Forelesning nr.13 INF 1411 Elektroniske systemer

Transkript

1 Forelesning nr.13 INF 1411 Elektroniske systemer Sensorer AD og DA-konvertering 1

2 Dagens temaer Sensorer for temperaturmåling Måling Hastighetsmåling av strekk, press og væskestrømmer Digital-til Analog-til-Digital Dagens Analog konvertering (DAC) konvertering (ADC) temaer er hentet fra kapittel ekstrastoff dekket kun av forelesning 2

3 Temperaturmåling Måling Tidligere Dagens av temperaturer er avgjørende på ulike områder, bla i industrielle prosesser, helse, varme og energi etc etc tiders temperaturmålere var basert på varmeutvidelseskoeffisienter til ulike matererial som kvikksølv og etanol, og avlesningen var med det blotte øye temperaturmålere er transducere: Temperaturavlesningen konverteres til en spenning eller strøm som er proporsjonal med temperaturen 3

4 Temperaturmåling (forts) Det benyttes i dag hovedsaklig tre typer transducere: Termokoblinger Temperaturavhengig resistans Termistorer Felles for dem alle er at de har begrensinger i temperatur-område, presisjon, linearitet og hastighet Begrensningene trekker som regel i motsatt retning, dvs at om man velger høy presisjon har man lite temperaturområde Ikke-linearitet kan relativt enkelt kompenseres 4

5 Termokoblinger Termokoblinger er en type temperatursensorer som baserer seg på Seebeck-spenningen Hvis Størrelsen Termokoblinger to ulike metaller eller metall-legeringer forbindes, oppstår det et elektrisk felt i overgangen i størrelsesorden mv på feltet øker og er tilnærmet lineært proporsjonalt med temperaturen kan måle fra -250 til 2000 o C, men for en gitt metallkombinasjon er området mye mindre Metal A + Heat Metal B V AB - 5

6 Termokoblinger (forts) Enhver metall-metall overgang vil produsere et elektrisk felt, og derfor vil også tilkoblingen til en termokobling introdusere en ny termokobling Det er derfor viktig at man kompenserer for parasittspenningene som introduseres 6

7 Termokoblinger (forts) En teknikk går på å ha en referansetemperatur (f.eks isvann med 0 grader) med en ekstra termokobling Referansen gjør at man introduserer en ny termokobling men med kjent temperatur og kjent Seebeck-spenning, og denne kan da trekkes fra den målte spenningen i den ønskede måleproben 7

8 Som Mer Termokoblinger (forts) regel er det ikke praktisk å ha en ismaskin for å lage en referansetemperatur vanlig er å bruke en temperaturavhengig strømkilde for å kompensere for den ekstra Seebeck-spenningen Den uønskede termokoblingsspenningen kanselleres av V c. Output er kun funksjon av V T. + Copper (Cu) Measuring thermocouple - V T V Constantan Cu + c Cu A v A v V T I c En uønsket termokoblingsspenning oppstår mellom kobber og konstantan-overgangen. +V Strømkilden genererer en spenning i en resistor som matcher den uønskende termokoblingsovergangen 8

9 En RTD er Temperaturen Resistansedetektorer annen utbredt temperaturmåler er utnytting av temperaturavhengig resistans (RTD) har også problem med parasitteffekter, fordi tilkoblingslederne også tilfører temperaturavhengig resistans måles enten ved å måle spenningsfallet over en motstand med konstant strøm, eller endringen i resistans i en brokobling (som måles som en spenningsendring) 9

10 Termistorer En Termistorer tredje type temperaturmåler er terminstorer som er en type halvleder hvor resistansen synker med økende temperatur har en logaritmisk (ikke lineær) karakteristikk Termistorer Brukes Termistorer har smal båndbredde, men er raske, presise og billige bla integrert på CPU er for å styre viftehastighet kan også brukes i brokoblinger 10

11 Måling av strekk, trykk og væskestrøm Strekk eller bøyning kan måles med en mostandstråd som ender motstand ved strekk eller sammentrykning 11

