FIZIČKO TEHNIČKA MERENJA: ELEKTRIČNA KOLA NEOPHODNA...

FIZIČKO-TEHNIČKA MERENJA: ELEKTRIČNA KOLA NEOPHODNA ZA RAD SENZORA,

ŠUM U SENZORIMA I KOLIMA

FIZIČKO-TEHNIČKA MERENJA 2013, Marko Barjaktarović

UVOD

• Signal koji generiše senzor je ili suviše slab ( ~ μV) ili sadrži šum ili sadrži neželjene

komponente (DC nivo) ili nije u odgovarajućoj formi koju zahteva sistem za

akviziciju (acquisition – ACQ), ili poseduje više navedenih karakteristika.

• Potrebno je prilagoditi signal ACQ sistemu – signal conditioning.

• Signal conditioning circuit ili Interface circuit (IC).

• Ulazna impedansa – jedna od najvažnijih karakteristika IC.

• Za određivanje amplitudsko-frekvencijske karakteristike neophodno je uzeti u obzir i

izlazne karakteristike senzora.

1

RZ

j RC

0 1

0

00

1

max

sin 2 ,

sin 2 ,

1 /

1

2

(1 %) 7

out

in

c

c

c

E E ft Z R

V V ft

EV

f f

Rf

R R RC

f f


UVOD

• Detaljnije ekvivalentno kolo ulaznog dela IC:

– eo – offset voltage – DC komponenta na ulazu

koja postoji i kada je izlaz senzora 0.

– io – bias current – struja koju generiše IC.

Veoma nepoželjna kod senzora sa visokom

izlaznom impedansom ili IC sa visokom

ulaznom impedansom, jer može stvoriti

visok napon na ulazu IC-a, npr. za

piezoelektrični senzor 1 GΩ x 1 nA = 1 V.

– en i in – napon i struja šuma.

• Pojačavači – većina pasivnih senzora proizvodi slab signal reda μV i pA, a za obradu

su neophodni signali reda V i mA.

• Pojačavači, osim povećanja nivo izlaznog signala senzora koriste se i za

prilagođavanje impedanse, povećanje SNR-a, filtriranje signala i razdvajanje izlaza i

ulaza.


OPERACIONI POJAČAVAČI

• Osobine operacionih pojačavača (OP):

– visoka ulazna impedansa – MΩ ili GΩ,

– mala izlazna impedansa – reda Ω,

– zanemaljiv eo (μV) i io (pA),

– veliko pojačanje AOL (open loop gain) 104 – 106,

– veliki CMRR (common mode rejection ratio) 60 – 120 dB,

– mali unutrašnji šum,

– širok frekvencijski opseg,

– neosetljivost na varijaciju napona napajanja,

– dugotrajna stabilnost karakteristika, itd.


OPERACIONI POJAČAVAČI

• Operacioni pojačavači se retko koriste u open loop konfiguraciji zbog nestabilnosti, odnosno za malu vrednost ulaznog napona izlaz OP-a ulazi u zasićenje, a zbog velikog AOL (105) drift od 10 μV izaziva varijaciju izlaznog napona od 1 V.

• Slew rate – brzina kojom OP može da isprati naglu promenu ulaza (do 500 mV/μs).

• Gain–bandwidth product (GBW) frekvencija f1 na kojoj je pojačanje OP jednako 1.

• Pojačenje OP-a se redukuje povratnom spregom (negativnom), dok se propusni opseg povećava.

• Neinvertujući pojačavač: A = 1 + R2/R1. Frekvencijski opseg je A puta povećan u odnosu na open loop gain. Limitirajući faktor svakog OP-a je f1, i poželjno je da f1 bude bar 100 puta veći od propusnog opsega primene posmatranog pojačava.

• Kod realnih OP-a javlja se naponski ofset (eo) i polarizaciona struja (ib) o čemu se mora voditi računa, jer se na izlazu javlja napon: Vout = A(eo + Rekvio), koji se mora kompenzovati, Rekv – ekvivalentna ulazna otpornost.


KOLA SA OPERACIONIM POJAČAVAČIMA

• Voltage follower – omogućava konverziju visoke impedanse na nisku. Pojačanje je

blisko jedan. Omogućava razdvajanje senzora sa ostatkom IC.

• Diferencijalni pojačavač: A = R2/R1.

