A3M38ZDS Zpracování a digitalizace analogových signálů Doc. Ing. Josef Vedral, CSc Katedra měření, FEL, CVUT v Praze
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti
A3M38ZDS_ 1
1
Zpracování a digitalizace analogových signálů Osnovy přednášek: 1. Operační zesilovače, typy, vlastnosti, teorie zpětné vazby 2. Měřicí zesilovače napětí, proudu, integrační, nábojové, rozdílové, přístrojové zesilovače 3. Zpracování signálů odporových, kapacitních a induktivních snímačů, synchronní detekce 4. Zpracování signálů odporových, termočlánkových a polovodičových snímačů teploty
Literatura: Vedral, J., Fischer, J.: Elektronické obvody pro měřicí techniku, ČVUT, Praha, 2004, ISBN 80-01-02966-2 Ďaďo, S., Vedral, J.: Číslicové měření – přístroje a metody. ČVUT Praha 2006, ISBN80-01-02492-X Dostál, J.: Operační zesilovače, BEN 2005, ISBN 80-7300-049-0 Pallas Areny, R., Webster, J.G.: Sensor and signal conditioning. John Wiley & Sons, 2001, ISBN 0-471-3323-1 Garret, P.H.: Multisensor Instrumentation, John Wiley & Sons, 2002, ISBN 0-471-20506-0
A3M38ZDS_ 1
2
•
Signálové operace
• • • • • • • • • • •
lineární zpracování signálů nelineární zpracování signálů usměrnění střídavých signálů impedanční oddělení potlačení souhlasného rušení galvanická izolace signálů přepínání signálů změna kmitočtového spektra potlačení sériového rušení vzorkování, kvantování, kódování rekonstrukce signálu
Obvody zesilovače napětí, proudu log., exp. zesilovače, násobičky převodníky stř., ef., max. hod. elektrometrické zesilovače rozdílové, přístrojové zesilovače izolační zesilovače analogové multiplexery filtrační obvody integrační zesilovače vzorkovací obvody, ADC DAC, syntezátory DDS
A3M38ZDS_ 1
3
Operační zesilovač - statické parametry
+IN
UO
IBP
AD UD UD
AC UC
souhlasné napětí
UC = (UP + UN)/2
ideální operační zesilovač
AP
rozdílové napětí
UD = UP - UN
+UB
Ua = ADUD + ACUC
R0 OUT
AD = Ua/UD rozdílové zesílení
RD
AC = Ua/UC souhlasné zesílení
UP IBN
AN
-IN UN
RCP
Ua -UB
RCN
CMRR
G
U0
vstupní zbytkové napětí
IBN, IBP
vstupní proudy
I0 = IBN – IBP
vstupní zbytkový proud
IB = (IBN + IBP)/2
vstupní klidový proud
dU0/dq
dIb/dq
teplotní drifty
dU0/dt
dIb/dt
časové drifty
dU0/dUB
činitel potlačení souhlasného napětí
dIB/ dUB napájecí drifty
AP AN AD AC 2( AP AN )
U a AD ( U D vstupní rozdílový odpor vstupní souhlasné odpory
UC )
CMRR
RD
U D I0
RCP
UC I BP
RCN
činitel potlačení změn napájecího napětí
PSRR A3M38ZDS_ 1
U OUT / U B U OUT
UB
4
UC I BN
Operační zesilovače - dynamické parametry AD [dB] AD0 100
AD
amplitudová charakteristika
80
1 j
-20 dB/dek
60 G0
AD 0 f f0
AD 0 f 0 fT G0 f m
40 20 0 -20
10 f0
102
103
104 fm
105
10
102
103
104
105
106
stejnosměrné rozdílové zesílení mezní kmitočet (AD0/2) tranzitní kmitočet (AD = 1) mezní kmitočet (G0/2) mezní výkonový kmitočet rychlost přeběhu
f [Hz]
106 fT
fázová charakteristika
[o]
AD0 f0 fT fm fp SR
Zkreslení výstupního napětí
107
0 f [Hz] -45 -90
