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

Like dokumenter
Forelesning nr.13 INF 1411 Elektroniske systemer

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

Analog til digital omformer

Datakonvertering. analog til digital og digital til analog

Datakonvertering. analog til digital og digital til analog

Den analoge verden blir digitalisert

Forelesning nr.7 IN 1080 Elektroniske systemer. Spoler og induksjon Praktiske anvendelser Nøyaktigere modeller for R, C og L

Forelesning nr.7 INF 1411 Elektroniske systemer. Tidsrespons til reaktive kretser Integrasjon og derivasjon med RC-krester

Treleder kopling - Tredleder kopling fordeler lednings resistansen i spenningsdeleren slik at de til en vis grad kanselerer hverandre.

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer. Vekselstrøm Kondensatorer

Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer. Måleteknikk Operasjonsforsterkere

Forelesning nr.7 INF Kondensatorer og spoler

UNIVERSITETET I OSLO

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer

Oppgave 3 -Motstand, kondensator og spole

Lab 6 Klokkegenerator, tellerkretser og digital-analog omformer

Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer. Måleteknikk Operasjonsforsterkere

Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer. Måleteknikk Operasjonsforsterkere

Forelesning nr.10 INF 1411 Elektroniske systemer. Felteffekt-transistorer

UNIVERSITETET I OSLO

Elektriske kretser. Innledning

Forelesning nr.2 INF 1411 Elektroniske systemer. Effekt, serielle kretser og Kirchhoffs spenningslov

Forelesning nr.2 INF 1411 Elektroniske systemer. Effekt, serielle kretser og Kirchhoffs spenningslov

Dagens temaer. Dagens temaer er hentet fra P&P kapittel 3. Motivet for å bruke binær representasjon. Boolsk algebra: Definisjoner og regler

Forelesning nr.6 INF Operasjonsforsterker Fysiske karakteristikker og praktiske anvendelser

Dagens temaer. Architecture INF ! Dagens temaer hentes fra kapittel 3 i Computer Organisation and

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer. Vekselstrøm Kondensatorer

Forelesning nr.5 INF 1411 Elektroniske systemer. RC-kretser

FYS1210 Løsningsforslag. Eksamen V2015

Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer

Fasit og sensorveiledning eksamen INF1411 våren Oppgave 1 Strøm, spenning, kapasitans og resistans (Vekt 20 %) A) B) Figur 1

UNIVERSITETET I OSLO

Forelesning nr.5 IN 1080 Mekatronikk. RC-kretser

Forelesning nr.6 INF 1411 Elektroniske systemer. Anvendelser av RC-krester Spoler og RL-kretser

Kondensator. Symbol. Lindem 22. jan. 2012

UNIVERSITETET I OSLO

Forelesning nr.5 INF 1411 Elektroniske systemer. RC-kretser

Forelesning nr.5 INF 1411 Elektroniske systemer

Fasit og sensorveiledning eksamen INF1411 våren Oppgave 1 Strøm, spenning, kapasitans og resistans (Vekt 20 %) A) B) Figur 1

Dagens temaer. Dagens temaer hentes fra kapittel 3 i Computer Organisation and Architecture. Sekvensiell logikk. Flip-flop er

Datakonvertering. analog til digital og digital til analog

Prototyping med Arduino del 2

I oppgave 1 skal det prøves ut en binærteller i en integrert krets (IC). Telleren som skal brukes er SN74HC393N, hvor

UNIVERSITETET I OSLO.

Forelesning nr.7 INF 1411 Elektroniske systemer. Tidsrespons til reaktive kretser Integrasjon og derivasjon med RC-krester

FYS1210 Løsningsforslag Eksamen V2015

En mengde andre typer som DVD, CD, FPGA, Flash, (E)PROM etc. (Kommer. Hukommelse finnes i mange varianter avhengig av hva de skal brukes til:

Dagens temaer. temaer hentes fra kapittel 3 i Computer Organisation. av sekvensielle kretser. and Architecture. Tilstandsdiagram.