• Instrumentacioni pojačavač:

– za pojačavanje izlaznog signala

niskog naponskog nivoa (μV),

– pojačanje se podešava sa Ra,

– sa Ra 0.1 % CMRR preko 60 dB.

3

2

21

a

RRA

R R



• Strujno-naposki konvertor (transimpedansni pojačavač).

outV iR

• Naponsko-strujni konvertor.

2

1 3

2 4 1 3 5uz uslov

out in

Ri v

R R

R R R R R



• Strujni pojačavač.

• Pojačavač naelektrisanja – poseban tip OP-a sa malom ib. Koristi se kada je potrebno

generisati veoma nizak izlazni signal sa senzora (pC) u adekvatan naponski nivo

(piezoelektrični i piroelektrični pretvarači, kvantni detektori, kapacitivni senzori, itd).

1 3

2 4

3 5 2 4 6uz uslov

out in

R Ri i

R R

R R R R R

out

QV

C

• Parazitna otpornost kondenzatora r mora

biti značajno veća od impedanse

kondenzatora na niskim učestanostima.

• Pojačanje reda 1V/pC.

• Rase and fall time reda 5 ns.


POBUDNA (AKTIVACIONA KOLA)

• Aktivni senzori zahtevaju spoljašnju energiju za ispravan rad:

– termistori i RTD,

– senzori pritiska (piezoelektrični, kapacitivni,...),

– senzori pomeraja (elektromagnetni, optički,...), itd.

• Energija se senzoru može preneti u različitim oblicima:

– konstantan napon,

– konstantna struja,

– impulsna struja,

– svetlost,

– radiaktivno zračenje, itd.

• Neophodno je da aktivacioni signal ima zadovoljavajuću tačnost i stabilnost. U

suprotnom izlazni napon može varirati iako je merna veličina konstantna.


STRUJNI GENERATORI

• Karakteristike:

– što veća izlazna otpornost kako otpornost senzora ne bi dovela do promene

nominalne struje,

– voltage compliance – maksimalni napon koje se može generisati na ulazu senzora, a

da se ne promeni struja strujnog generatora.

• Tipovi unipolarnih strujnih generatora – sink (struja teče u strujni generator) i source

(struja teče iz strujnog generator).

• Strujna ogledala – sa i bez multiplikacije.


STRUJNI GENERATORI

• Bipolarni strujni generatori – senzor se vezuje u kolo povratne sprege.

• Kada je potrebna mala struja mogu se

koristiti integrisane naponske reference.

2.5 Vout

S

iR


NAPONSKE REFERENCE

• Elektronska kola koja na izlazu daju konstantan napon i koji se neznatno menja sa

varijacijom napona napajana reference, varijacijom temperature, starenja, itd.

• Za aplikacije kod kojih je cena komponentni limitirajući faktor koristi se Zener dioda.

strujno-naponska karakteristika Zener diode

• Zener dioda se inverzno polariše. Veoma

mala struja curenja za napone manje od VZ.

• Kada se inverzni napon približi VZ struja

naglo raste, što može rezultovati

pregrevanjem i destrukciom Zener diode.

• U cilju ograničavanja strujne kroz Zener

diode, redno se vezuje PTC termistor.

Zener diode kao naponska referenca


NAPONSKE REFERENCE

• VZ opada sa porastom temperature.

• Tempreraturna kompenzacija promene izlaznog napona – kod direktno polarisane

diode napon opada sa porastom termperature.

• Najčešće integrisane naponske reference: 1.25, 2.5, 4.096, 5 i 10 V.


OSCILATORI

• Bazirani su na pozitivnoj povratnoj sprezi.

• Square-wave oscilatori:

– sa logičnim kolima,

– sa operacionim pojačavačima.

1

4 ln 2f

RC

1

1 2

4 1 3

1 ||ln 1

R Rf

R C R


OSCILATORI

• Sinusni oscilatori – sa RC ili LC kolom.

• Wien – ov oscilator. Potrebno pojačanje je 3. Automatska regulacija pojačanja.

• LC oscilator.

1

2f

RC


VITSTONOV MOST

• Vitstonov most (Wheastone) – veoma popularno kolo u mernoj tehnici, jer je izlazni

signal direktno srazmeran promeni impedanse jedne od grana mosta.