amplituda výstupního napětí přesahuje dovolený rozkmit výstupu zesilovače malá rychlost přeběhu výstupního napětí
-135
proudová a kapacitní zátěž
-180
ua
ua ( t ) U m sin 2ft
dua/dt = 2fmUm
Um
dua SR 2f pU m dt t
0
-Um
SR fp 2U m T
A3M38ZDS_ 1
ua +Uamax
ideální průběh skutečný průběh t
0
-Uamax
5
Operační zesilovače - šumové parametry četnost výskytu amplitud
Spektrální hustoty šumových veličin
U n2 un V / Hz f
I n2 in f
A /
Hz
normální (Gaussovo) rozložení
Integrální (efektivní) šumové veličiny
u df
Un
In
2 n
UN UN
i df 2 n
3s
s
s
s
0
2s
3s
UNpp = 6Un un[nV/Hz]
in[fA/Hz]
výstřelový šum
104
104
102
102
10
MOS
1 10-1
Bipolar
1
2s
32%
4s
4,6%
6s
0,27%
JFET
JFET
10
pravděpodobnost větších výchylek
Bipolar
103
blikavý šum 1/f
103
Unpp
Typy šumů
MOS
10-2
tepelný šum (Thermal, Johnson Noise)
0 10
100 f1
1k
10k f2
100
1M
f [Hz]
f3
10
100 f1
1k
10k f2
100
1M
f [Hz]
výstřelový šum (Schottky Noise)
f3
blikavý šum 1/f (Flicker Noise) ef. hodnota výstřelového šumu
U n r un fn
praskavý šum (Pop Corn Noise)
ef. hodnota výstřelového a blikavého šumu 1/f U n ( f 3 f1 ) un
f 2 ln
A3M38ZDS_ 1
f3 f 3 f1 f1 6
Typy operačních zesilovačů BiFET (LF356)
Bipolar (741)
+UB
+UB
Io
741(8)
Io
10A
T8 T1
300A
+ IN
T10 + IN T5
D1
Ck2
T12
OUT
D1
R
Ck 30pF
T2
T2
- IN
T6
T1
I3
I1
10A
- IN
I1
OUT
D2 T7
T7
Ck1
T3
T4
T9
D2
T6
T5
T11
-13,8 V T3
T4
I4
I5
I6
-UB
MOS FET (TL271) TLC271
Io
Rail to Rail (OP191)
+UB
+UB
I1
50 A
I0
Rail to Rail
I0
T7
3V - IN
Ck
+ IN
OUT
T2
T1
T2
+ IN
0,6 V T3
- IN T4
- 0,6 V
T6 1,5 V
2I0
25 A 1V
T1
-UB
přímo vázané stupně
OUT
1,5 V T5
T3
T4 0
I0
2I0
I0 -UB
A3M38ZDS_ 1
7
Bipolární operační zesilovače +UB Rc1
ideální zesilovač
Rc2
OUT Ic1 -IN
IB1
T1
Ic2 T2
Un
Ua IB2
G
G Ik
ua = IC RC
rozdílové zesílení
AD = Ua/UD
UT
+IN Up
UD = Up - Un.
k q
S = Ic/UT AD SRC / 2
RCIC 2UT
tepelné napětí 27 oC (300 K) UT = 26 mV
k =1,38.10-23 J/K Boltzmannova konstanta teplota v K
rk -UB
Př.: S = 20 mA/V, RC = 10 k, rk = 100 k
q = 1,59.10-19 C
náboj elektronu.
činitel potlačení souhlasného napětí
AD = 200, AC = 0,1 a CMR = 2000 (60dB)
I C1 ln I S 2 vstupní zbytkové napětí U 0 U BE 1 U BE 2 U T ln I S1 I C2 dU0 U0 teplotní drift vstupního zbytkového napětí d pro U0 = 0 je i d U0/d 0 Př.: ß1 = 100, ß2 = 110, Ik = 20 µA, IB = 100 nA dIB/d = 1nA/K, dI0/d = 100 pA/K, I0 = 10 nA. A3M38ZDS_ 1
CMRR
AD Srk AC
Výhody: nízké zbytkové napětí 1mV až 100V nízký napěťový teplotní drift až 0,1V/K vysoké potlačení CMRR, až 120dB Nevýhody:
Velké vstupní proudy, řádově nA Poměr fp/fT = 2UT/U0 je malý, typ.5.10-3 8
Unipolární operační zesilovače +UB RD1
ideální zesilovač
RD2
OUT ID1 -IN
IG1
ID2
Ua IG2
T1 T2
Un
strmost unipolárního tranzistoru
ua = ID RD
změna výstupního napětí
AD = ua /UD = S RD
rozdílové zesílení
Ac = ua / UC = RD/2rk souhlasné zesílení +IN Up
G
G Ik
S = IC /UGS
CMRR = AD/AC = S rk
činitel potlačení souhlasného napětí
UGS/ = 0
pro ID [mA]
3
rk
ID = IDS (0,66/UP)2
-UB
-55oC 2
Př.: S = 5 mA/V, RD = 10 k, rk = 100 k
+25oC
AD = 50, AC = 0,1 a CMR = 500 (54 dB)
+125oC 1 IDZ
vstupní zbytkové napětí
U0 = 1 mV až 10 mV
teplotní koeficient
U0/= 10 V/K až 1 mV/K
vstupní proudy
IB = 1 pA až 100 pA
teplotní koeficient
IB/= 100 fA/K až 10 pA/K
0 -3
-2
-1
0
UGS [V]
Výhody: nízké vstupní proudy, 10fA až 10pA, vysoké vstupní odpory 1T
Nevýhody: větší zbytkové napětí, větší teplotní drift, větší napěťový šum A3M38ZDS_ 1 9
Operační zesilovače - kmitočtová kompenzace +UB AD , G
105
104
20A T1
D1
T2
-IN
Ck 30pF
+IN
103
korigovaná
OUT
D2
102 10
T7 I1 T3
nekorigovaná
T6
f [Hz]
T5
1 1
T4
10
102
103
104
105
Bm
106 fT
f0 [o]
1k
1
1k
10
102
103
104
105
107
f [Hz]
0
-UB
- 45
Ck
- 90 -135
SDUD UD
IC
RD Ua
Ua
S DU D 2fC k
Fm
-180
AD
SD 2fC k
Ck
fázová bezpečnost Fm
SD 2fT
90o mez aperiodiocity 65o Butterworth. 2. řádu
amplitudová bezpečnost Bm
Př.: pro SD = 20 A/V a fT = 1 MHz je Ck = 33 pF
kmitočtově podkorigované zesilovače stabilní až od určitého zesílení, např. 10 až 100
A3M38ZDS_ 1
10
Operační zesilovače - speciální Kompozitní operační zesilovač C
Z2 U20 AD2
R U1
U2 AD1U1
107
U3 AD 2 (U2 U1 )
106
A
Z1 U3
U10 AD1
A10A20
108
A10
105
U3 AD 2 (1 AD1 ) AD1AD 2 U1
104
102 10 f01
1 1
Modulační operační zesilovač Vstupní zesilovač
Střídavý zesilovač
f02= 1/2RC
A20
103
U30 A20 (U20 A10U10 ) A10A20f01 A20f02 fT
U2
výsledná kmitočtová ch.
10
f02
102 103 104 105 106 107 108 10 9 f [Hz]
Nulovaný operační zesilovač
Výstupní zesilovač UOUT1
+ IN
IN
Cv3
Cv1
OUT
U01 - IN
fs
Cv4
Z1
S1
1 2
Cv2
fT
U02
Z2
UOUT2 S2
fs
1
C1
G
2 C2
OSC G
G
OSC
u(t)
t 0
omezený kmitočtový rozsah
1 fáze zesilování UOUT 1 (1) U01AD1 S1UOUT 2 (1)
teoreticky f0 = fs/2
UOUT 2 (1) (U02 U01) AD 2 S2U0UT 2 (2)
prakticky f0 = fs/100 s(t) t 0
A3M38ZDS_ 1
2 fáze nulování UOUT 2 (2) U02 AD 2 S2UOUT 2 (2)
UOUT 1 (1) U01AD1 S1 U01 U02 AD 2 S2U02 AD 2 /(1 S 2 ) UOUT 1 (1) U01AD1 S1U02 AD 2 0
11
Parametry operačních zesilovačů typ
označení
AD dB
CMRR dB
U0 mV
I0 nA
u nV/Hz
in pA/Hz
fT MHz
SR Vs
technologie
běžné
741
100
70
1
20
13
2
1
0,6
bipolární
LF356
110
100
1
0,05
12
0,01
12
5
BiFET
LF357
106
100
3
0,03
12
0,01
20
50
BiFET
TL272
86
83
1
0,001
25
0,001
2
5
MOS
AD8041
90
74
2
1000
16
0,6
160
160
bipolární
AD8047
62
80
1
1000
5
1
250
1600
bipolární
AD9631
52
90
3
100
7
2,5
320
1300
bipolární
OP177
130
140
0,01
0,3
15
0,1
0,6
0,3
bipolární
OP727
114
110
0,02
0,1
15
0,1
0,7
0,2
bipolární
LT1057
120
100
0,05
0,3
13
0,02
3
8
BiFET
LT1128
140
126
0,04
12
1
1
50
10
bipolární
AD8597
100
120
0,01
0,04
1
4
10
14
bipolární
AD797
126
140
0,02
0,1
1
2
110
20
BiFET
elektrometrické
AD549
120
80
1
0,001
60
0,0002
1
2
BiFET
AD795
120
130
0,5
0,001
10
0,001
1
1
BiFET
nulované
MAX420
140
140
0,001
0,002
85
0,001
1
0,5
MOS
LT1050
127
130
0,001
0,001
150
0,001
3
4
MOS
LT1052
120
120
0,005
0,003
100
0,001
1
4
MOS
rychlé
přesné
nízkošumové
A3M38ZDS_ 1
12
Záporná zpětná vazba - statické vlastnosti Vliv zesílení operačního zesilovače AD
U D U1 K U 2
K
UD
U1
A
K G Gi AD 1 K AD
AD
1 A 1 K A D
U2
A1U2 A1
+
+
-
U3 K
UD
RD
U D I 1 RD
R0
U D U 1 K U1
U2 K
Paralelní proudová záporná zpětná vazba I1
U 2 ADU D
AU D
R0 1 k AD
AD UD
RD
R0
U1
A3M38ZDS_ 1
RIN
Rz
D
RIN U1 / I1 1 K AD RD
ROUT
1 K AD
Sériové vazby - zvyšují vstupní odpor Paralelní vazby - snižují vstupní odpor Napěťové vazby - snižují výstupní odpor Proudové vazby - zvyšují výstupní odpor
A1 A2 U n U1 1 K A1 A2 A1
Sériová záporná napěťová zpětná vazba AD
K AD
Vlastnosti záporných zpětných vazeb:
U 3 ( A1U 2 U n ) A2
U3 A2
-
G Gi
U 2 U 1 K U 3
Un
U2 1 1 AD U1 1 K AD K Skutečné zesílení G
K AD je zesílení rozpojené zpětnovazební smyčky
D
Vliv rušení operačního zesilovače Un U1
Ideální zesílení 1 Gi K
U2
G G
U 2 ADU D
I2 K
U2
RD 1 K AD
ROUT U 2 / I 2 1 K AD R0 13
Záporná zpětná vazba - dynamické vlastnosti - kmitočtová oblast u2(t) amplitudová chyba
AD [dB]
výstupní napětí ideálního zesilovače
U2mi U2m
AD0 100
výstupní napětí skutečného zesilovače
AD
amplitudová charakteristika
80 -20 dB/dek
60 vektorová chyba
t
G0
G
40
0
AD0 1 j
f0
G0 1 j
f fm
fm
fT G0
20
T
f
0 -20 T
U 2 m U 2 mi U 2 mi U 2 m U 2 mi U 2 mi
103
104 fm
105
f [Hz]
106 fT
fázová charakteristika
[ ] 10
102
103
104
105
106
107
0 f [Hz]
G f 1 Gi fm
-45 -90
amplitudová chyba
a
102
o
vektorová chyba
v
10 f0
-135
G 1 f 1 Gi 2 fm
2
fázová chyba T f T fm f/fm = 0,1, a = 0,5%, v = 10%, f = 5,7 %
-180
G Gi
G0
AD 0 K
1 AD 0 K f 1 AD 0 K 1 j 1 AD 0 K K fT 1
1 j
A3M38ZDS_ 1
f K fT
G0
1 1 j
f fm 14
Záporná zpětná vazba - dynamické vlastnosti - časová oblast SR >U2m/m,
ua U a 1 exp(t / )
Tn
ua/U 1 0,9
d
0,1 0
m
0
Doba ustálení
Doba náběhu
u
T n t0 ,9 t0 ,1 2,2 m 0 ,35 / fm
t
1 Tu m ln d
-d %
10
1
0,1
0,01
0,001
0,0001
Tu/m
2,3
4,6
6,9
9,2
11,5
13,5
m 1 / 2f m
A741 Gi = 10, fT = 1 MHz, SR = 1 V/s, U1m = 0,1 V, U2m = 1 V . fm = fT/Gi = 100 kHz, Tn = 0,35/fm = 3,5 s, m = 1/2fm= 1,6 s, fp = SR/2U2m = 80 kHz du2/dt = U2m/m = 0,625 V/s, d = 0,1 %, Tu = 4,8 s.
SR U2m/m, u2
U2i
U2
T0 SRm
T
m
u
U 2i m SR
u22 ( t ) U 2i SR m exp( ( t T 0 ) / m )
U ln SR 2i
m
m
SR m U ) d 2i
A741 Gi = 10, fT = 1 MHz, SR = 1 V/s, U1m = 1 V, U2m = 10 V . t 0
0
TU
fm = fT/Gi = 100 kHz, Tn = 0,35/fm = 3,5 s, m = 1/2fm= 1,6 s, fp = SR/2U2m = 8 kHz du2/dt = U2m/m = 6,25 V/s, d = 0,1 %, Tu = 22,7 s
A3M38ZDS_ 1
15
Záporná zpětná vazba - stabilita Im (A)
KAD
105
Fázová bezpečnost Fm doplněk fáze zesílení rozpojené smyčky KAD do -180o při mezním kmitočtu fC
1 104 - 20 dB/dek
fp, d = 0 sinusovka
103
f=∞
Im (A)
102
F m arg A( jf c ) 180o pro A( jf c ) 1
10 - 40 dB/dek
log f
0 (fp, d) ∞ tlumené oscilace
1 10
1
3
2
10
5
4
6
10 fP
10 fC
10 f1
10
103
104
105
106
fp, d = ∞ exponenciála
f1/fp = 1/4d2
AD
[o] 10
1
102
0
G Gi
- 90
Fm
- 180
f1/fP
Fm (o)
MR(dB)
YP
d
10
84
0
0
1,7
5
79
0
0
1,2
2
63
0
0,05
0,7
1
45
2,3
0,23
0,42
0,5
27
5,7
0,42
0,27
0,2
11
15,2
0,76
0,09
0,1
6
21,2
0,87
0,04
AD 1 AD
poměrné tlumení
1 2d 1 d 2
d YP exp 1 d2
A3M38ZDS_ 1
) P
kmitočet netlumených kmitů
1 P 2 n
MR
j (1 j
Gi Gi 2 2 j jd 1 1 2 j n 1P n n
n 1P d
1
poměrné převýšení ampl. charakt.
