Kondycjonowanie sygnału sensorowego

Prezentacja na temat: "Kondycjonowanie sygnału sensorowego"— Zapis prezentacji:

1 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 %/oC, czujniki tensometryczne wykazują często zmianę rezystancji poniżej 1% w całym zakresie pomiarowym). Stąd konieczność pomiaru małych zmian rezystancji jest czasami krytyczna.

2 Pomiary czułości sensorów rezystancyjnych
Sygnał użyteczny dla układu z dzielnikiem napięcia jest równy Rozdzielczość związana ze zmianą sygnału użytecznego przy zmianie rezystancji sensora Maksymalną rozdzielczość uzyskuje się dla RL = RS . Dzielnik napięcia utworzony z sensora o rezystancji RS połączonego szeregowo z rezystorem obciążenia RL. 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. Układ korzystny we wskaźnikach przekroczenia wartości progowej.

3 Dzielnik napięcia z wtórnikiem napięciowym
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

4 Sensor o rezystancji RS w obwodzie napięciowego sprzężenia zwrotnego wzmacniacza odwracającego fazę.
W obwodzie sprzężenia zwrotnego wzmacniacza odwracającego fazę umieszczony rezystor obciążenia. Na rezystancji RS występuje stałe napięcie równe VZ (pomiar potencjo-statyczny). Napięcie wyjściowe jest iloczynem RL i zmieniającego się prądu VZ/RS. Rozdzielczość pomiaru zależy od RS. 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.

5 Źródło prądowe w postaci lustra prądowego (układ Wilsona)
Sensor zasilany ze źródła prądowego Wtórnik napięciowy spolaryzowany diodą Zenera wysterowuje tranzystor, który wytw. prąd niezależny od RS. 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. Rozdzielczość nie zależy od RS.

6 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. Z kolei dzielnik analogowy wykonuje operację dzielenia dając sygnał wyjściowy niezależny zarówno od napięcia zasilania jak i wzmocnienia wzmacniacza Operacja dzielenia może być realizowana cyfrowo.

7 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.

8 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. Warunek równowagi Maksymalną czułość pomiaru uzyskuje się dla R1 = R2 i R3 = RS Ogólnie napięcie wyjściowe jest nieliniową funkcją niezrównoważenia ΔR = RS – R

9 Wzmacniacz operacyjny na wyjściu mostka niezrównoważonego (wpływ
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. CMRR tłumienia sygn. sumacyjnego.

10 Wzmacniacz w układzie mostka aktywnego.
Wzmacniacz w układzie mostka z pływającym źródłem zasilania. Wyjście liniowe w pewnym przedziale zmienności rezystancji. Wzmacniacz wytw. napięcie równe i przeciwnego znaku niż zmiana powodowana ΔR. Napięcie to jest liniowe w funkcji ΔR (linearyzacja wyjścia).

11 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 dB), co jest szczególnie istotne dla częst. 50 Hz.

12 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

13 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

14 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

15 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 Wady: Straty mocy Konieczne użycie sygnału AC Są to wzmacniacze AC z częstotliwościami odcięcia górną f2 = 1/(2πR2C2) i dolną f1 = 1/(2πR1C1) .

16 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)

17 Standaryzacja sensorów - IEEE 1451
np.Ethernet Moduł inteligentnego czujnika: STIM (ang. Smart Transducer Interface Module) Układ zapewniający komunikację sieciową: NCAP (ang. Network Capable Application Processor). Ulivieri N. et all,

18 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 Rozmiar Zakres Identyfikator producenta 14 bitów 17 – 16381 Numer modelu bitów 0 – 32767 Litera wersji 5 bitów A – Z Numer wersji 6 bitów 0 – 63 Numer seryjny 24 bity Podstawowa wersja tablicy TEDS (Basic TEDS), zajmuje w pamięci 64 bity

19 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

20 Standaryzcja sensorów
Dwuprzewodowy interfejs IEEE klasy 1 do sensorów zasilanych prądowo.

21 Wieloprzewodowy interfejs IEEE 1451.4 klasy 2 z przewodem wspólnym.

22 Schemat inteligentnego modułu sensora gazu z wykorzystaniem standardu IEEE klasy 2 z wbudowanym układem TEDS (Transducer Electronic Data Sheets).

23 Kondycjonowanie sensorów - źródła
Analog Sensor Conditioning Circuits - An Overview, nota aplikacyjna Microchip AN990 TemperatureMeasurement Circuits for Embedded Applications, nota aplikacyjna Microchip AN929 Piecewise Linear Interpolation on PIC Series, nota aplikacyjna Microchip AN942 Materiały firmy Linear Technology: AMPLIFIERS FOR SIGNAL CONDITIONING, Walt Kester, James Bryant, Walt Jung

24 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, 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, May 2004, 71 – 75 The IEEE Standard for Smart Transducers, 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