• Izlazni napon mosta:

31

1 2 3 4

out REF

ZZV V

Z Z Z Z

• Osetljivost mosta u funkciji pojedinačnih impedansi:

2 12 2

1 21 2 1 2

342 2

3 43 4 3 4

,

,

out outREF REF

out outREF REF

V VZ ZV V

Z ZZ Z Z Z

V V ZZV V

Z ZZ Z Z Z

• Ukupna osetljivost mosta u funkciji promena impedansi:

3 41 2 4 42 1

2 2

1 2 3 4

out

REF

V Z ZZ Z Z ZZ Z

V Z Z Z Z


VITSTONOV MOST

• Samo susedne impedanse mosta moraju da budu iste da bi se postigla temperaturna

kompenzacija. To je slučaj kada se koriste merne trake.

• Otpornik R1 za “nulovanje” mosta.

• Međutim, u praksi su česti slučajevi kada se samo jedna impedansa koristi za

merenje: 1

1

, nominalne impedanse svih grana mosta su jednake4

out

REF

V Z

V Z

• instrumentacioni pojačavač

• Vitstonov most se koristi za kola sa mernim trakama, piezorezistivnim pretvaračima

pritiska, termistorima, kapacitivnim pretvaračima, itd.


VITSTONOV MOST

• Merenje promene otpornosti pomoću Vitstonovog mosta:

– neuravnotežen most – najčešća konfiguracija, izlazni napon mosta je nelinerna

funkcija Δ. Za Δ < 0.05 može se koristiti linearna zavisnost.

– uravnotežen most – npr. R3 i RV fotootpornici. Promena merne veličine dovodi do

promene RV → menja se i izlazni napon mosta, pojačavačem i kontrolnim kolom

se reguliše intenzitet LED koja menja R3 i vraća most u ravnotežu. Izlazni signal je

napon/struja kojom se napaja LED.

– uravnotežen most – realizacija pomoću strujnog generatora I. Inicialno most je

uravnotežen: R1R4 = R3(R2 + R5). Strujom I promena izlaznog napona usled

promene otpornosti R2 za δR2 se kompenzuje: δR2 = I(R3R5/E) . Bolja linearnost.


TEMPERATURNA KOMPENZACIJA VITSTONOVOG MOSTA

• U slučaju kada se u mostu koristi sam jedan otpronik za merenje neke fizičke veličine,

dok su ostale 3 fiksna (odnosno nakon “nulovanja” mosta se ne menjaju), potrebno je

kompenzovati promenu mernog otpornika sa temperaturom (osim ukoliko se most

ne koristi za merenje temperature).

• Nekoliko rešenja:

– pomoću NTC otprornika (uobičajeno je da je temperaturni koeficijent mernog

otpornika pozitivan).

– temperaturno kontrolisanog naponskog izvora (dioda ili tranzistori),

– strujnog generatora.


PRENOS ANALOGNOG SIGNALA NA DALJINU

• Dvožilno - Prenos pomoću strujnog signala – struja ne zavisi od otpornosti žica

(dužine). Standard 4 – 20 mA. Senzor se napaja pomoću strujne petlje. Moguća

indikacija i prekida veze.

• Četvorožilno – kada je potrebno meriti malu otpornost. Strujni generator ima veliku

izlaznu otpornost, i0 = const. Takođe, i voltmetar ima veliku ulaznu otpornost, struja

kroz priključke = 0.

0x xV R i


PRENOS ANALOGNOG SIGNALA NA DALJINU

• Šestožilno – kada se u merenju koristi Vitstonov most, a neophodna je temperaturna

kompenzacija. Otpornost dugih žica može biti prevelika u odnosu na otpornost

mosta, što izaziva variranje napona napajanja mosta sa promenom temperature. Još

jednim parom žica, neprekidno se prati napon napajanja mosta.

• Trožilno – jeftinije rešenje povezivanja udaljenog otpronika u Vitstonov most. Kroz

žicu C ne teče struja.


DIGITALNO ANALOGNI KONVERTORI (DAC)

• Konvertuju digitalni broj (bn-1bn-2...b2b1b0) u kontinualni napon.

• Najčešće se koriste za upravljanje aktuatorima.

• Izlazni napon DAC: Vout = Vref(bn-12n-1 + bn-22

n-2 + ... + b222 + b12

1 + b020)/2n.

