Jste zde

Senzory, snímače a čidla v praxi – 4. díl

Jan Robenek, 25. Březen 2010 - 7:16
00_per.jpg

Série článků přináší českou verzi příručky Signal Chain Design Guide – Devices For Use With Sensors, vydané společností Microchip.

Úvodní díl s názvem Senzory, snímače a čidla v praxi – 1. díl byl ve znamení

  • popisu signálového řetězce a
  • přehledu toho, co vše se dá běžně snímat a jakým způsobem.

Druhé pokračování pak přineslo základní přehled sedmi významných polovodičových struktur v signálovém řetězci, režírovaném z Microchipu. Jednalo se o

  • operační zesilovače (Operational Amplifiers, Op Amps),
  • komparátory (Comparators),
  • zesilovače s nastavitelným ziskem (Programmable Gain Amplifier, PGA),
  • A/D převodníky (Analog-to-Digital Converters, ADC),
  • napěťové reference (Voltage References),
  • digitální potenciometry (Digital Potentiometers) a
  • D/A převodníky (Digital-to-Analog Converters, DAC).

Třetí část zase rozdělila snímače na

  • místní senzory (Local Sensors) a
  • vzdálená čidla (Remote Sensors).

Dnes se budeme krátce věnovat

  • oscilátorům (Oscillator Circuits For Sensors) a
  • Wheatstoneovu můstku (Wheatstone Bridge).

 

Oscilátory (Oscillator Circuits For Sensors)

Oscilátory pro zapojení se snímači, řešené pomocí operačních zesilovačů s RC sítí

K přesnému vyhodnocení výstupu odporových nebo kapacitních senzorů lze s výhodou použít operační zesilovače, resp. přeladitelné oscilátory, jejichž kmitočet definujeme aktuální velikostí odporu, příp. kapacity. Takové zapojení pak již ke své činnosti nevyžaduje asistenci A/D převodníku, přičemž přesnost samotné digitalizace bude omezena pouze referenčním hodinovým signálem. Přeladitelné oscilátory si v zapojeních se senzory našly své místo zejména díky spolehlivému náběhu a malé citlivosti vůči parazitním kapacitám. Typickými příklady kapacitních čidel, vhodných pro spolupráci s rozmítanými oscilátory, jsou např. krystalové snímače pro měření absolutního tlaku nebo senzory vlhkosti. Nic pochopitelně nebrání ani odporovým snímačům typu RTD a jejich převodu teploty na kmitočet. Typické zapojení se pak skládá z přeladitelného oscilátoru, mikrokontroléru (jedná se o dokument Microchipu, takže PIC) a teplotního čidla pro korekci teploty.

Senzory a jejich aplikace:

  • Odporové snímače
    • RTD
    • Vlhkost
    • Termistory
  • Kapacitní snímače
    • Vlhkost
    • Tlak
    • Hladina oleje

Související aplikační poznámky, dostupné na www.microchip.com:

  • AN895: Oscillator Circuits for RTD Temperature Sensors
  • AN866: Designing Operational Amplifier Oscillator Circuits for Sensor Applications

Wheatstoneův můstek (Wheatstone Bridge)

Snímače, zapojené do můstku

Snímače, určené pro detekci teploty, tlaku, zatížení či dalších fyzikálních veličin, bývají nejčastěji řešeny pomocí Wheatstoneova můstku. Můstek lze přitom osadit libovolným počtem prvků, tj. jedním až všemi čtyřmi, které budou vhodně reagovat na fyzické buzení. Pokud to okolnosti dovolí, vyplatí se vyhodnocování vzájemného poměru (Ratiometric Configuration) při současném využití systémového zdroje referenčního napětí jak pro senzor tak i připojený A/D převodník. Podaří – li se nám zajistit stejnou referenci pro buzení snímače i připojený A/D převodník, můžeme účinně potlačit nežádoucí změny referenčního zdroje napětí. Výstupní napětí můstkového snímače bude navíc úměrné velikosti budícího napětí. Pro lepší přizpůsobení vzájemného poměru proto bude vhodnější A/D převodník, využívající vnější referenci, než A/D převodník s referencí interní.

Příklad zapojení snímače s využitím Wheatstoneova můstku, doplněného A/D převodníkem typu Delta – Sigma s vysokým rozlišením

Mějme nyní konkrétní příklad snímače (GE NovaSensor) pro měření absolutního tlaku se čtyřmi proměnnými prvky, zapojenými do můstku. Pro vyhodnocení použijeme rodinu 22bitových A/D převodníků typu Delta – Sigma s označením MCP355X. Zvolený výchozí krok by rozhodně měl odpovídat technickým parametrům použitého čidla, přičemž vhodná volba v tomto případě promlouvá do výsledného rozlišení celého systému. V mnoha případech lze navíc obvody MCP355X použít k přímé digitalizaci výstupního signálu snímače, čímž odpadá potřeba řady dalších vnějších struktur pro zpracování signálu.

A nyní trochu počtů: Jako snímač absolutního tlaku máme ve Wheatstoneově můstku zapojen

  • obvod NPP-301, který při
  • buzení z 3 V baterie vykazuje
  • typický, plný výstupní rozkmit 60 mV.
  • Součástka přitom pracuje s tlakem v rozsahu 100 kPa.
  • Obvod MCP3551 je na svém výstupu rovněž definován
  • šumem o velikosti 2.5 μVrms.

Následující rovnice pak vyjadřuje závěry aproximace prvního řádu, zohledňující vztah mezi

  • tlakem (P) v Pascalech a
  • nadmořskou výškou (h) v metrech.

Zapracujeme-li tedy

  • plný vstupní rozsah 60 mV a
  • rozlišení 2.5 μV,

obdržíme jako výsledek přímé digitalizace, vyjádřené v metrech,

  • rozlišení 0.64 m.

Ale sundejme si růžové brýle – jedná se pouze o učebnicový příklad. V praxi ještě budeme muset minimálně zohlednit

  • vliv teploty včetně
  • chyby z titulu aproximace prvního řádu.

Pokračování příště.

Použitá literatura:

Download a odkazy:

 

Hodnocení článku: