Kondycjonowanie sensorów z wyjściem prądowym

Kondycjonowanie sygnału sensorowego
Sensory na ogół nie są podłączane bezpośrednio do układu rejestrującego,
gdyż sygnał może być za słaby, zaszumiony lub niekompatybilny.
Sygnał sensorowy musi być poddany kondycjonowaniu.
Znaczna większość sensorów jest typu rezystancyjnego, gdzie wartość
rezystancji może się zmieniać w przedziale od omów do megaomów.
Przykład
termistor: zakres rezystancji 100 Ω – 10 MΩ
W wielu przypadkach zmiany rezystancji są małe (platynowe czujniki RTD
mają TWR ok. 0.385%/oC, czujniki tensometryczne wykazują często zmianę
rezystancji poniżej 1% w całym zakresie pomiarowym).
Stąd konieczność pomiaru małych zmian rezystancji jest czasami krytyczna.
1
Pomiary czułości sensorów rezystancyjnych
Sygnał użyteczny dla układu z dzielnikiem napięcia jest równy
V0 
VZ RL
RS  RL
Rozdzielczość związana ze zmianą sygnału użytecznego przy zmianie rezystancji
sensora dV0  VZ RL 2 Maksymalną rozdzielczość uzyskuje się dla RL = RS .
dRS
( RS  RL )
Dzielnik napięcia
utworzony z sensora
o rezystancji RS
połączonego
szeregowo z
rezystorem
obciążenia RL.
Układ korzystny we wskaźnikach
przekroczenia wartości progowej.
Zależność sygnału użytecznego od RS/RL.
Dobrą rozdzielczość uzyskuje się dla
dużego zakresu RS (maks. nachylenie dla
RS = RL). Dla dużego RS/RL mała czułość.
2
Pomiary czułości sensorów rezystancyjnych
Dzielnik napięcia z wtórnikiem napięciowym
Zalety:
• prostota,
• wyjście ilorazowe (dla konwersji A/C i użycia UDD
jako Uref)
• możliwość wykrycia błędu sensora (przerwa)
Wady:
• słabe tłumienie sygnału wspólnego
• napięcie wyjściowe jest nieliniową funkcją R!
Przykłady czujników/zastosowania:
Termistor, RTD, czujnik magnetorezystancyjny
3
http://ww1.microchip.com/downloads/en/appnotes/00990a.pdf
Sensor o rezystancji RS w obwodzie
napięciowego sprzężenia zwrotnego
wzmacniacza odwracającego fazę.
V0  
VZ RS
RL
dV0 VZ

dRS
RL
W takim pomiarze zwanym
potencjometrycznym (prąd przez sensor
nie zależy od RS) rozdzielczość nie
zależy od rezystancji bazowej RS a jej
wartość można regulować dobierając RL.
W obwodzie sprzężenia zwrotnego
wzmacniacza odwracającego fazę
umieszczony rezystor obciążenia.
V0  
VZ RL
RS
dV0 VZ RL
 2
dRS
RS
Na rezystancji RS występuje stałe
napięcie równe VZ (pomiar potencjostatyczny). Napięcie wyjściowe jest
iloczynem RL i zmieniającego się
prądu VZ/RS.
Rozdzielczość pomiaru zależy od RS.
4
Sensor zasilany ze źródła prądowego
Wtórnik napięciowy spolaryzowany
diodą Zenera wysterowuje tranzystor,
który wytw. prąd niezależny od RS.
V0 
VZ RS
RL
dV0 VZ

dRS RL
Rozdzielczość nie zależy od RS.
Źródło prądowe w postaci lustra
prądowego (układ Wilsona)
Prąd wyjściowy iout płynący przez
sterowany tranzystor T1 jest równy
prądowi wejściowemu iin, który
zależy od napięcia V1 i rezystancji R1.
Tranzystor T2 może ten prąd
wielokrotnie zwiększyć.
5
Układy ilorazowe
Tego typu układy stosuje się wtedy, gdy źródła błędów mają charakter
multiplikatywny (niestabilność zasilania, zmiany temp., efekty starzeniowe) a
nie addytywny (np. szum termiczny). Przykładowo można wykorzystać dwa
sensory, z których jeden jest aktywny a drugi pełni rolę sensora odniesienia.
V01  V N  V Z
R
RS
V02  V D  V Z
R
R0
Z kolei dzielnik analogowy wykonuje
operację dzielenia dając sygnał wyjściowy
niezależny zarówno od napięcia zasilania
jak i wzmocnienia wzmacniacza
V0  k
VN
R
k 0
VD
RS
Operacja dzielenia może być
realizowana cyfrowo.
6
Typowym przykładem układu ilorazowego są sensory w układzie mostka z
konwersją sygnału analogowego w przetworniku ADC. Napięcie zasilania
mostka oraz przetwornika pochodzą z tego samego źródła. Zmiana napięcia
zasilania nie wpływa na sygnał wyjściowy. Do dokładnych pomiarów nie jest
zatem konieczne źródło zasilania o wysokiej stabilności.
W układzie ilorazowym kod wyjściowy
DOUT na wyjściu przetwornika jest
reprezentacją cyfrową stosunku sygnału
wejściowego przetwornika AIN do sygnału
odniesienia VREF a zatem wahania nap.
zasilania nie wpływają na wynik pomiaru.
W prezentowanym układzie wykorzystuje
się dodatkowe źródło nap. odniesienia REF
niezal. od VDD i układ przestaje być
ilorazowy. Tego typu rozwiązania stos. w
przyp. dużej dynamiki zmian nap. AIN.
7
Mostkowe układy pomiarowe
Typowy układ to mostek rezystancyjny gdzie w jednym z ramion umieszczony
jest sensor (piezorezystor, termistor). Rezystancje mogą być również zastąpione
pojemnościami lub indukcyjnościami.
 R1
R3 
 VC
VW y  

R

R
R

R
2
3
S 
 1
Warunek równowagi
R1 R3

R2 RS
Maksymalną czułość pomiaru uzyskuje się
dla R1 = R2 i R3 = RS
Ogólnie napięcie wyjściowe jest nieliniową
funkcją niezrównoważenia ΔR = RS – R
VW y
VC

R3R
R3  R  R 2
8
Mostek może pracować w układzie zrównoważonym (na wyjściu istnieje
wzmacniacz błędu, który poprzez sprzężenie zwrotne przywraca stan równowagi)
lub niezrównoważonym, który jest częściej stosowany.
Wyjście
nieliniowe,
korekcja po
stronie
cyfrowej
Wzmacniacz operacyjny na wyjściu
mostka niezrównoważonego (wpływ
RF i prądu polaryzacji na równowagę).
Trudno uzyskać odp. wzmocnienie i
jednocześnie duże CMRR.
Stosując na wyjściu wzmacniacz
pomiarowy unika się rozrównoważenia
mostka przy regulacji wzmocnienia (RG),
jednocześnie uzyskuje się duży wsp.
9
CMRR tłumienia sygn. sumacyjnego.
Wzmacniacz w układzie mostka
aktywnego.
Wzmacniacz w układzie mostka
z pływającym źródłem zasilania.
Vwy  n
Wzmacniacz wytw. napięcie równe i przeciwnego
znaku niż zmiana powodowana ΔR. Napięcie to
jest liniowe w funkcji ΔR (linearyzacja wyjścia).
VC Rx
4 Rx
Wyjście liniowe w pewnym
przedziale zmienności
rezystancji.
10
Wzmacniacz pomiarowy
(instrumentation amplifier)
Jest to szczególna postać wzmacniacza różnicowego o regulowanym
wzmocnieniu.
Wejścia odizolowane są od wew. sprzężenia zwrotnego.
Impedancja wejściowa rzędu 109 Ω lub większa.
Wzmacniane są sygnały mikrowoltowe z tłumieniem woltowego sygnału
sumacyjnego (duży wsp. CMRR w przedziale 70 - 100 dB), co jest szczególnie
istotne dla częst. 50 Hz.
k
R4  2 R2 
1 

