Jste zde

Senzory, snímače a čidla v praxi – 5. díl

Jan Robenek, 29. Březen 2010 - 7:31

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).

Naposledy jsme se pak věnovali

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

Náplní aktuálního dílu jsou

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

A/D převodníky Delta – Sigma (Delta-Sigma ADCs)

Napěťová a proudová měření s využitím A/D převodníků Delta – Sigma

Rodinu obvodů MCP342X od Microchipu tvoří jednoduše použitelné, precizní převodníky typu Delta – Sigma. Na jejich čipu najdeme interní referenci 2.048 V a také uživatelsky nastavitelný PGA zesilovač (x1, x2, x4, x8). Jako uživatelé můžeme rovněž volit rozlišení převodu, které nabývá 12, 14, 16 nebo 18bitové úrovně. Společenství obvodů ADC nabízí jeden, dva nebo také čtyři rozdílové vstupní kanály. Protože se jedná o levné a nekomplikované řešení, lze jej využívat v celé řadě aplikací od prostého měření napětí a proudu až po přesná vyhodnocení teploty.

Přehled základních vlastností A/D převodníku MCP3422

Měření napětí s využitím obvodu MCP3421

Měření proudu s využitím obvodu MCP3421

Příklad řešení bezdrátového monitorování teploty

Měření teploty pomocí 4kanálového převodníku MCP3424

Zapojení s termistory a RTD (Thermistor and RTD Solutions)

Termistory

V typickém zapojení termistory vyžadují přídavný rezistor, definující provozní poměry. Základní nelinearita termistoru se dá navíc „vylepšit“ předepnutím pomocí odporového řetězce, linearizujícího převod teploty na napětí. Napětí na termistoru pak zpravidla rovnou vedeme do A/D převodníku, kterým zajišťujeme žádanou digitalizaci. Naměřené napětí se přitom převádí na údaje o teplotě pomocí lookup tabulky. Všechno je to sice pěkné, nicméně problém nastává okolo teplých nebo chladných teplotních extrémů, kde nelinearita takového přístupu bude s omezenými napěťovými změnami ještě větší, což se zákonitě odrazí v nižší dosahované přesnosti, kterou sice lze kompenzovat vyšším rozlišením, ale za cenu dražšího A/D převodníku.

Příjemnějším řešením se tak stávají aktivní lineární termistory (Linear Active Thermistors) z dílny Microchipu, konkrétně obvody MCP9700 a MCP9701. Nejedná se vlastně o nic jiného, než o levná teplotní čidla s napěťovým výstupem, nahrazující téměř všechna zapojení s běžnými termistory. S aktivními lineárními termistory tak můžeme, ve srovnání s odporovými snímači typu běžných termistorů, výrazně ušetřit během vývoje podpůrných signálových obvodů a také struktur, zajišťujících odolnost vůči šumu. Díky teplotnímu koeficientu 10 mV/°C nebo 19.5 mV/°C pak na výstupu obdržíme napětí, úměrné okolní teplotě. Na rozdíl od běžných termistorů, provoz těchto obvodů nevyžaduje v rámci měření teploty přídavné výpočty. Jinak řečeno, továrně nastavené koeficienty zajistí lineární rozhraní pro měření okolních teplot (v otázce optimalizace snímacího prvku viz také AN1001).

Základní vlastnosti MCP9700 a MCP9701:

Pouzdra SC70 a TO92
Rozsah provozních teplot -40 °C až +150 °C
Teplotní koeficient 10 mV/°C (MCP9700)
Teplotní koeficient 19.5 mV/°C (MCP9701)
Malá spotřeba 6 μA (typ.)

Aplikace:

Vybavení chladniček nebo mrazících boxů
Ochrana napájecích zdrojů proti přehřátí
Zcela obecné monitorování teploty

RTD

RTD prvky (Resistive Temperature Detector) najdeme na pozicích snímačů pro velmi přesná a opakovatelná teplotní měření. Při práci s tímto druhem snímače bývají vyžadovány odolné přístrojové struktury, typické v případě precizního teplotního managementu lékařské elektroniky. Řešení využívá výkonné A/D převodníky typu Delta – Sigma spolu se dvěma rezistory pro poměrové vyhodnocení odporu RTD prvku. S

jedním kalibračním bodem lze přitom
v teplotním rozsahu pro RTD od -200 °C až do +800 °C dosáhnout
přesnosti ±0.1 °C, resp.
rozlišení ±0.01 °C.

K zajištění úměry mezi rozlišením A/D převodníku a rozlišením prvku RTD slouží obyčejné referenční napětí, definující napěťové poměry všeho významného. Jak navíc zachycuje níže uvedený vztah, k nastavení poměru vystačíme jen s jedním předřadným rezistorem Ra.

Odpor prvku RTD

Mějme konkrétní příklad:

Referenční napětí A/D převodníku Vref = 2 V odpovídá
rozlišení 1 μV/LSb (Least Significant Bit).

Nastavme

Ra = Rb = 6.8 kΩ, čímž obdržíme
teplotní koeficient 111.6 μV/°C (RTD PT100 s teplotním koeficientem 0.385 Ω/°C).

Pro celý rozsah

20 Ω až 320 Ω, resp.
-200 °C až +800 °C tak dostaneme
rozlišení teplotního měření 0.008 °C/LSb.

Jednobodová kalibrace s využitím

0.1 % rezistoru s odporem 100 Ω tedy znamená
přesnost ±0.1 °C (viz obrázek níže).

Právě popsané zapojení nám vytvořilo řešení typu plug-and-play s minimální potřebou nastavování. Nyní ale ještě přichází to „nicméně“, takže: Výsledná přesnost systému bude ovlivněna hned několika faktory, z nichž zmíníme