Jste zde

Senzory, snímače a čidla v praxi – 6. díl

Jan Robenek, 6. Duben 2010 - 6:29

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).

Čtvrtý díl jsme pak věnovali

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

Naposledy byly předmětem našeho zájmu

A/D převodníky Delta – Sigma (Delta-Sigma ADCs) a
zapojení s termistory a RTD (Thermistor and RTD Solutions).

Celou sérii dnes završíme zmínkou o

digitálních potenciometrech a nastavitelném zesílení a také
kalibraci obvodů se snímači pomocí DAC.

Digitální potenciometry a nastavitelné zesílení

Programovatelnost zisku zesilovacího stupně

Spousta snímačů vyžaduje zesílení svého užitečného signálu, dříve než bude převeden do digitální podoby. První možností, která se logicky nabízí, jsou operační zesilovače. Protože však nenajdeme senzor, který by nevykazoval určité změny provozních parametrů, může být žádoucí kalibrovat zesílení operačního zesilovače a zajistit tak optimální rozsah výstupního napětí.

Invertující zapojení zesilovače s nastavitelným ziskem

Na obrázku vidíme invertující zapojení s možností programovatelného zesílení. Obecné zapojení pro nastavení zisku invertujícího stupně (a) vychází z R1, R2 a Pot1, zjednodušené schéma (b) pak vypouští rezistory R1 a R2 a k nastavení využívá jen poměru odporů Raw a Rbw digitálního potenciometru. Posledně zmiňovaný přístup sice dokáže lehce snížit náklady i zastavěnou plochu, vybírá si však za to svou daň (stejný odpor a rozlišení). Zapojíme – li však do akce rezistory R1 a R2, můžeme vhodně vymezit rozsah zesílení s tím, že každý krok digitálního potenciometru bude v rámci tohoto rozpětí znamenat možnost jemného nastavení. Ve zjednodušeném zapojení ale rozsah neomezujeme a proto každý krok digitálního potenciometru vede k větším změnám v zesílení. Zpětnovazební kapacita Cf pak už jen slouží ke zlepšení stability.

Výpočet zesílení

Přiložená rovnice ukazuje, jak určit zesílení zjednodušeného zapojení (b). Zisk bude definován poměrem, který na odporové síti Rab vytvoří pozice „jezdce“ digitálního potenciometru. Začne – li se jezdec přesouvat ze své středové pozice, bude zesílení buď

větší než jedna (pohyb jezdce směrem k vývodu A) nebo
menší než jedna (pohyb jezdce opačným směrem k vývodu B).

V prvotním přiblížení nebudeme uvažovat samotný odpor jezdce Rw. Můžeme se přitom vymluvit na skutečnost, že Rw přece zapojujeme do série se vstupním odporem operačního zesilovače, přičemž vstupní impedance zesilovače bývá zpravidla velmi veliká.

Zisk zesilovacího stupně jako funkce „polohy“ jezdce

Tabulka přináší srovnání zisku mezi variantou (a) a odlehčenou verzí (b), použijeme – li totožný digitální potenciometr s

odporem 10 kΩ a
rozlišením 7 bitů.

Rovněž si můžeme povšimnout, že při shodné velikosti odporu

R1 = R2 = 10 kΩ

bude rozsah zesílení nabývat hodnot mezi

1 a 3.

Použijeme – li však zjednodušenou verzi, tj. ideálně

R1 = R2 = 0 Ω,

bude rozsah zesílení mezi

~0 a >127.

Obecné zapojení tudíž umožňuje jemnější kalibraci, jen se bude odehrávat v omezeném rozsahu.

Některé obvody pracují se sudým počtem rezistorů Rs v řetězci Rab, zatímco do dalších výrobce integroval lichý počet odporových elementů. Budeme – li tedy uvažovat zjednodušené schéma zapojení s obvodem se sudým počtem rezistorů Rs, obdržíme na prostřední pozici jezdce jednotkové zesílení. U součástek s lichým počtem prvků Rs pak bude středová pozice jednotkovému zesílení blízká.

Obvod MCP4261 je příkladem součástky, mající v řetězci Rab sudý počet elementů Rs, zatímco obvod MCP4011 byl vytvořen za přispění lichého počtu prvků. Jak tedy postupovat v případě, že je náš digitální potenciometr sestaven z lichého počtu dílčích rezistorů a my si budeme přát přesné jednotkové zesílení? Použijme obecné zapojení, zmíněné výše, s tím, že se pokusíme zajistit rovnost mezi

R1 + Raw a R2 + Rbw.

Kalibrace obvodů se snímači pomocí DAC

Nastavení požadované stejnosměrné úrovně

Mezi běžná zapojení s D/A převodníky (DAC) řadíme číslicové řízení žádané úrovně a / nebo kalibrace parametrů signálového řetězce.

Nastavení požadované stejnosměrné úrovně

Obrázek zachycuje možnost řízení žádané stejnosměrné úrovně ve spojení se světelným senzorem, pomocí integrovaného obvodu

MCP4728, resp.
čtyřnásobného D/A převodníku s
12bitovým rozlišením.

DAC nabídne celkem

4 096 výstupních kroků.

Zvolíme – li

G = 1 a

povolíme – li interní referenční napětí

Vref = 2.048 V,

dostaneme

rozlišení 500 μV.

Zvolíme – li však

G = 2,

můžeme si pomocí vnitřní reference

Vref = 2.048 V

zajistit

rozlišení 1 mV.

Bude – li tedy vyžadován menší výstupní krok, musíme zároveň počítat s určitým omezením výstupního rozsahu. Jinak řečeno, pro menší velikosti kroku se jako lepší volba jeví zesílení rovno jedné (ve srovnání s dvojnásobným ziskem), jen se nesmíme divit, že máme na výstupu pouze poloviční rozsah z jinak plného měřítka v případě G = 2. Další možností pro dosažení menšího kroku je použití napěťového děliče, připojeného na výstup D/A převodníku.

Závěr:

Série šesti článků přinesla českou verzi příručky Signal Chain Design Guide – Devices For Use With Sensors, vydané společností Microchip. Druhou polovinu dokumentu (viz použitá literatura) zmíníme pouze výčtem dostupných informací: Jedná se o SW