В руководстве для разработчиков систем с аналоговыми датчиками, представляемом компанией Microchip, дан обзор существующих типов датчиков, например, датчиков температуры, рассмотрены типы выходных сигналов датчиков, например, напряжение, ток и так далее; предложены конкретные схемы нормирования сигналов с датчиков и даны ссылки на источники дополнительной информации.
Электрические характеристики аналоговых датчиков меняются при изменении параметров окружающей среды. Эти изменения необходимо преобразовать в удобную для измерений форму и нормировать, а потом оцифровать с помощью АЦП. Дальнейшая обработка сигналов выполняется в цифровом виде и не рассматривается в данной статье. Но в ней вы прочтете о датчиках, используемых для измерения таких параметров как:
- электрические характеристики;
- магнитные характеристики;
- температура;
- влажность;
- усилие, вес, крутящий момент и давление;
- движение и вибрация;
- скорость потока;
- уровень жидкости и объема;
- свет и ИК-излучение;
- химические свойства.
В статье приводятся схемы нормирования, используемые для преобразования и усиления выходных сигналов датчиков. Каждая схема имеет свои достоинства и недостатки, и может использоваться с определенными типами датчиков. Рассмотрим следующие типы датчиков:
- с выходом по напряжению;
- с выходом по току;
- с модуляцией сопротивления;
- с модуляцией емкости;
- с генерацией заряда.
Кроме того, в публикации кратко рассматриваются некоторые дополнительные вопросы, связанные с разработкой цепей нормирования:
- защита входов;
- обнаружение обрывов датчиков;
- фильтрация;
- аналого-цифровое преобразование;
- корректировка результатов измерений.
Приложения датчиков
Для каждого приложения приводится перечень наиболее часто используемых сенсоров. Много полезной информации по данному вопросу можно найти в руководствах OMEGA® Engineering [1, 2].
В данной статье приведены далеко не все типы аналоговых датчиков, их существует гораздо больше, например:
- счетчики времени/частоты [14];
- дальномеры [25];
- измерительные трансформаторы тока [6].
Информация о поведении электрических характеристик различных сенсоров необходима для правильного выбора оптимальной схемы нормирования.
Датчики электрических характеристик
Данная группа сенсоров (таблица 1) необходима для измерения электрических параметров цепи. Эти датчики используются в различных приложениях, например, для мониторинга критически важных характеристик источников питания.
Магнитные датчики
Эти датчики (таблица 2) используются для определения напряженности магнитного поля и/или его направления. Они широко применяются в компасах и системах управления электродвигателями [6].
Датчики температуры
Чаще всего датчики температуры используются по прямому назначению, то есть для измерения температуры. Некоторые распространенные виды датчиков температуры перечислены в таблице 3. Обзор датчиков температуры можно найти в документации [14, 15].
Датчики влажности
Существуют два основных типа датчиков влажности: емкостные и инфракрасные (таблица 4). Датчики влажности очень часто требуют дополнительной компенсации температурной погрешности.
Датчики усилия, веса, крутящего момента и давления
Данная группа датчиков используется для измерения механических усилий или деформации. Наиболее распространенные типы датчиков перечислены в таблице 5.
Датчики движения и вибрации
Некоторые распространенные аналоговые датчики движения и вибрации представлены в таблице 6. Для решения многих задач могут быть использованы интегральные сенсоры.
Датчики потока
Существуют различные способы измерения скорости потока жидкостей и газов. Краткий перечень датчиков, используемых для решения этой задачи, представлен в таблице 7.
Датчики уровня жидкости и объема
В таблице 8 приведены примеры датчиков уровня жидкости. Объем жидкости в баке известного сечения можно определить по ее уровню.
Датчики света и ИК-излучения
Датчики света и ИК-излучения (таблица 9) используются для обнаружения объектов, в том числе в условиях плохой видимости.
Электрохимические датчики
В таблице 10 приводится краткий список электрохимических датчиков, которые применяются для измерения различных химических свойств.
Основные схемы нормирования сигналов
В данном разделе приводятся популярные схемы нормирования, отсортированные по типам выходных сигналов датчиков. Для каждого типа датчиков предлагаются одна или несколько схем нормирования. Для каждой схемы перечислены достоинства и особенности применения.
Датчики с выходом по напряжению
В данном разделе рассматриваются схемы нормирования выходного напряжения аналоговых датчиков.
Неинвертирующий усилитель
На рисунке 1 показан неинвертирующий усилитель на базе ОУ. Он обеспечивает высокое сопротивление на входе VSEN. На выходе VOUT формируется усиленный неинвертированный сигнал VSEN.