poměrný překmit časové odezvy 16
Záporná zpětná vazba - šum Ekvivalentní šumová šířka pásma ENBW (Equivalent Noise Bandwidth) šířka pásma ideální dolní propusti, která propouští stejný výkon bílého šumu jako daný obvod dolní propust 1. řádu G0 G 2 1 f / fm G
řád filtru
1
2
3
4
6
8
ENBW
1,57
1,22
1,16
1,13
1,1
1,09
3dB
G0
Šumové číslo (Noise Figure)
1 ENBW G ( f ) df fm G0 0 2
-20 dB/dek
0
fm
ENBW
SNRIN SNROUT
SNRIN odstup signál šum na vstupu zesilovače
f 0
NF
SNROUT odstup signál šum na výstupu zesilovače
fT
dolní propust m-tého řádu
Shrnutí: G
3dB
G0
G
G0
1 f / f
2 m
m
-m20 dB/dek
ENBW f m 21/ m 1 0
f 0
fm
ENBW
poměr signálové a šumové šířky pásma se blíží s rostoucím řádem propusti k 1 minimální šířku pásma (úzkopásmové aplikace) odporové vyvážení OZ zvětšuje jeho šum
nízké hodnoty rezistorů
fT
A3M38ZDS_ 1
17
Zesilovače U, I, integrační, nábojové, přístrojové, izolační Elektrometrický zesilovač napětí Kmitočtová kompenzace zesilovačů Elektrometrický zesilovač proudu Invertující zesilovač s T článkem Integrační zesilovače Nábojové zesilovače Potlačení svodových proudů Rozdílové zesilovače Přístrojové zesilovače Přístrojové zesilovače s potlačením souhlasných napětí Přístrojový zesilovač s proudovým výstupem Izolační zesilovače modulační Izolační zesilovače s optickou vazbou
A3M38ZDS_2
18
Elektrometrický zesilovač napětí Základní zapojení
Gi
u2 R 1 2 u1 R1
GCMRR Gi (1
IBP
G AD
U0 R
IBN u1
2
R3
u2 R
f fm T Gi
AD0 100 80
Gi
U 01 U 0 I BP R3 I BN
1
AD [dB]
m
-20 dB/dek
60
20 0 -20
102
103
104 fm
105
106 fT
f [Hz]
R2 R12 R22 R1 R 2 R U 20 1 2 U 0 IN R1
R1 R2 R1 R2
Tn
u2/U2 1 0,9
d
du2/dt = 2fmU2m
u2 U2m
t
0
1 d
SR fP 2U 2 m
) 0,1 0
m
0
2
vstupní šumové napětí
G max
1 fm 2
Tu m ln(
40
10 f0
AD R R2 1 AD 1 R1
1 ) CMRR
u
t
-U2m
T
2
R2 R1 π 2 2 R1 R2 4kR3 4kR1 4kR2 U n1 f m un2 inp R32 inn 2 R R R R R R 2 2 2 1 1 1
unR 4kR , k 1,38.1023 (J / K )
R 1k, 300K (27 0 C ) unR 4nV / Hz A3M38ZDS_2
19
2
Kmitočtová kompenzace zesilovačů Neinvertující zesilovač u2 R2 1 jR1C1 1 u1 R1 1 jR2C2
AD [dB] A D0 100 -20 dB/dek
R2 u1
80
C2
R3
60
u2 R1
C1
f1
1+C1/C2
+20 dB/dek
1 2
40
1+(R2/R1) 20
R1 R2 (C1 C2 ) R1 R2 f2
0 10
102
103 f1
10 4 f2
10 5 fm
10 6
107 fT
1 2R2C2
f [Hz]
Podmínka kompenzace
R1C1 R2C2 Invertující zesilovač C1
u2 R2 1 jR1C1 u1 R1 1 jR2C2
AD [dB]
C2
A D0 100 -20 dB/dek 80
R1
R2
60
f1
+20 dB/dek
C1/C2 40
u1
Př.: 1M/5pF
R2/R1 20
u2
1 2R1C1
f2
1 2R2C2
fo = 32 kHz
0 10
10 2
103 f1
104 f2
105 fm
A3M38ZDS_2
10 6
107 fT
f [Hz]
20
Elektrometrický zesilovač proudu Základní zapojení R1