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer. Vekselstrøm Kondensatorer

EKSAMEN. Informasjon om eksamen. Emnekode og -navn: ITD13012 Datateknikk. Dato og tid: timer. Fagansvarlig: Robert Roppestad

UNIVERSITETET I OSLO

Forelesning nr.1 INF 1411 Elektroniske systemer. Kursoversikt Strøm, spenning, ladning og Ohms lov

unngår å bruke meget avanserte og kostbare forsterkere og komponeriter. Dermed slipper man fra bl.a. problemer

Eivind, ED0 Ingeniørfaglig yrkesutøvelse og arbeidsmetoder Individuell fremføring

Forelesning nr.6 INF 1411 Elektroniske systemer

Oppstart - Ølbryggerprosjekt

Forelesning nr.10 INF 1411 Elektroniske systemer

INF1400 Kap 0 Digitalteknikk

I oppgave 2 og 3 brukes det R 2R nettverk i kretsene. Det anbefales å gjøre denne forberedelsen før gjennomføring av Lab 8.

Dagens tema. Dagens tema hentes fra kapittel 3 i Computer Organisation and Architecture. Sekvensiell logikk. Flip-flop er. Tellere og registre

Forelesning nr.14 INF 1410

Oppgave 1 (30%) a) De to nettverkene gitt nedenfor skal forenkles. Betrakt hvert av nettverkene inn på klemmene:

Forelesning nr.8 INF 1410

Laboratorieoppgave 3: Motstandsnettverk og innføring i Oscilloskop

En sensor er en komponent som mottar et signal eller stimulering og som svarer med et elektrisk signal.

Forelesning nr.9 INF 1411 Elektroniske systemer. Transistorer MOSFET Strømforsyning

KYBERNETIKKLABORATORIET. FAG: Industriell IT DATO: OPPG.NR.: LV4. LabVIEW Temperaturmålinger BNC-2120

Forelesning nr.2 INF 1411 Elektroniske systemer

Forelesning nr.6 INF 1411 Elektroniske systemer. Anvendelser av RC-krester Spoler og RL-kretser

Forelesning nr.1 INF 1411 Elektroniske systemer

Angivelse av usikkerhet i måleinstrumenter og beregning av total usikkerhet ved målinger.

Forelesning nr.4 IN 1080 Mekatronikk. Vekselstrøm Kondensatorer

Forelesning nr.6 INF 1411 Elektroniske systemer. Anvendelser av RC-krester Spoler og RL-kretser

WORKSHOP BRUK AV SENSORTEKNOLOGI

Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag

Oppgave Nr.og navn LABORATORIEØVELSE NR 6 Revidert utgave desember 2014 T. Lindem, K. Ø. Spildrejorde, M. Elvegård

Elektrisitetslære TELE1002-A 13H HiST-AFT-EDT

Forslag B til løsning på eksamen FYS august 2004

Forelesning nr.12 INF 1411 Elektroniske systemer. Opamp-kretser Oscillatorer og aktive filtre

Monostabil multivibrator One shot genererer en enkelt puls med spesifisert varighet kretsen har en stabil tilstand

UNIVERSITETET I OSLO

Dagens temaer. Dagens temaer hentes fra kapittel 3 i læreboken. Oppbygging av flip-flop er og latcher. Kort om 2-komplements form

UNIVERSITETET I OSLO

Analog til digital omforming

EKSAMEN Løsningsforslag Emne: Fysikk og datateknikk

Oppgave 1. Komponenter i en målesløyfe: Hva er og hva gjør enhetene: 1,2,3,4 og 5? Oppgave 2

Forelesning nr.5 INF 1410

UKE 5. Kondensatorer, kap. 12, s RC kretser, kap. 13, s Frekvensfilter, kap. 15, s kap. 16, s

Kondensator - Capacitor. Kondensator - en komponent som kan lagre elektrisk ladning. Symbol. Kapasitet, C. 1volt

INF1510: Bruksorientert design

Dagens temaer. Sekvensiell logikk: Kretser med minne. D-flipflop: Forbedring av RS-latch

LABORATORIERAPPORT. RL- og RC-kretser. Kristian Garberg Skjerve

Forelesning nr.1 INF 1411 Elektroniske systemer. Kursoversikt Strøm, spenning, ladning og Ohms lov

UNIVERSITETET I OSLO.

Forelesning nr.12 INF 1411 Elektroniske systemer. Opamp-kretser Oscillatorer og aktive filtre

RAPPORT LAB 3 TERNING

NORGES LANDBRUKSHØGSKOLE Institutt for matematiske realfag og teknologi LØSNING TIL PRØVE 2 I FYS135 - ELEKTRO- MAGNETISME, 2004.

