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Forschungsprojekt 'VITAL-ESPIA.IR'

Extrem stromarme und hoch präzise integrierte Auswertung für IR-Detektoren

Zielstellung des Projektes ist die Kombination hochdetektiver thermoelektrischer Zeilendetektoren für den mittleren Infrarot-Spektralbereich mit einer Signalauswerteschaltung zum Einsatz in einem automatisierten spektrometrischen Aufbau mit hoher Empfindlichkeit. Damit wird die Grundlage für die Entwicklung einer neuen Generation kompakter, portabler und preiswerter IR-Spektrometer geschaffen, die insbesondere zur präzisen Analyse und schnellen Überprüfung des Alterungszustandes und Nutzungsgrades von Motoren- und Getriebeölen sowie Schmierstoffen dient. Dadurch wird es möglich, die Leistungsfähigkeit von Motoren bis hin zu Windkraftanlagen effektiv zu unterstützen und Wartungsintervalle zu verlängern.

Die Schwierigkeiten in der Umsetzung des Mixed-Signal-Schaltkreises bestanden in der Verarbeitung und Aufbereitung der sehr kleinen Sensorsignale, welche im Bereich einiger µV liegen. Die Leistungsumsetzung des gesamten Systems ist so gering zu halten, dass die Eigenerwärmung des ASICS während des Betriebs die Sensorzeile nicht erwärmt und somit nicht zu Fehlmessungen führt.

Dagegen steht, dass das System nur ein sehr geringes Eigenrauschen und einen extrem geringen Offset aufweisen darf, so dass die kleinen Sensorsignale nicht durch größere, systemeigene Signale verfälscht werden. Um den Einfluss der Störungen auf die digitalisierten Sensorsignale zu verringern, wurden diese über mehrere Analog-Digital-Wandlerschritte gemittelt (Oversampling).

Der Schaltkreis wurde in zwei verschiedenen Versionen gefertigt. Die Änderungen konzentrieren sich vorrangig auf die Reihenfolge der 3 Verstärkerstufen im PGA. Im 1. Design ist die Verstärkung der Eingangsstufe umschaltbar (1...25) und die der folgenden 2 Stufen konstant. Im überarbeiteten Design wurde die umschaltbare Verstärkerstufe am Ende platziert: Die Messungen haben gezeigt, dass diese Änderung das Rauschen des PGAs reduziert und zu einem konstanten Offset führt.