I1
IBN
Gi
U2 R1 I1
I10
U0 IBN R
u0 IBP R2
u2
U n1
2
GCMRR Gi
GAD
AD R1 1 AD
Gmax R1
U20 U0 IBNR1 IBPR2
fm un2 i n2R12 i n2R22 4kR2 4kR1
Kmitočtová kompenzace zesilovačů I - U C2 AD [dB]
f1
1 2R1C1
f2
f1 fT
f2
fT 2R2C1
AD0 100
R2
fotodioda
D
1+C1/C2 40
R1
C1
u1
1 2R2C2
-20 dB/dek
80 60
i
f2
C2
C1 2R2 fT
+20 dB/dek
20 0 10 f0
102 f1
103
104 f2
105
A3M38ZDS_2
106 fT
f [Hz]
1350
21
Invertující zesilovač s T článkem Gi R1 I1
R2
IBN
R ( R R3 ) u2 R1 1 2 1 i1 R R 1 3
Např.: R1 = 1M,R2 = 100 k,R3 = 100 je Gi = 1V/nA
U0 IBP R4
I10
R3
u2
U0 I BN R1 R2 R3 /( R2 R3 )
Gmax
1 R3 1 ( R1 R2 ) /( R1 R2 )
U 20 U 0 (
R3 R3 ( 1 ) R ( 1 ) R R 1 2 3 R2 R1
R2 R2 1) (1 ) I BN R1 R3 R1 R3 /( R1 R3 )
Náhrada velkého rezistoru T článkem zhoršuje statické, dynamické i šumové parametry zesilovače násobkem 1+ R2/R3
A3M38ZDS_2
22
Integrační zesilovače
C
R1
Gi
IBN
IBP
U 20 U 0 R1 I BN R2 I BP
i R1C1
j i Gi AD 1 G j i 1 Gi AD
U0 u1
1
u2
R2
AD
0 AD i G
-20 dB/dek 80
1
1 j
0
1
j i
60
1 1
1
i
AD 0
AD [dB] A D0 100
t
j i AD0
1 j 0 AD0
40
u2 (t )
20 0 10 f0
102
103
10 4 fi
10 5
u1 U10 t
0
U1fi/fT
u2 T
t
i
Ideální odezva t u21(t ) U1
Dynamická chyba
i
u
22
(t )
U T
1
T
1 2fT
i
R1 = 10 k, C1 = 1 nF, i = 10 s , fi = 1/2i = 16 kHz. U1 = 100 mV, Ti = 1 ms, U2 = 10 V
U1fi/fT ideální odezva
U0 = 1 mV, IBN = 50 nA, IBP = 40 nA, U20 = 150 mV, U22 = U1T/i = 1,6 mV u2
skutečná odezva
f [Hz]
AD=105, f 0 = 10 Hz, f T = 1 MHz, T = 1/2f T = 160 ns.
u2(2)
0
106 fT
t / AD 0 i T t / T A 1 e 1 e T Do i 1 ADo U1
u2(1)
A3M38ZDS_2
23
Nábojové zesilovače Neinvertující zapojení
Invertující zapojení Rp
piezosnímač
Ci
Q
Cs
piezosnímač
Ci
U1
1
U2 Q
Cs U2
u2
Q (Ci Cs )
1 AD AD
Q Ci Cs
2
u2
svodová kapacita kabelu Cs integrační kapacita Ci
ADQ Q Cs AD 1Ci C Cs i AD
Potlačení vlivu kapacity kabelu Cs
Rozdílový nábojový zesilovač
Kmitočtová charakteristika zesilovače Ci
piezosnímač Q kabel
U2
CQ
1
AD0 100 -20 dB/dek 80
U2
Ci R
60
R
Q/CQ u2
Cq/Ci 40
2
+20 dB/dek 20 0
Triboelektrický jev
A3M38ZDS_2
1 fm 2R p Cs
10 f0
102
103 fm
104
105
106 fT
24
f [Hz]
Potlačení svodových proudů Zesilovač s aktivním stíněním
Zesilovač s dvojím stíněním kabel
zdroj signálu
kabel zdroj signálu
S
u1
S
u1
R2
R2
U2
U2
Ri
Ri
R3
R1
R3
Potlačení svodu na vstupu zesilovače
Potlačení povrchového svodu tištěného spoje
Z RM
R1
RM
IN
svodové proudy Ir
Rm
teflon laminát
G
povrchový a vnitřní odpor laminátu 10 T
U2
G
zvýšená vlhkost - redukce až o 3 řády skleněné nebo teflonové průchodky A3M38ZDS_2
25
Rozdílový zesilovač s asymetrickým výstupem R2
u3