Forelesning nr.8 INF 1411 Elektroniske systemer. Dioder

Eksamen i emne TFE4110 DIGITALTEKNIKK MED KRETSTEKNIKK

UKE 5. Kondensatorer, kap. 12, s RC kretser, kap. 13, s Frekvensfilter, kap. 15, s og kap. 16, s.

Transkript:

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

Dagens temaer Sensorer for måling av Temperatur Strekk, press, trykk og væskestrømmer Hastighet og akselerasjon Digital-til Analog konvertering (DAC) Analog-til-Digital konvertering (ADC) Dagens temaer er hentet fra kapittel 19.1-19.5 + ekstrastoff dekket kun av forelesning 08.05.2017 INF 1411 2

Temperaturmåling Måling av temperaturer er avgjørende på mange områder, bla i industrielle prosesser, helse, varme og energi Konvensjonell temperaturmåling er basert på varmeutvidelseskoeffisienter til ulike materialer som kvikksølv og etanol, og avlesningen gjøres med det blotte øye Moderne temperaturmålere er transducere: Temperaturavlesningen konverteres til en spenning eller strøm som er proporsjonal med temperaturen 08.05.2017 INF 1411 3

Temperaturmåling (forts) Det benyttes i dag hovedsaklig tre typer transducere: Termokoblinger Temperaturavhengig resistans Termistorer Alle er har begrensinger i temperatur-område, presisjon, linearitet og dynamikk Begrensningene trekker i motsatt retning: Høy presisjon gir lite temperaturområde Ikke-linearitet kan relativt enkelt kompenseres 08.05.2017 INF 1411 4

Termokoblinger Termokoblinger er sensorer som baserer seg på Seebeckspenningen Hvis to ulike metaller eller legeringer forbindes, oppstår det et elektrisk felt i overgangen i størrelsesorden mv Feltet øker tilnærmet lineært proporsjonalt med temperaturen Termokoblinger kan måle fra -250 til 2000 o C, men for en gitt metallkombinasjon er området mye mindre Heat Metal A Metal B + V AB - 08.05.2017 INF 1411 5

Termokoblinger (forts) Enhver metall-metall overgang vil lage et elektrisk felt, derfor vil tilkoblingen til en termokobling innføre en ekstra termokobling Man må kompensere for den uønskede parasittspenningen 08.05.2017 INF 1411 6

Termokoblinger (forts) En teknikk er å bruke en referansetemperatur (f.eks isvann med 0 grader) med en ekstra termokobling Referansen gjør at man introduserer en ny termokobling med kjent temperatur og kjent Seebeck-spenning, og denne kan trekkes fra den målte spenningen i den ønskede måleproben 08.05.2017 INF 1411 7

Termokoblinger (forts) Det er ikke praktisk med ismaskin for å lage referansetemperatur Bedre å bruke temperaturavhengig strømkilde for å kompensere for en ekstra Seebeck-spenning 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 08.05.2017 INF 1411 8

Resistansedetektorer En annen type temperaturmåler bruker temperaturavhengig resistans (RTD) RTD er har også problem med parasitteffekter, fordi tilkoblingslederne også tilfører temperaturavhengig resistans Temperaturen måles enten ved å måle spenningsfallet over en motstand med konstant strøm, eller endringen i resistans i en brokobling, f.eks Wheatstonebro 08.05.2017 INF 1411 9

Termistorer Termistorer er en type halvleder hvor resistansen synker med økende temperatur Termistorer har logaritmisk (ikke-lineær) karakteristikk Termistorer har smal båndbredde, men er raske, presise og billige Brukes bla integrert på CPU er for å styre viftehastighet Termistorer kan også brukes i brokoblinger 08.05.2017 INF 1411 10

Måling av strekk, trykk og væskestrøm Strekk eller bøyning kan måles med en mostandstråd som ender motstand ved mekanisk påvirkning (piezoresistivitet) 08.05.2017 INF 1411 11

Måling av strekk, trykk og væskestrøm Samme oppsett som for temperaturmåling brukes for trykkog strekkmåling Trykk og strekk er enklere å måle fordi det ikke er nødvendig å kompensere i like stor grad 08.05.2017 INF 1411 12

Måling av strekk, trykk og væskestrøm Trykk kan måles ved å feste en strekksensor på en fleksibel membran Væskestrøm kan måles ved å beregne trykkforskjellen mellom to punkter med ulik diameter 08.05.2017 INF 1411 13