Преимущества схемы:
- высокий входной импеданс;
- малый входной ток смещения (особенно в случае с ОУ с КМОП-входами);
- неинвертирующая схема;
- простота.
Недостатки схемы:
- ограниченный диапазон входных напряжений;
- искажение сигнала входным каскадом;
- усиление входных синфазных шумов.
Примеры используемых датчиков:
- термопары;
- термогенераторы;
- пьезоэлектрические пленочные сенсоры.
Буфер для высокоимпедансных датчиков с выходом по напряжению
Для нормирования сигналов напряжения датчиков с высоким импедансом требуются ОУ со входами на полевых транзисторах, например, ОУ с КМОП-входами (рисунок 2). При комнатных температурах входные полевые транзисторы обеспечивают очень высокое входное сопротивление и очень малый ток смещения. При высоких температурах ток увеличивается, в том числе из-за встроенных защитных ESD-диодов. Операционный усилитель в данном случае подключен по неинвертирующей схеме.
Преимущества схемы:
- очень высокий входной импеданс;
- очень низкий входной ток смещения;
- неинвертирующая схема;
- простота.
Особенности:
- ограниченный диапазон входных напряжений;
- искажение сигнала входным каскадом;
- усиление входных синфазных шумов.
Примеры используемых датчиков:
- датчики pH.
Сопротивление датчиков pH (pH-электродов) зависит от температуры и может быть очень высоким.
Инвертирующий усилитель
На рисунке 3 представлен инвертирующий усилитель на ОУ. Входное сопротивление такого усилителя определяется сопротивлением резистора R1 (вход VSEN). Напряжение на выходе VOUT повторяет усиленный и инвертированный входной сигнал VSEN.
Преимущества схемы:
- резистивная развязка с источником сигнала;
- возможность работы с широким диапазоном входных напряжений;
- в идеале отсутствует искажение входного сигнала;
- простота.
Недостатки схемы:
- дополнительная нагрузка для источника сигнала;
- инвертирующая схема (т.е. устаревший подход – прим. ред.);
- усиление входных синфазных шумов.
Примеры используемых датчиков:
- термогенераторы;
- датчики напряжения верхнего плеча (VDD).
Дифференциальный усилитель
На рисунке 4 представлен дифференциальный усилитель на ОУ. Входное сопротивление каждого входа (VSEN+ и VSEN–) определяется сопротивлением резисторов R1. Схема позволяет получать выходной сигнал, равный усиленной разнице входных напряжений (VSEN+ – VSEN–).
Преимущества схемы:
- резистивная развязка с источником сигнала;
- возможность работы с широким диапазоном входных напряжений;
- подавление синфазного шума. Хорошее решение для нормирования сигналов удаленных датчиков;
- простота.
Недостатки схемы:
- дополнительная нагрузка для источника сигнала;
- искажение сигнала входным каскадом.
Примеры используемых датчиков:
- удаленные термопары;
- измерительные мосты.
Инструментальный усилитель
На рисунке 5 изображен инструментальный усилитель, предназначенный для нормирования сигналов удаленных датчиков. Входные резисторы позволяют обеспечить развязку и обнаружение обрывов датчиков. Данная схема усиливает разницу входных напряжений (VSEN+ – VSEN–) и подавляет синфазный шум.
Преимущества схемы:
- подавление синфазного шума. хорошее решение для нормирования сигналов удаленных датчиков;
- резистивная развязка с источником сигнала;
- возможность обнаружения обрывов датчика;
Недостатки схемы:
- дополнительная нагрузка для источника сигнала;
- стоимость.
Примеры используемых датчиков:
- удаленные термопары;
- удаленные резистивные датчики температуры (RTD). При работе с такими датчиками потребуется источник тока или делитель напряжения, для преобразования сопротивления в напряжение;
- измерительные мосты;
- тензометрические датчики;
- датчики давления.
Усилитель с программируемым коэффициентом усиления
На рисунке 6 представлен усилитель с программируемым коэффициентом усиления (Programmable Gain Amplifier, PGA). Такие усилители необходимы для обеспечения широкого динамического диапазона, например, при работе с нелинейными датчиками, в частности – с термисторами [16]. PGA также позволяют одной и той же схеме нормирования работать с различными сенсорами. На схеме, изображенной на рисунке 6, используется усилитель MCP6S22, коэффициент усиления которого программируется с помощью SPI-интерфейса.