R1 R3
U1
U2
u3
U3 R4
R1 R2 R4 R u2 2 u1 R1 R3 R4 R1
GD R1R4 R2 R3 2 R2 R4 GC R1R4 R2 R3
k (1 R2 ) 1 R2 k 1 CMRRR 4k R 4 R
CMRR
R1R4 R2 R3
k
uC
u1 u2 2
R R R2 R3 u D R1 R2 R4 R 2 uC 1 4 2 R1 R3 R4 R1 R1 R3 R4
u 1 R4 R2 R2 1 GD 3 u 2 R R R1 R1 4 D uC 0 3 CMRRR
uD u2 u1
u R R R2 R3 GC 3 1 4 uC u D 0 R1 ( R3 R4 )
CMRR
R U 30 1 2 U 0 I BN R2 I BP R4 R1
R4 R2 R3 R1
1 1 1 1 1 1 1 1 CMRR CMRROA 4(CMRRR CMRROA ) CMRRR CMRROA 1 R
uC u3 GDu D GC uc GD u D CMRR 2
2
2
R R R R2 R R π 2 2 R3 R4 4kR1 2 4kR2 4k 3 4 1 U n3 f m un2 1 2 inn R22 inp 2 R R R R R R R 1 4 4 1 1 3 3 A3M38ZDS_2
2
26
Zapojení rozdílových zesilovačů Rozdílový zesilovač R1 U1 1M
Rozdílový zesilovač s měnitelným zesílením
R2
u3
50k
uC
Z1 U3 R1
R2
U2 1M
50k
R2 u2 u1 0,05u2 u1 R1 R2 u2 0,045u2 R1 R2
R3 R1 U1 1M
1M U2 R3
R2 R3 u2 0,045u2 R1 R2 R3
1M
R2
1M 50k
Rozdílový zesilovač s rozdílovým výstupem
Z1 R3
U3
Z1 R2
U1
R2
U3
R1 zesílení R3
R R R u3 1 3 3 u2 3 u1 R1 R1 R2 R1 R2 , R3 , u3 2u2 u1 uC u2
uC
50k R2
U3 R1
R1 U1
R2 u2 u1 u2 u1 R1
Z1
Rozdílový zesilovač s jedním elektrometrickým vstupem U2
u3
U4
U2 Z2
A3M38ZDS_2
u3
R1 R2 R u1 2 u2 R1 R1
u4
R1 R3 R u2 3 u1 R1 R1
GD
u3 u4 R1 R2 R3 u1 u2 R1
R2 R3 GD 1 2
R2 R1
27
Rozdílový zesilovač s rozdílovým výstupem RF1 UIN+
UOUT-
UIN+
UOUT-
COM
COM UOUT+
UOUT-
UOUT+
RF2
R RG1
RG2
UIN+
1 1
RG2 UIN-
UCOM
G2
R
1 1, 2 1
RG 2 RF 2 RG 2
G2
UOUT+ RF1
RF1
RG1
RG1
UIN+
RF2
UOUT-
UIN+
UOUT-
COM
COM UOUT+
1
RG1 RG1 RF 1
2
RG 2 RG 2 RF 2
U U OUT 21 1 RF G OUT U IN U IN 1 2 RG
UOUT+
2 1
2 0
RF 1 G2 2 RG1 RF 1
G2
A3M38ZDS_2
RF 1 2 RG1
28
Přístrojové zesilovače Asymetrické přístrojové zesilovače U1
Symetrický přístrojový zesilovač U1
Z1 R2
R3
Z1 U3
R2
U3
U1
R1 U2
R2
Z2
U2
R4
Z1 R2 R1 zesílení R2
R1
Z2
Z3 U3
U2 R1
R GD 1 2 R1
R3
R2
R GD 21 2 R1
R2
R2
GD
Symetrický přístrojový zesilovač s lineární změnou zesílení R1
R4
Z2
R4 R 1 2 2 R3 R1
R 1 R GC GC1GC 2 1 2 2 2R2 2 1 4 R1 R3 4R3 4
R2
Z1 U1 Z3 zesílení U2
R1
R2
R3
Z2
R4
GD U3
Z4
R2 R 4 R3 R1 R2
R4 pro R1 R2 2R3 A3M38ZDS_2
GD
29
Přístrojové zesilovače s potlačením souhlasných napětí Zesilovač s aktivním stíněním
Zesilovač s vlečným napájením
-IN R3
R4
-IN
SENSE
R3
Z1
R4
SENSE
Z1
stíněný kabel
R2
R5
R2
R5
OUT R1
R2
OUT
Z3
R1
Rz
R5 R3
Z3
R4
R2
REF
Z2
+IN
R5 R3
Rz R4
REF
Z2
+IN G1
GUARD Z4
oddělovací zesilovač
+15V
-15V
měnič
Z4
oddělovací zesilovač
G2
Potlačení svodových odporů a kapacit kabelu (symetrizace)
Izolované napájení vstupního elektrometrického stupně (pro velké Uc)
A3M38ZDS_2
30
Přístrojový zesilovač s proudovým výstupem přístrojový zesilovač