Måling av akselerasjon Akselerasjonsmåling brukes i en lang rekke anvendelser: Tekniske anvendelser, bla kollisjonsputer, vibrasjonsmålinger, seismisk aktivitet, hastighet, posisjonering osv Industrielle anvendelser, bla overvåkning av vibrasjoner og rotasjonshastighet, måling av G-krefter i luft- og romfart Biologiske anvendelser: Sporing av dyr, energiforbruk Medisinske anvendelser: Hjertekompresjon, skrittellere Forbrukerelektronikk, bla roteringsfunksjon smart phones og kameraer, spillkonsoller, bildestabilisator i kamera, fallbeskyttelse i harddisker 08.05.2017 INF 1411 14

Akselerasjonsmålere Tre vanlige sensortyper for akselerasjon er basert på Piezoelektrisitet Piezoresistivitet Variabel kapasitans, resistans eller induktans Finnes i tillegg en rekke andre varianter basert på disse Felles for alle er at en endring i hastighet fører til endring i kapasitans/resistans/induktans eller spenning 08.05.2017 INF 1411 15

Piezoelektrisitet Piezoelektrisitet oppstår når ladning akkumuleres i visse typer faste stoffer pga mekanisk påvirkning Effekten er reversibel Når den mekaniske påvirkningen fjernes, endres det elektriske feltet tilbake til det opprinnelige Motsatt effekt kan brukes til å lage ultralyd og elektromotorer Ved å sette spenning på et materiale skapes bevegelse 08.05.2017 INF 1411 16

Piezoresistivitet Samme effekt som piezoelektrisitet, men her endres resistansen som følge av mekanisk påvirkning Imidlertid er det ingen reversibel effekt (ikke mulig å endre resistans for å generere mekanisk bevegelse) 08.05.2017 INF 1411 17

Variabel kapasitans Ved å la en plate på kondensatoren være fast og den andre bevegelig, vil kapasitansen endres ved endring i bevegelse Endringen i konduktans kan måles med en Wheatstonebro 08.05.2017 INF 1411 18

AD og DA-konvertering Verden er stort sett analog, dvs alt er kontinurerlige verdier Kjernen i beregningssystemer er som regel digital Analoge signaler Analog til Digital konverter Digitalt system Digital til Analog konverter Analoge signaler 08.05.2017 INF 1411 19

AD og DA-konvertering (forts) For å kunne kommunisere med omverdenen trengs kretser for Konvertering av analoge signaler til digitale signaler (ADC) Konvertering av digitale signaler til analoge signaler (DAC) Det finnes en rekke ulike strategier for ADC og DAC med forskjellig hastighet nøyaktighet effektforbruk pris Kravet til oppløsning er som regel gitt av det digitale systemet 08.05.2017 INF 1411 20

Analog-til-digital konvertering En datamaskin har flere enheter knyttet til seg som kan ses på som AD-konvertere: Tastatur Mus Mikrofon Alle omformer analoge signaler til digital representasjon i datamaskinen Den vanligste ADC en konverterer en analog spenning til et bitmønster, dvs én signallinje inn (analog) og N signallinjer ut (en linje for hvert bit) 08.05.2017 INF 1411 21

Analog-til-digital konvertering (forts) B N-1 V s V in ADC N bit B 1 V s 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 08.05.2017 INF 1411 22

ADC med teller Klokkesignal Nullstill Binærteller Komparator MSB LSB Digital output _ V d DAC Analog input + V a 08.05.2017 INF 1411 23

ADC med teller (forts) Spenning V a Avrundingsfeil V d Klokkepuls Så lenge Va er mindre enn Vd, vil telleren fortsette å telle Avrundingsfeilen skyldes at den digitale telleren har endelig oppløsning 08.05.2017 INF 1411 24

ADC med teller (forts) Avrundingsfeilen kan gjøres vilkårlig liten ved å øke antall bit i telleren og det digitale signalet Jo flere bit, desto langsommere blir ADC en For å konvertere V a, trengs V d /V a antall klokkesykler Største 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 Hvis man erstatter den binære telleren med en opp-ned teller kan man følge tidsvarierende signaler bedre 08.05.2017 INF 1411 25

ADC med opp/ned teller Nullstill Klokkesignal U/D-teller Opp/Ned kontroll Komparator _ V d DAC MSB LSB Digital output Analog input + V a 08.05.2017 INF 1411 26

V ADC med opp/ned teller V V a V a V d V d ADC med vanlig teller C p ADC med opp/ned teller I 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 08.05.2017 INF 1411 27

ADC med suksessiv tilnærming Tellende ADC er trenger i verste fall 2 N intervaller for å telle opp til riktig spenning Istedenfor 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 Enheten 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 Prosessen over gjentas helt til det er det minst signifikante bitet som må endres. 08.05.2017 INF 1411 28

ADC med parallell komparator Det tre foregående ADC ene baserer seg på suksessiv tilnærming og er relativt langsomme En raskere måte er å gjøre sammenligning i parallell uten bruk av klokkesignaler Hastigheten til en ADC med parallellkomparator er begrenset av tidsforsinkelsen gjennom opamp er og digital logikk Ulempen er at det kreves ekstra hardware: N-1 komparator for N bit N motstander for N bit Hvis hastighet er det viktigste vil man velge denne typen ADC Ingen problemer med tidsvarierende input-spenninger 08.05.2017 INF 1411 29

ADC med parallell komparator (forts) For å forstå denne typen ADC, trenger man å skjønne hva en prioritetsenkoder gjør En prioritetsenkoder er en digital krets som har M input-linjer og N outputlinjer, hvor 2 N M Verdien 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 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 08.05.2017 INF 1411 30

ADC med parallell komparator (forts) V a V(=konstant) R 7/8 V R + _ W 7 Y 2 6/8 V R + _ W 6 Prioritetsenkoder Y 1 2/8 V R + _ W 2 Y 0 1/8 V R + _ W 1 08.05.2017 INF 1411 31

Dual-slope ADC Dette er en mye brukt ADC som er basert på integrasjon Kresten bruker få komponenter og kan lages med så høy oppløsning som ønskelig Området det skal måles i kan også settes ved en referansespenning V ref, og man får samme oppløsning uavhengig av hva V ref er. En av fordelene ved kretsen er at den kan gjøres immun mot støy i input-signalet, f.eks fra lysnettet (50 Hz) 08.05.2017 INF 1411 32

Dual-slope ADC (forts) Fast utladningsrate Fast samplingsintervall Lite digitalt tall Middels digitalt tall Stort digitalt tall 08.05.2017 INF 1411 33

Dual-slope ADC (forts) Analog input V a V ref S 1 S 2 - + - + Nullstill Teller Analog bryter Referansespenning (negativ) Integrator Komparator C p Digitaldel 08.05.2017 INF 1411 34

Dual-slope ADC (forts) Telleren nullstilles og kondensatoren lades først ut (S 1 er åpen og S 2 lukkes) Kondensatoren 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 Jo høyere input-spenning, desto høyere spenning lades kondensatoren opp til i løpet av samplingsintervallet Ved enden av samplingsintervallet kobles så S 1 til V ref og kondensatoren lades ut, samtidig som telleren starter Når spenningen har ladet seg ut til V ref, stopper telleren, og man har da et mål for V a relativt til V ref 08.05.2017 INF 1411 35

Digital-til-analog konvertere (DAC) Ofte trenger man en analog representasjon av digitale verdier, f.eks høytalere som er koblet til en PC eller en MP3-spiller ADC er er ofte enklere å lage, og har heller ikke de samme utfordringene med oppløsning og hastighet ADC er er nesten utelukkende basert på opamp er og motstandsnettverk, eventuelt transistorer Sammenhengen mellom den digitale og analoge representasjonen er gitt av N-1 N-2 2 1 Vo ( 2 an- 1 2 an-2 2 a2 2 a1 a0) V der V 0 er den analoge verdien, V er en proporsjonalitetsfaktor og a n bit nummer n i det digitale tallet som skal konverteres 08.05.2017 INF 1411 36

DAC med binærvektet motsandsnettverk - V ref = 1 Digital bryter R S N-1 Bit N-1 2R R S N-2 Bit 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 08.05.2017 INF 1411 37

Implementasjon av digitale brytere -V ref V ref Q Q - + Q OpAmp inputlinje OpAmp inputlinje 08.05.2017 INF 1411 38

Kapittel 19.1-19.5 Oppsummeringsspørsmål