12 Måling av strekk, trykk og væskestrøm Samme Trykk oppsett som for temperaturmåling brukes for trykk og strekkmåling og strekk er enklere å måle fordi det ikke er nødvendig å kompensere i like stor grad 12

13 Måling av strekk, trykk og væskestrøm Trykk Væskestrøm kan måles ved å feste en strekksensor på en fleksibel membran kan måles ved å beregne trykkforskjellen mellom to punkter med ulik diameter 13

14 AD og DA-konvertering Verden Kjernen er stort sett analog, dvs alt er kontinurerlige verdier i beregningssystemer er som regel digital Analoge signaler Analog til Digital konverter Digitalt system Digital til Analog konverter Analoge signaler 14

15 AD og DA-konvertering (forts) For Det Kravet å kunne kommunisere med omverdenen trengs derfor kretser for å Konvertere fra analoge signaler til digitale signaler (kalt A/D-konvertere eller ADC) Konvertere digitale signaler til analoge signaler (kalt D/A-konvertere eller DAC) finnes en rekke ulike algoritmer for kretser for ADC og DAC, avhengig av krav til hastighet, nøyaktighet, effektforbruk, pris etc til oppløsning er som regel gitt av det digitale systemet (hvor mange bit det arbeider med) 15

16 Analog-til-digital konvertering En Alle Det PC har flere enheter knyttet til seg som kan ses på som ADkonvertere: Tastatur Mus Mikrofon har til oppgave å omforme ytre analoge signaler til digital representasjon som benyttes til videre beregninger aller vanligste er en ADC som konverterer en analog spenning til et bitmønster, dvs én signallinje inn (analog) og N signallinjer ut (en linje for hvert bit) 16

17 Analog-til-digital konvertering (forts) B N-1 V s V in ADC B 1 V s N bit B 0 V s V s er den spenningen som brukes for å angi logisk 1, mens B i enten er 0 eller 1, så V s B i er derfor enten 0 volt eller V s volt 17

18 ADC med teller Klokkesignal Nullstill Binærteller Komparator MSB LSB Digital output Analog input + _ V d DAC V a 18

19 ADC med teller (forts) Spenning V a Avrundingsfeil V d Klokkepuls Så Avrundingsfeilen lenge Va er mindre enn Vd, vil telleren fortsette å telle skyldes at den digitale telleren har endelig oppløsning 19

20 ADC med teller (forts) Avrundingsfeilen Jo Største Hvis kan gjøres vilkårlig liten ved å øke antall bit i telleren og det digitale signalet flere bit, desto langsommere blir ADC en For å konvertere V a, trengs V d /V a antall klokkesykler ulempen med denne ADC en er at den ikke klarer å følge det analoge signalet hvis det varierer over tid, med mindre man nullstiller telleren og starter på nytt man erstatter den binære telleren med en opp-ned teller kan man følge tidsvarierende signaler bedre 20

21 ADC med opp/ned teller Nullstill Klokkesignal U/D-teller Opp/Ned kontroll Komparator MSB LSB Digital output Analog input + _ V d DAC V a 21

22 V ADC med opp/ned teller V V a V a V d V d I C p ADC med vanlig teller ADC med opp/ned teller motsetning til ADC med vanlig teller, vil det minst signifikante bitet endre verdi rundt V a selv når V a ikke endrer seg C p 22

23 ADC med suksessiv tilnærming Største Istedenfor Enheten Prosessen ulempen med tellende ADC er er at de trenger i verste fall 2 N intervaller for å telle seg opp til riktig spenning en teller kan man bruke en bruke en programmerbar enhet som gjør et binærsøk etter riktig verdi, og den trenger maks N intervaller for å finne spenningen starter med å sette 1 i MSB og de andre bit ene til 0. Hvis V d fortsatt er lavere enn V a, settes det nest mest signifikante bit et til 1. Hvis V d er høyere enn V a, settes det mest signifikate bitet til 0 og de resterende til 1 over gjentas helt til det er det minst signifikante bitet som må endres. 23

