer: Die neue Art des Online-Designs
• Datenwandlung: Einfache Lösungen für schwierige Probleme
• Verstärkungs-, Pegelumsetzungs- und Ansteuerungs-Lösungen für Präzisions-Systeme
• Frequenzsynthese und Taktgenerierung für High-Speed-Systeme
• Sensoren zur Erfassung pegelschwacher Signale
• Überlegungen zum High-Speed- und HF-Design
• Isolation von Stromversorgungs- und Datenleitungen

Referenzdesigns und System-Applikationen

• High Speed ADC FMC Rapid Development Board
• Prozesssteuerungs-Systeme
• Rapid Prototyping mit Lösungen von Xilinx
• Messtechnik: Flüssigkeits- und Gassensoren
• Einsatz von MATLAB und Simulink beim Design von Kommunikations-Systemen
• Messtechnik: Prüf- und Messmethoden und -lösungen
• Integriertes Software Defined Radio (SDR)
• Motorsteuerung

Die Konferenzreihe beginnt am 18. Juni 2013 in München im Rilano Hotel und wird am 20. Juni 2013 in Frankfurt im NH Mörfelden fortgesetzt. Weitere Termine in Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Italien, Skandinavien, Osteuropa und Israel im September und Oktober 2013 folgen.

Um kurze Markteinführungszeiten zu gewährleisten, sind Analog- und Digital-Ingenieure heute mehr denn je gefordert, mit ihren Schaltungen die gesamte Signalkette abzudecken. Xilinx und Analog Devices haben deshalb gemeinsam Kits und Referenzdesigns entwickelt, die FPGAs, Datenwandler und schnelle serielle Verbindungen miteinander kombinieren, um die Systemintegration zu vereinfachen und die Markteinführung zu beschleunigen. „Veranstaltungen wie diese bauen unsere Zusammenarbeit weiter aus und helfen den Designern, den Anforderungen mehrkanaliger, datenintensiver Anwendungen besser Rechnung zu tragen“, sagt Raj Seelam, Director of Solutions Marketing bei Xilinx.

„Beim Anschluss eines schnellen Analogmoduls an eine FPGA-Plattform kommt es auf die richtigen Designtools an, wenn man Systeme effizient entwickeln will“, erklärt Ken Karnofsky, Senior Strategist, Signal Processing bei MathWorks. „Die Design Conference-Teilnehmer lernen deshalb, wie sie MATLAB und Simulink für die Entwicklung, die Modellierung und den Einsatz leistungsfähiger Signalverarbeitungs-Systeme einsetzen können.“

Zum detaillierten Programm und zur Registrierung der Designkonferenz in Deutschland.

Der CEO des Chipherstellers Analog Devices, Jerald G. Fishman, erlag in der Nacht des 28. März 2013 den Folgen eines Herzinfarkts. Er wurde 67 Jahre alt. Interimsmäßig wird Unternehmenschef Vincent Roche die CEO-Funktionen wahrnehmen.

Jerry Fishman, CEO und Visionär von Analog Devices, ist am Grün-Donnerstag überraschend verstorben

„Das ist für mich persönlich und alle hier bei ADI ein schrecklicher Verlust“, erklärt Gründer und Vorstandsvorsitzender Ray Stata. „Jerry widmete seine gesamte Karriere dem Aufbau von ADI, einem großartigen Unternehmen, auf das wir alle enorm stolz sind.“ Fishman genoss einen großen Respekt sowohl innerhalb als auch außerhalb des Unternehmens. Viele bewunderten seine Direktheit, Offenherzigkeit und Freimütigkeit wie auch seinen Sinn für Humor.

Der in Flushing (NY) geborene und in den New Yorker Stadtteilen Bronx und Queens aufgewachsene Fishman studierte Elektrotechnik am City College New York (BSEE) und an der Northeastern University (MSEE) sowie an der Boston University (MBA) und an der Suffolk Law School (Abschluss in Rechtswissenschaften).

Bei Analog Devices begann Fishman seine Karriere 1971 im Produktmarketing und arbeitete sich im Unternehmen hoch. 1991 wurde er als Präsident und COO, 1996 als Unternehmenschef und CEO berufen und war die rechte Hand des Gründers Stata. Während Stata aber eher der Technologe war, fungierte Fishman als Geschäftsmann und Anwalt für die Firma. Pragmatisch, ergebnisorientiert und mit aggressiven Geschäftspraktiken stand er in starkem Kontrast zum freundlichen und sanftmütigen Stata.

Fishman führte ADI von einer elitären Ingenieursenklave zu einem der führenden Halbleiterunternehmen mit Milliarden-Umsätzen. Haupt-Umsatzträger ist dabei die High-Performance-Analog-Sparte mit ihren Datenwandlern.