• DAC sa R-2R mrežom. Može i sa strujnim ogledalima.

generisanje sinusoide pomoću DAC, na izlaz RC filtar


ODABIRANJE SIGNALA

12 2 /

0( ) ( ) ( ) ( )

Nj ft j ki N

iF f f t e dt F k f i e

arg( ( ))( ) ( ) j F kF k F k e • gde je |F(k)| amplituda, a arg(F(k)) faza FT.

• Fourier-ova transformacija (FT) – predstavljanje signala sumom sinusoida.


ODABIRANJE SIGNALA

• FT - Nemogućnost kompaktnog predstavljanja naglih promena u signalu –

Gibbs-ov efekat.


ODABIRANJE SIGNALA

• Odabiranje signala replicira spektar signala.


ODABIRANJE SIGNALA

• Nyquist-ov kriterijum – frekvencija odabiranja mora biti bar dva puta veća

od najveće frekvencije u signalu.


ODABIRANJE SIGNALA

• Aliasing – preslikavanje komponente signala sa frekvencije fs/2 + Δf na frekvenciju

fs/2 - Δf.

• Rešenje – pre odabiranja neophodno je iz signala eliminisati sve frekvencijske

komponente veće od fs/2 → antialiasing filtar.


KVANTIZACIJA ODBIRAKA

• Greška kvantizacije.

3 bita 5 bita

256 nivoa 8 nivoa 4 nivoa 2 nivoa


KVANTIZACIJA ODBIRAKA

• Prevođenje signala iz analognog u digitalni oblik.


ANALOGNO DIGITALNI KONVERTORI (ADC)

• U najvećem broju slučajeva, izlazni signal senzora je kontinualan.

• Nakon kondicioniranja, potrebno ga je prevesti u binarni broj kako bi se mogla vršiti

dalja obrada (mikrokontroler, PLC, računar) i odlučivanje.

• Broj bita određuje rezoluciju, ali i cenu konverzije.

• Većem broju bita odgovara i veća tačnost: 8 bita 0.4 %, 10 bita 0.1 %, 12 bita 0.025 %.

• Takođe, i brzina konverzije određuje cenu.

• Najbrži, ali i najskuplji flash konvertori. Međutim, retko se koriste u merenjima

neelektričnih veličina, jer su u pitanju sporije promene. Za flash ADC do 10 GSPS

(Giga-Samples Per Second).



• ADC sa suksecivnim aproksimacijama.

• Do 1 MSPS, do 16 bita, svaki bit se testira počev od MSB, svaka konverzija isto traje.

• Ulazni napon se ne sme menjati u toku konverzije – S&H (sample and hold)kolo.



• V/F konvertori (naponsko-frekvencijski) – precizni, otporni na šum jer se vrši

intergracija ulaznog napona, odnosno frekvencija je srazmerna srednjoj vrednosti

napona u toku trajanja konverzije.

• Na bazi multibratora.

• Struje ia i ib nisu jednake i zavise od Vin.

• Pola periode se kondenzator puni, a pola periode prazni. Međutim, brzina punjenja i

pražnjenja zavisi od stuja ia i ib, što određuje i frekvenciju.

• Pogodnije je za prenos na daljinu. Na kontinualni naponski signal se superponira

šum.



• Charge-balance AD konvertor.

• Mogu generisati frekvencije do 1 MHz.

• Frekvencija one-shot impulsa je srazmerna vrednosti signala.

• Sastoje se od integracione i reset faze.

• Neosetljiv na šuma, jer integracija računa srednju vrednost.



• Integraciona faza:

– kondenzator se prazni strujom Iin = Vin/ Rin,

– kada izlazni napon na operacionom pojačavaču

padne na –0.6 V generiše se kratkotrajni impuls i

prekidač se prebacuje u levi položaj,

– napon ΔV zavisi od ulaznog napona Vin.

• Reset faza:

– kondenzator se puni strujom i – Iin u toku vremena

koje je unapred određeno tos.

– nakon tos prekidač se vraća u desni položaj i ponovo

počine integraciona faza.

1 1

1 1

1

1 1

inin in in

in

inin in os

os in

inos os os

in in

in

os in os

VV VI C C

T R T

i IVi I C V t

t C

i I iT t T t t

I I

f VT t R it



• AD konvertor sa dvostrukim nagibom (dual slope):

– sporiji od drugih tipova ADC,

– jednostavan za realizaciju,

– odlikuje ga niska cena, a dobra preciznost,

– imun na šum, jer se vrši integracija ulaznog signala (srednja vrednost šuma = 0),

– koristi se kada se ne zahteva velika brzina konverzije, za 12 bita oko 20 ms.



• Obično se predpostavlja da je Vin > 0, ako to nije slučaj dodaje se još jedan invertor.

• Signalom START počinje konverzija i kondenzator se puni naponom –Vin tačno

definisano vreme T. Izlazni napon iznosi:

0

1, gde je srednja vrednost ulaznog napona.

T

in in in

in in in in

TV V dt V V

R C R C

• Nakon T prekidač se prebacuje na VREF i kondenzator se prazni do 0. Vreme

pražnjenja: 1REF

in in in

Vt

V R C

• U toku vremenskog intervala Δt u

brojaču se akumulira vrednost koja

odgovara ulaznom naponu.

• Kondenzator se pre početka nove

konverzije kratko spaja, a zatim signal

START ponovo započinje ciklus.



• Proširivanje rezolucije ADC.

• Dat je ADC sa 8 bita, a potrebno 12. Proširivanje rezolucije se koristi kada brzina

konverzije nije kritiča. Za ADC sa 8 bita i opseg 5 V, LSB = 19.6 mV.

D in cV V V A

• Za A = 255 i VD,max = 19.6 mV rezolucija LSB ≈ 77 μV, kao ADC od 16 bita. Realno je

max 12 bita.


SIGMA - DELTA (ΣΔ) AD KONVERTOR

• Koristi se za konverziju sporo promenljivih signala (KSPS).

• Visoka rezolucija – i preko 20 bita.

• Odličan SNR – dobro potiskuje šum – za signal predstavlja lowpass filtar, a za šum

highpass filtar, izlaz se zatim filtrira i dobija se odgovarajući digitalni broj. Frekvencija

impulsa na izlazu komparatora je M (64, 128, 256,...) puta veća od frekvencije

odabiranja na izlazu AD konvertora.

• Odlikuje ga nista cena.

• Razlika ulaznog signala i izalaza iz D/A (Δ) se intergrali (Σ). Izlaz integratora se

poredi sa 0 i komparator generiše povorku impulsa koja se vodi na digitalni filtar.


SIGMA - DELTA (ΣΔ) AD KONVERTOR

• Neka je na ulazu pozitivan napon Vin > 0. Kada je Q = 1, kondenzator se prazni

(napon na izlazu OP-a se smanjuje) strujom (V + Vin)/R. Kada je Q = 0 kondenzator se

puni strujom (V – Vin)/R, odnosno broj 0 na izlazu je veći od broja 1, jer duže traje

punjenje od pražnjenja kondenzatora.

• Neka je na ulazu negativan napon Vin < 0. Kada je Q = 1, kondenzator se prazni

(napon na izlazu OP-a se smanjuje) strujom (V – |Vin|)/R. Kada je Q = 0 kondenzator

se puni strujom (V + |Vin|)/R, odnosno broj 1 na izlazu je veći od broja 0.


FILTRI

• Filtri su električna kola kojima se ukalanjaju, odnosno značajno oslabljuju, neželjene

frekvencijske komponente u signalu.

• Analogni filtri – realizuje se pomoću električnih kola, dele se na pasivne (sadže R, L i

C elemente) i aktivne (sadrže operacione pojačavače).

• Digitalni – obrada signala se vrši nakon AD konverzije pomoću mikrokontrolera ili

PC-a.

• Pasivni RC filtri: lowpass prvog i drugog reda.

1

2f

RC

1 2 1 2

1

2f

R R C C


FILTRI

• Pasivni RC filtri: high-pass, band-pass i T-twin rejection filter.


FILTRI

• Aktivni low-pass filtri.

vin vout

R2

R1

C

1/

1/

out

in

v RC

v s RC

1 1

2 1

1/

1/out

in

v R R C

v R s R C

Realna karatkeristika

vin

vout

R

C

anti-aliasing

ispred ADC.


FILTRI

• Aktivni high-pass filtri.

vin

vout

R

C

( 1/ )out

in

v s

v s RC

vin vout

R2

R1

C

1

2 21/out

in

v R s

v R s R C

• Aktivni band-pass filter.

vout

R2

R1

C1

vin

C2

1 1 1

2 1 1 2 2

/

1/ 1/out

in

v R s R C

v R s R C s R C

1

1 1

1

2f

R C 2

2 2

1

2f

R C


FILTRI

• Digitalni filtri - realizuju se pomoću mikrokontrolera ili PC-a.

• Predhodno je potrebno digitalizovati signal pomoću AD konvertora.

• Ulazna serija x(n) pretvara se u izlaznu seriju y(n).

• FIR (Finite Impulse Response): y(n) = ax(n) + bx(n-1) – ne zavisi od predhodnog izlaza.

• IIR (Infinite Impulse Response): y(n) = cx(n) + dy(n-1) – zavisi od predhodnog izlaza.

• Opisuju se Z tranformacijom. z-1 operator pomeranja: z-1x(n) = x(n-1).

• Prednosti: moguće je dizajnirati filtar sa ravnijom karakteristikom u passband-u i

bržim prelazom u stopband. Jednostavna i jeftina rekonfiguracija.

• Mane: sporiji za izvršavanje – veliki broj članova u funkciji prenosa.


Digitalni filtri

• Nakon digitalizacije signala vrši se softversko filtriranje:

– Razdvajanje dva ili više signala,

– Restauracija signala nakon degradacije.


Digitalni filtri

• Informacija može biti sadržana u vremenu – nivo u rezervoaru.

• Informacija može biti sadržana u frekvenciji – broj obrtaja osovine motora.

karakteristike filtra u vremenskom domenu karakteristike filtra u frekvencijskom domenu


Digitalni filtri

• Realizacija high-pass filtra polazeći od low-pass filtra.

spektralna inverzija

vremenska inverzija

vremenski domen frekvencijski domen


Digitalni filtri

• Realizacija band-pass i band-stop filtra korišćenjem high-pass i low-pass filtra.


Digitalni filtri

• Dizajn – Matlab funkcija fdatool.


Digitalni filtri

• Alati za obradu signala:

– Matlab,

– LabVIEW,

– Open source – Scilab, Octave, Sage,...

• Platforme:

– DSP - digital signal processor,

– PC,

– PC sa NVIDIA grafičkom karticom,

– mobilni telefoni sa/bez TEGRA chipset-om,

– ...

OpenCV for Tegra Demo



• Šum – neželjen signal koji izaziva grešku prilikom tumačenja izlaznog signala

senzora. Ne može se potpuno otkloniti, ali se njegov uticaj može značajno umanjiti.

• Postoje dva tipa šuma:

– šum koji nastaje u samom kolu senzora – unutrašnji (inherentni),

– šum koji se sumira na izlazni signal senzora u toku prenosa informacije –

prenosni šum.

• Inherentni šum:

– AD konverzija unosi kvantizacioni šum. Za signal čiji pun opseg 5 V, 10-bitni -

ADC prozivodi šum od ~ 5 mV, dok 16-bitni ADC unosi šum od ~ 77 μV.

Međutim, max. izlazni signal senzora je često mnogo manji od 5 V, → neophodan

pojačavač, unosi se dodatni šum, pa nema smisla koristi 16 bitni ADC, ako je šum

na ulazu ~ 300 μV.

– Termalni (Johnson) šum – posledica neuređenog, termalnog kretanja nosilaca.

Brzina nosilaca pored komponente koja potiče od drifta (primenjenog električnog

polja), sadrži i slučajnu komponentu čija je srednja brzina 0. Efektivna vrednost

napona termalnog šuma na otporniku R iznosi:

2 4ne kTR f


– gde je IDC jednosmerna vrednost struje.

– 1/f šum – javlja se u poluprovodnicima i na spojevima dva različita metala, usled

postojanja nečistoća (trap), nastaju dodatni energetski nivoi, koji zadržavaju

nosioce određeno vreme.

• Kako su svi izvori šuma međusobno nekorelisani, ukupan šum se dobija kao

kvadratni koren sume efektivnih vrednosti svih detektovanih izvora šuma.

– gde je k = 1.38 x 10-23 J/K, Boltzmanova konstanta, T [K] temperatura otpornika i

Δf frekvencijski opseg od interesa. Na sobnoj temperaturi:

Kod velikih otpornosti može predstavljati problem, npr. kod piezoelektričnih

pretvarača R = 50 GΩ i propusnog opsega Δf = 100 Hz, en ≈ 0.3 mV. Smanjenje

termalnog šuma može se postići redukovanjem propusnog opsega.

– sačma šum (shot noise) – najčešće se javlja u poluprovodnicima, kada je prolazak

nosilaca slučajan, odnosno nije moguće tačno utvrditi kada nosilac stiže na

elektrodu. Efektivna vrednost struje sačma šuma iznosi:


2 2sn DCi qI f

0.13 [ ] nV/ Hz.ne R



• Pod prenosnim šumom se podrazumeva ne samo šum koji nastaje usled sprezanja spoljašnjih elektromagnetnih smetnji sa linijom kojom se signal šalje, već i drugi izvori neravilnog rada senzora – npr. gravitacija kod akcelerometara, vibracije kod piroelektričnih senzora, itd.

• AC kablovi mogu biti izvori šuma, visokonaposki – za napajanje većih industrijskih potrošača, visokostrujni – za pokretanje velikih motora.

• Prekidačka napajanja (kHz) – frekventni regulatori za upravljanje motorima.

• RF izvori – radio i TV prenos, mobilni telefoni.



• Načini sprezanja:

– zajednička provodna veza – dva ili više senzora imaju zajedničku liniju kojom se

signal vraća tako da struja iz jednog kola usled otpornosti zajedničko kabla menja

nulti potencijal drugog kola, npr. 10 mA x 1 Ω → 1 °C (termopar).

– Između kabla i izvora šuma postoji kapacitivnost usled čega se indukuje napon na

kablu. Potrebno je smanjiti međusobnu kapacitivnost, npr. udaljiti provodnik od

izvora šuma.

VCC VOUT

Common ground

impedanceother

transducer VOT

Temperature sensor

GND

10 mA

VOUT ~ 10 mV/°C

RL

RS

VS

VN



• Magnetno sprezanje – promenljiva struja u provodniku koji je u blizini indukuje

napon. Korišćenje upredenih parica (twisted pairs) značajno smanjuje magnetno

sprezanje.

RLVS

VN

IN

VS

VN

IN



• Prema načinu na koji utiče na koristan signal šum može biti aditivni ili multiplikativni.

• Aditivni šum ne zavisi od nivoa korisnog signala: Vout = VS + en.

• Multiplikativni šum zavisi od nivoa signala, utiče na funkciju prenosa senzora ili na nelinearne

komponente pridruženih kola, tako da moduliše koristan signal: Vout = [1 + N(t)]VS, gde je N(t)

šum u funkciji vremena.

• Čest način uklanjanja aditivnog šuma je proizvodnja

senzora u paru, pri čemu se samo jedan podvrgava

uticaju fizičke veličine od interesa (diferencijalni metod).

Oba senzora treba da budu postavljeni što bliže jedan

drugom kako bi uticaj aditivnog šuma bio identičan.

• Kvalitet potiskivanja aditivnog šuma opisan je CMRR:

1 0

1 0

0.5s s

CMRRs s



• Multiplikativni šum se može ukloniti principom deljenja. Kao i kod diferencijalne

metode koriste se dva senzora pri čemu se oba podvrgavaju uticaju merne veličine,

ali je intenzitet merne veličine kojom se deluje na referentni pretvarač poznat, s0. Ako

je izlazni napon funkcija merne velične f(s1), tada izlaz iz referentnog senzora iznosi:

0 01V N t f s

• dok izlaz glavnog senzora ima sledeću vrednost:

1 11V N t f s

• Deljenjem predhodno dve jednačine moguće je neutralisati multiplikativni šum i

odrediti mernu veličinu:

11 1

1 1 0

0 0 0

1V Vf s s f f s

V f s V

• Predhodne dve metode ne mogu uklonitu inherentni šum, koji nastaje u samom

senzoru.



• Najčešći način sprezanja signala i šuma je parazitna kapacitivnost, koja uvek postoji.

Npr. posmatra se piroelektrični senzor, čija se impedansa Z može predstaviti

paralelnom vezom kapacitivnosti od 30 pF i otpornosti 50 GΩ. Između kabla i

prolaznika (operatora) javlja se parazitna kapacitvnost CS reda 1 pF i ako se na odeći

javi napon reda 1000 V, a operator se kreće brzinom 1 Hz, na izlazu se može javiti

napon od oko 30 V, što je za red veličina veće od korisnog signala.

• Smanjenje uticaja parazitne kapacitivnosti – electrical shieleding (električno širmovanje

ili oklopljavljanje). Shielding ima dva zadatka:

– Ograničava šum u malom reonu i sprečava uticaj na okolna kola.

– Ako u kolu postoji šum, shielding može sprečiti da šum stigne do osetljivih

komponenti.



• Ako je (za kolo na predhodnom slajdu) CS = 2.5 pF, Z = 10 kΩ, en = 100 mV na

frekvenciji od f = 1.3 MHz Vn = 20 mV. Iako se smatra da se šum na frekvenciji od 1.3

MHz može lako ukloniti, pn spojevi u kolima na koja se povezuje senzori, se ponašaju

kao ispravljači i mogu filtrirati šum i prebaciti na niske frekvencije gde se ne može

razlikovati od signala.

• Impedansa shield-a mora biti nula.

• Struja sa desnoj strani shield-a mora biti nula, jer bi tada struja proticala kroz desni

deo kola i stvarala napon na potrošaču.

• Elektrostatički shield mora biti povezna na referentni napon u kolu. Ako je senzor

uzemljen i shield mora biti uzemljen.



• Ako se koristi shield kabl, mora biti uzemljen na strani izvora signala.

• Ako je shield podeljen na nekoliko segmenata, svi moraju biti međusobno povezani.

• Broj shield kablova mora biti jednak broju signala u sistemu. Shield-ovi se ne povezuju

ukoliko signali ne dele zajednički referentni potencijal. Tada se svi shield kablovi

povezuju na taj referenti potencijal.



• Ukoliko je senzor oklopljnen shield-om i shield kabl koji vodi od njega treba povezati

na shield.

• Shield kabl ne sme biti uzemljen na oba kraja, jer će se tada javiti potencijal između ta

dva kraju, a samim tim i struja kroz shield, koja će indukovati napon u provodniku.



• Bypass kondenzator – smanjuje impedansu linije za

napajanje, koja pri većim frekvencijama dolazi do

izražaja. Pri niskim frekvencija bypass kondenzator

smanjuje uticaj šuma. Koriste se veliki kondenzatori ~

μF. Mora se voditi računa i o njihovim

karakteristikama, jer i oni sadrže parazitne R, L i C.

C

Električno

kolomF

VCC

• Magnetski shield – za razliku od električnog, magnetno polje prolazi kroz provodnik i

mnogo je teže sprečiti uticaj magnetnog polja. Sa porastom debljine oklopa, magnetna

indukcija eksponencijalno opada. U zavisnosti od frekvencije koriste se različiti

materijali.



• Magnetski shield:

– Kao provodnike za prenos struja većeg intenziteta koristiti upredene parice, kako

bi se indukcija koju posmatrana struja stvara svela na minimum.

– Površinu koju opisuju provodnici treba smanjiti kako bi indukovana ems bila

manja (receiver loop).

– Orjenitisati tako provodnik da magnetna idukcija bude paralelna sa ravni koju

opisuju provodnici.

• Mehanički šum – vibracije i efekti ubrzanja su izvori šuma u pretvaračima koji bi

trebali da budu imuni na njih. Npr. iako je akcelerometar predviđen za merenje

ubrzanja u pravcu x ose, ubrzanje u pravcu y ose, na rezonantnoj frekvenciji može

proizvesti izlazni signal značajne amplitude. U zavisnosti od konstrukcije pretvarača,

oba tipa šuma (multiplikativni i aditivni) se mogu javiti.



• Ground loop – struja kojom se napaja pojačavač stvara

napon između tačaka a i b što rezultuje greškom na

izlazu. Npr, i = 5 mA, Rg = 0.2 , Vg = 1 mV, u slučaju

termopara velika greška. Rešenje – drugačija

konfiguracija referentnog potencijala.

FIZIČKO TEHNIČKA MERENJA: ELEKTRIČNA KOLA NEOPHODNA...

Documents

Transcript of FIZIČKO TEHNIČKA MERENJA: ELEKTRIČNA KOLA NEOPHODNA...