Преимущества схемы:
- возможность работы с различными датчиками;
- КМОП-входы обеспечивают высокий входной импеданс усилителя и малый входной ток смещения;
- управление усилением по SPI;
- возможность работы с нелинейными датчиками.
Особенности схемы:
- искажение сигнала входным каскадом;
- усиление синфазных шумов;
- необходимость использования микроконтроллера для управления ОУ.
Примеры используемых датчиков:
- термисторы (требуют делителя напряжения для преобразования сопротивления в напряжение);
- термогенераторы;
- пьезоэлектрические пленочные сенсоры.
Датчики с токовым выходом
В данном разделе рассматриваются схемы нормирования для датчиков с выходом по току.
Резистивный датчик тока
На рисунке 7 представлена схема, которая позволяет измерять выходной ток датчика с помощью шунтового резистора R1. Резистор R1 необходим для преобразования выходного тока датчика (ISEN) в напряжение [6]. Полученное входное напряжение усиливается дифференциальным усилителем, при этом происходит подавление синфазных шумов.
Преимущества схемы:
- хорошее подавление синфазных шумов;
- резистивная развязка с источником сигнала;
- широкий диапазон входных напряжений.
Недостатки схемы:
- дополнительная нагрузка для источника сигнала;
- искажение сигнала входным каскадом;
Примеры используемых датчиков:
- датчики тока верхнего плеча (VDD);
- датчики тока в сетях переменного напряжения.
Трансимпедансный усилитель (преобразователь «ток/напряжение»)
На рисунке 8 представлен трансимпедансный усилитель, в котором выходной ток датчика (ISEN) преобразуется в напряжение с помощью резистора R1 и усиливается с помощью ОУ. Конденсатор C1 необходим для обеспечения стабильности усилителя при работе с датчиками, обладающими большой собственной емкостью [5].
Преимущества схемы:
- хорошая буферизация источника сигнала;
- простота.
Особенности схемы:
- необходимость использования дополнительных цепей частотной коррекции операционного усилителя.
Примеры используемых датчиков:
- ИК-датчики задымления;
- фотодиоды;
- фотодетекторы.
Логарифмический усилитель (LOG AMP)
На рисунке 9 представлен логарифмический усилитель, главными элементами которого являются операционный усилитель и диод D1A. Диод необходим для преобразования выходного тока датчика (ISEN) в напряжение, пропорциональное логарифму тока. Резистор R1 обеспечивает отрицательную обратную связь при малых или отрицательных значениях тока ISEN. Диод D1B используется для компенсации температурной зависимости D1A.
Если входной ток может протекать в двух направлениях, то в схему необходимо добавить еще один диод, включенный параллельно D1A, но в противоположном направлении.
Преимущества схемы:
- широкий динамический диапазон входных токов;
- хорошая буферизация источника сигнала;
- простота реализации.
Особенности схемы:
- необходима компенсация температурной зависимости.
Примеры используемых датчиков:
- фотодиоды.
Резистивные датчики
Датчики, рассматриваемые в этом разделе, изменяют свое сопротивление при изменении параметров окружающей среды. Существует четыре основных способа измерения сопротивления:
- преобразование «сопротивление/напряжение»;
- преобразование «сопротивление/ток»;
- измерение сопротивления с помощью RC-цепочки (измерение постоянной времени);
- измерение частоты колебаний мультивибраторов.
Преобразователь «сопротивление/напряжение»
Первый способ измерения сопротивления заключается в использовании преобразователей «сопротивление/напряжение».
Делитель напряжения
На рисунке 10 представлен простейший делитель напряжения, образованный резистором R1 и датчиком (RSEN). Делитель напряжения позволяет преобразовать сопротивление датчика в напряжение. Операционный усилитель буферизирует напряжение для дальнейшей оцифровки и обработки методами ЦОС. Данный подход подробно описывается в материалах AN867 и AN897 [21, 16].
Преимущества схемы:
- простота;
- ратиометрический выход (если АЦП использует в качестве ИОН тот же источник VDD, что и для питания резистивного делителя);
- обнаружение обрывов датчика.
Недостатки схемы:
- плохое подавление синфазных помех;
- нелинейная связь между сопротивлением датчика и выходным напряжением.
Примеры используемых датчиков:
- термисторы;
- RTD;
- магниторезистивные сенсоры.
Дополнительные функции цепей нормирования
В этом разделе рассматриваются некоторые распространенные вопросы и проблемы, возникающие при создании цепей нормирования для сигналов датчиков.
Защита входов
Входы датчика должны быть защищены от электростатического разряда (ESD), перенапряжения и перегрузки по току, особенно если они удалены от цепей нормирования кондиционирования. Подробнее эти вопросы рассматриваются в документации AN929 [14].
Обнаружение обрыва датчиков
В данной статье были предложены схемы, которые позволяют обнаруживать обрывы датчиков. Некоторую дополнительную информацию по этому вопросу можно найти в материале AN929 [14].
Фильтрация
Все схемы, представленные в данной статье, нуждаются в выходных фильтрах [3]. Аналоговые фильтры используются для повышения эффективности работы АЦП. При правильном проектировании фильтры предотвращают возникновение алиасинга и позволяют снизить частоту дискретизации, что обеспечивает снижение потребления и загруженность микроконтроллера. Для большинства приложений будет достаточно простейшего RC-фильтра. Для более сложных случаев могут потребоваться активные фильтры.
Программа FilterLab® от Microchip Technology Inc. [26] – это инновационный инструмент, упрощающий расчет аналоговых активных фильтров на базе операционных усилителей. Программа доступна для бесплатного скачивания с веб-сайта Microchip. FilterLab позволяет генерировать полную принципиальную схему фильтра с указанием номиналов и наименований компонентов. Он также позволяет экспортировать схему фильтра в формат SPICE.
При необходимости дополнительная фильтрация может быть выполнена методами ЦОС. Например, даже простейшее усреднение результатов обычно дает хороший эффект.
Аналого-цифровое преобразование
Нормированные сигналы с датчика оцифровываются с помощью АЦП. Для многих схем, рассмотренных в данном руководстве, было указано, что для получения ратиометрических измерений, не зависящих от колебаний питания, необходимо, чтобы АЦП использовал в качестве ИОН то же источник (VDD), что и для питания датчика. В таком случае изменения VDD будут компенсироваться на АЦП. Однако для многих схем будет достаточно и обычных ИОН, не привязанных к VDD.
Корректировка результатов
Погрешности датчиков можно компенсировать с помощью калибровки. Калибровка может быть выполнена как с помощью аппаратных средств, например, с помощью потенциометров, так и с помощью программных алгоритмов, например, при записи калибровочных данных в энергонезависимую память.
Кроме того, для выполнения точных измерений может потребоваться компенсация влияния других параметров окружающей среды. Например, емкостный датчик влажности может нуждаться в компенсации температурной зависимости. Эту задачу проще всего решить с помощью встраиваемого программного обеспечения, но можно также использовать и аппаратную подстройку.
Нелинейные датчики нуждаются в особой коррекции. Для этого часто используют полиномы или другие математические функции. Для получения точных результатов можно использовать и табличные значения. Подробнее об этом вопросе рассказывается в документации AN942 [27].
Заключение
Данный материал призван помочь разработчикам при выборе подходящих схем нормирования для наиболее популярных типов аналоговых датчиков и содержит их обзор. Для каждого типа датчиков предложены различные варианты реализации схем нормирования. В заключительном разделе были кратко рассмотрены общие вопросы, связанные с защитой входов, фильтрацией и корректировкой результатов измерений.
Источник: https://www.compel.ru/lib/134845
⭐⭐⭐Уважаемые подписчики, напоминаем о доступных Вам полезных ресурсах:
📚Обучающие курсы по основам АСУ ТП и Siemens, а также техническая литература доступны по ссылке https://vk.com/im?sel=-68679613 , напишите Начать для получения всей информации
👔 Если вы руководитель или хотите им стать, то подписывайтесь на канал эксперта по управлению инженерными отделами/компаниями https://t.me/best_asutp или https://vk.com/kushneruk_pro
💰 Поиск исполнителей под проекты на фрилансе, а так же поиск подработки для специалистов https://t.me/FL_ASUTP. Запросы писать на номер +7(917)791-09-71
🗞Новостной Telegram канал про АСУ ТП с полезной и интересной информацией каждый день https://t.me/asutp_best
💻Купить/продать оборудование для промышленной автоматизации вы можете в Telegram канале https://t.me/asutp_device
🧑💻Размещение вакансий и поиск работы для технических специалистов в канале https://t.me/p4b_su
❓Задать вопросы экспертам по программированию, проектированию, наладке можете в чате https://vk.me/join//2DyaKi39PPIYexEw0hc3spA0It8YV6h69Y=
По всем вопросам обращайтесь к нашему администратору https://vk.com/p4b_s