Nachdem Texas Instruments die Gewinner des Analog Design Contest (ADC) 2012 auf der electronica bekannt gegeben hat, lädt das Unternehmen auch in diesem Jahr Studenten der Elektrotechnik, Elektronik, Elektro- und Informationstechnik, Mechanik oder vergleichbarer Studienrichtungen wieder zur Teilnahme am Innovations-Wettbewerb ein. Entwicklerteams haben hier die Möglichkeit, Analog-Systeme zu entwickeln und einer Fachjury vorzulegen. Den Gewinnern winken attraktive Geldpreise. Der Anmeldeschluss für den Analog Design Contest ist der 28. Februar 2013. Dieses Jahr wird der Wettbewerb auch von Mouser Electronics unterstützt.

Einreichen kann man seine Vorschläge über ein Word-Formular auf der Webseite von TI.

Texas Instruments unterstützt die Teilnehmer unter anderem mit Bausteinen aus seinem IC und Entwicklungstoolprogramm, die den Studenten kostenlos zur Verfügung gestellt werden.

Die Mannschaften konzipieren, entwickeln und bauen Analog-Systeme, die in einem zweistufigen Verfahren von einer Fachjury, die aus Fachleuten der Branche, Universitätsprofessoren (nicht von den teilnehmenden Hochschulen) und Analogexperten von TI besteht, bewertet werden. Kriterien sind die Originalität der Design-Idee, deren Umsetzung, das eigentliche Analog-Design, der Effekt der verwendeten Tools und Bausteine, der Praxisnutzen und die Projektbeschreibung (max. 10 Seiten).

In der ersten Runde werden 20 Mannschaften prämiert, die jeweils 1000 US-$ erhalten. Aus diesen Teilnehmern setzen sich dann die vier Sieger zusammen. Dem Gewinner-Team des ADC winkt ein Preisgeld von 10.000 US-$. Die Zweitplatzierten dürfen sich über 5000 US-$ freuen. Für die Plätze drei und vier stellt TI jeweils 2500 US-$ zur Verfügung.

Das macht Analog-Praxis zu einem derzeit einzigartigen Informationsangebot für jeden Entwickler, der sich mit dieser anspruchsvollen Materie auseinandersetzt.

Wir bieten sowohl Grundlagenwissen für Ein- und Umsteiger als auch Fachwissen für den erfahrenen Analogtechniker. Darüber hinaus unterstützen eine kommentierte Toolsammlung (Simulationwerkzeuge, Eval-Kits etc.), Schaltungstipps und Referenzdesigns die praktische Arbeit. Zu finden sind Informationen zu Bauelementen sowie Applikationen aus der Antriebstechnik, Kommunikation, Messtechnik, Sensorik und den Bereichen Automotive und Lighting.

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Ihre Kristin Rinortner (alias krinortner)

Das auf die Halbleiter- und Elektronikindustrie spezialisierte Marktforschungsunternehmen Databeans geht davon aus, dass vor allem aus den Bereichen Kommunikationstechnik und Consumerelektronik in den nächsten fünf Jahren eine verstärkte Nachfrage nach Analogbausteinen erfolgen soll. Die Nachfrage nach Smartphones und tragbaren Geräten sowie der Bedarf im asiatisch/pazifischen Raum kurbeln den Markt an, hieß es seitens der Analysten.

Der Analogbereich ist auch der vielseitigste und profitabelste Markt der gesamten Halbleiterindustrie. Applikationsspezifische Standardprodukte (ASSPs) tragen dabei am meisten zum Umsatz bei; Leistungselektronik-ICs und Datenwandler weisen die höchsten Wachstumsraten auf.

In der Databeans-Rangliste 2011 nimmt Texas Instruments mit einem Marktanteil von 15,4% Platz 1 im Analog-IC-Markt ein, gefolgt von STMicroelectronics (9,8%), Infineon (5,9%), Analog Devices (5,8%) und Qualcomm (5,1%).

Im Bereich Datenwandler bleibt Analog Devices mit einem Marktanteil von 48,5% Spitzenreiter. Dahinter rangieren Texas Instruments (23,1%), Maxim (6,8%), Linear Technology (4,6%) und Intersil (2,5%).

Der mit Datenwandlern erwirtschafte Gesamt-Umsatz dürfte 2012 gegenüber dem Vorjahr um 6% steigen, prognostiziert das Marktforschungsunternehmen. 2011 hatte der Markt ein Volumen von 2,7 Mrd. US-Dollar (2010: knapp 3 Mrd. US-Dollar). Langfristig schätzt Databeans, dass der Markt für Datenwandler bis 2017 ein durchschnittliches jährliches Wachstum von 10 % verzeichnen dürfte.