R3 
R1 
11
Kondycjonowanie sensorów z wyjściem napięciowym
Wzmacniacz o regulowanym wzmocnieniu (PGA)
Zalety:
• pomiar wielu czujników
• wejście CMOS (duże Zwe, mały Ibias)
• cyfrowa kontrola wejścia i
wzmocnienia (interfejs SPI)
• Linearyzacja źródeł nieliniowych
Wady:
• Zniekształcenia stopnia wejściowego
• Wzmocnienie sygnału wspólnego
• Konieczność użycia uC i firmware
Przykłady czujników/zastosowania:
Termistor, termostos, warstwa piezoelektryka
http://ww1.microchip.com/downloads/en/appnotes/00990a.pdf
12
Kondycjonowanie sensorów z wyjściem prądowym
Wzmacniacz transimpedancyjny
Zamiana ISEN na UOUT
Zalety:
• dobre dopasowanie do źródła sygnału
• prostota
Wady:
• układ można/należy stabilizować
• C1 konieczny dla dużych pojemności źródła
Przykłady czujników/zastosowania:
Detektor dymu IR, fotodioda, fototranzystor
http://ww1.microchip.com/downloads/en/appnotes/00990a.pdf
13
Kondycjonowanie sensorów z wyjściem prądowym
Wzmacniacz logarytmujący
UOUT ~ log(ISEN)
• D1B kompensuje zmiany temperatury
• Jeśli źródło ma obie polaryzacje, należy
dodać przeciwsobnie diodę || do D1A
• Szeroki zakres dynamiczny prądów
Przykłady czujników/zastosowania:
Fotodioda
http://ww1.microchip.com/downloads/en/appnotes/00990a.pdf
14
Wzmacniacz ładunkowy
Stosowany w przypadku sensorów wysokoimpedancyjnych takich jak
piezoelektryczne.
Zalety:
• Wysoki CMRR
• Wyjście stosunkowe
(z ADC wykorzystującym
VDD jako Uref)
• Detekcja zwarcia/rozwarcia
czujnika
V wy  
Q
C2
Wady:
• Straty mocy
• Konieczne użycie
sygnału AC
Są to wzmacniacze AC z częstotliwościami odcięcia górną f2 = 1/(2πR2C2)
i dolną f1 = 1/(2πR1C1) .
15
Standaryzacja sensorów
Funkcje czujnika inteligentnego:
- Zapewnienie odpowiednich warunków zasilania czujnika
- automatyczny proces kalibracji
- kontrola poprawnego działania
- automatyczne wyznaczanie wartości wielkości mierzonej
- kompensacja błędów
- kondycjonowanie sygnału czujnikowego
- informacja o stanie czujnika
- możliwość odczytu podstawowych informacji na temat czujnika
- komunikacja z systemem nadrzędnym (komputer PC)
- pomiar parametrów otoczenia (temperatura, RH%)
- obsługę czujników różnego typu (autokonfiguracja)
16
np.Ethernet
Standaryzacja sensorów - IEEE 1451
Moduł inteligentnego czujnika:
STIM (ang. Smart Transducer
Interface Module)
Układ zapewniający komunikację
sieciową:
NCAP (ang. Network Capable
Application Processor).
Ulivieri N. et all,
17
Standaryzacja sensorów - IEEE 1451
Ważny element standardu: TEDS (Transducer Electronic Data Sheets)
Cechy TEDS:
- może przechowywać informacje na temat różnych sensorów,
- ma elastyczną strukturę, która może być łatwo rozszerzana
- mieści się w niewielkiej ilości pamięci; pełny zbiór informacji może zostać
zawarty w 256. bitach; podstawowy w 64. bitach
Pole
Identyfikator producenta
Numer modelu
Rozmiar
Zakres
14 bitów
15.
bitów
17 – 16381
0 – 32767
Litera wersji
5 bitów
A– Z
Numer wersji
6 bitów
0 – 63
Numer seryjny
24 bity
0 - 16777215
Podstawowa wersja tablicy TEDS (Basic TEDS), zajmuje w pamięci 64 bity
18
Standaryzacja sensorów - IEEE 1451
Przykładowy
schemat blokowy
modułu STIM
czujnika gazu
SCI (Serial Communications Interface) - układ realizujący komunikację szeregową
TIM (Timer Interface Module) – układ generacji impulsów zasilających grzejnik
19
Standaryzcja sensorów
Dwuprzewodowy interfejs IEEE 1451.4 klasy 1 do sensorów zasilanych
prądowo.
20
Wieloprzewodowy interfejs IEEE 1451.4 klasy 2 z przewodem wspólnym.
21
Schemat inteligentnego modułu sensora gazu z wykorzystaniem standardu
IEEE 1451.4 klasy 2 z wbudowanym układem TEDS (Transducer
Electronic Data Sheets).
22
Kondycjonowanie sensorów - źródła
• Analog Sensor Conditioning Circuits - An Overview, nota aplikacyjna
Microchip AN990
http://ww1.microchip.com/downloads/en/appnotes/00990a.pdf
• TemperatureMeasurement Circuits for Embedded Applications, nota
aplikacyjna Microchip AN929
http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00929a.pdf
• Piecewise Linear Interpolation on PIC12-14-16 Series, nota aplikacyjna
Microchip AN942
http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00942A.pdf
• Materiały firmy Linear Technology:
http://www.linear.com/products/signal_conditioning
• AMPLIFIERS FOR SIGNAL CONDITIONING, Walt Kester, James Bryant, Walt Jung
http://www.analog.com/static/imported-files/seminars_webcasts/489168400sscsect3.PDF
23
Kondycjonowanie sensorów - źródła
• IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators Transducer to Microprocessor Communication Protocols and Transducer
Electronic Data Sheet (TEDS)
Formats, http://ieeexplore.ieee.org/servlet/opac?punumber=5839
• Schmalzel J, Figueroa F, Morris J, Mandayam S, Polikar R. An Architecture for
Intelligent Systems Based on Smart Sensors, IMTC 2004 Instrumentation and
Measurement Technology Conference, Como Italy, 18 - 20 May 2004, 71 – 75
• The IEEE 1451.4 Standard for Smart Transducers,
http://www.vtiinstruments.com/Files/Appnotes/IEEE_1451d4_Standard_Genl_Tutorial_090
104.pdf
• Ulivieri N, Distante C, Luca T, Rocchi S, Siciliano P. IEEE1451.4:
A way to standardize gas sensor. Sensors and Actuators B: Chemical, 2006 March,
Volume 114: Issue 1: 141 – 151
• Open Standards for Sensor Information Processing, L.C. Pouchard, S. Poole. J.
Lothian, 2009
http://www.csm.ornl.gov/~7lp/publis/Sensor_TR_2009.pdf
24