24 ADC med parallell komparator Det En Hastigheten Ulempen Hvis tre foregående ADC ene er langsomme (i varierende grad) siden de baserer seg på suksessive tilnærming raskere måte er å gjøre sammenligning i parallell, uten bruk av klokkesignaler til en ADC med parallellkomparator er begrenset av tidsforsinkelsen gjennom opamp er og digital logikk alene er at det kreves ekstra hardware: N-1 komparator for N bit N motstander for N bit hastighet er det viktigste vil man velge denne typen ADC Ingen problemer med tidsvareierende input-spenninger 24

25 ADC med parallell komparator (forts) For En Verdien å forstå denne typen ADC, trenger man å skjønne hva en prioritetsenkoder gjør prioritetsenkoder en en ren digital krets som har M inputlinjer og N outputlinjer, og hvor 2 N M på de N output-linjene angir det mest siginifikante bitet i M som har en 1 W 7 W 6 W 5 W 4 W 3 W 2 W 1 Y 1 Y 2 Y

26 ADC med parallell komparator (forts) V a V(=konstant) R 7/8 V 6/8 V R R + _ + _ W 7 W 6 Prioritetsenkoder Y 2 Y 1 2/8 V R + _ W 2 Y 0 1/8 V R + _ W 1 26

27 Dual-slope ADC Dette Kresten Området En er en mye brukt ADC som er basert på integrasjon bruker få komponenter og kan lages med så høy oppløsning som ønskelig det skal måles i kan også settes ved en referansespenning V ref, og man får samme oppløsning uavhengig av hva V ref er. av fordelene ved kretsen er at den kan gjøres immun mot støy i input-signalet, f.eks fra lysnettet (50 Hz) 27

28 Dual-slope ADC (forts) Fast utladningsrate Fast samplingsintervall Lite digitalt tall Middels digitalt tall Stort digitalt tall 28

29 Dual-slope ADC (forts) Analog input S 1 S 2 Nullstill V a V ref Teller Analog bryter Referansespenning (negativ) Integrator Komparator C p Digitaldel 29

30 Dual-slope ADC (forts) Telleren Kondensatoren Jo Ved Når nullstilles og kondensatoren lades først ut (S 1 er åpen og S 2 lukkes) i integratoren lades opp over et fast tidsintervall (kalt samplingsintervallet) av input-spenningen ved at S 1 kobles til V a og S 2 åpnes. Telleren teller ikke høyere input-spenning, desto høyere spenning lades kondensatoren opp til i løpet av samplingsintervallet enden av samplingsintervallet kobles så S 1 til V ref og kondensatoren lades ut, samtidig som telleren starter spenningen har ladet seg ut til V ref, stopper telleren, og man har da et mål for V a relativt til V ref 30

31 Digital-til-analog konvertere (DAC) Ofte ADC er ADC er Sammenhengen trenger man en analog representasjon av digitale verdier, f.eks høytalere som er koblet til en PC eller en MP3-spiller er ofte enklere å lage, og har heller ikke de samme utfordringene med oppløsning og hastighet er nesten utelukkende basert på opamp er og motstandsnettverk, eventuelt transistorer mellom den digitale og analoge representasjonen er gitt av N-1 N V 2 a 2 a 2 a 2 a a o ( n-1 N ) der V 0 er den analoge verdien, V er en proporsjonalitetsfaktor og a n bit nummer n i det digitale tallet som skal konverteres V 31

32 DAC med binærvektet motsandsnettverk - V ref = 1 Digital bryter R S N-1 Bit N-1 2R R Bit N-2 S N-2 S N-3 4R - + V o Bit N-3 Strøm-til spenningskonverter Bit 0 0 S N-0 2 N-1 R Eks: MSB= 1 og de andre bitene = 0 I R =-V R /R og V o =V R R /R 32

33 Implementasjon av digitale brytere -V ref V ref Q Q - + Q OpAmp inputlinje OpAmp inputlinje 33