IN
REF
Ur
-IN
R3
Ur
D
I0
Ur IC
R4
Z1 R2 R5 U1
R1
Z3
R2
proudový zdroj
R6
Z4
R7
T
R3 Z2 +IN
U2 R4
R8
G
u2
R4 R 1 2 2 u1 R3 R1
U r U 2 R8 I0 R6 R5 R7
I0
R7 R8
U r R4 R2 U 1 2 1 R R R R 3 5 1 6
I0 = 4 mA až 20 mA, 0 až 20 mA, 8 mA 12 mA
A3M38ZDS_2
31
Přístrojové zesilovače s rozdílovým proudovým vstupem Rozdílový proudový zesilovač – elektronický ampérmetr
U 4 U1 I1R1
R1 U1 I1
R5
U3
Z1
R7
R RR U 3 U 4 1 3 U1 U 4 U1 1 3 I1 R4 R4
R3 U12
Z3
U5 R4 Z2
R6
R8
U 3 U 2 R1 R3 I1 I1 = I2 = I je R1R3 = R2R4 R2 R2 R4 I2
U6
U4
R5 = R6, R7 = R8
R2
U2 I2
U 5 U1 U 2
U 6 R1
Rozdílový proudový zesilovač R1
U3
I1
R3
R5
D1
u1 Z3
D2
u2 I2
Z2 R2
R6 I 2 R2 I1R1 R4
R3 R5
Z1
R4
R6
u3
R7 R3 1 I R5 R4
R4 R6
Aplikace: diferenční fotodioda dvoukvadrantová fotodioda jednodimensionální PSD sensor A3M38ZDS_2
32
Izolační zesilovače Ud
IZ
CMRR 20 log
G2 U2
G1 UC2
UC1
GD
U2 UD
0 ) 2
U2 U C1
GD GC1
S1
GD GC1
IMRR 20 log
GC1 ( U C
Zesilovače s trafo vazbou
GC2 ( U C 0 ) 1
U1
U2 UC2
TR M MOD.
DEMOD.
fm
Z2
fs
UOUT
OUT IN
C
G2 TR 1
-U1
U2
Zesilovač s kapacitní vazbou
fm
G1
+U1
C
S4
FB 2
-IN +IN
S2
výstupní zesilovač
FB
Z1
S3 R
3 terminálový izolační zesilovač s trafo vazbou vstupní zesilovač
TR
G1
TR 2
NZ1
NZ2
+U2
budící obvody
-U2
IMRR
MĚNIČ
+UB
G2
C Cp
Linearita 0,1%
-UB
napájecí zdroj
Linearita 0,01%
Modulační kmitočet až 10MHz
modulační kmitočet až 1MHz Izolační napětí až 5 kV
Izolační napětí až 10kV A3M38ZDS_2
33
Izolační zesilovače optické Modulační optický izolační zesilovač +UB1
IF
+UB2
R1
D
R2
modulátor IF
IF0
Linearita 0,1%
Modulační kmitočet až 100 MHz
demodulátor
U1
0
Mezní kmitočet 1MHz
U2
ID
0
Izolační napětí až 1kV až 10 kV
ID0
I F I F 0 k F I Dn
n 1,2 až 1,5 +UB1
optron
Přímo vázané optické izolační zesilovače
-UB2
UB2
UB1
IF0
IF0 IF0
Z1
IF0
U R I U R I
1 D1
1
R2
2 D2
2
ID1
IF1
IF2
Z2
U1
IF1
U1
n1 D
U 2 k 2 R2 n2 n1 ID U 1 k 1 R1
n1 n2
Z2
R3
IF2 lineární dvojitý optron
U2
U 2 R2 U 1 R1
R2 U2 G1
U1 k 1 R1 I
ID
02 G2
G1
Z1
optrony
R1
U D2
R1
ID2 01
U D1
U 2 k 2 R2 I
n2 D
U 2 R2 U 1 R1
G2
Linearita 0,1% Mezní kmitočet 10 MHz A3M38ZDS_2
Izolační napětí až 1kV až 10 kV
34
Zpracování signálů odporových, kapacitních a induktivních snímačů Elektrické parametry typických snímačů Obvody potenciometrických snímačů Obvody odporových můstků - napěťové a proudové napájení Obvody odporových můstků - zesilovače Obvody odporových můstků - 2 a 3 drátové připojení Obvody odporových můstků - 4 a 6 drátové připojení Spínačový detektor Obvody kapacitních snímačů Obvody kapacitních snímačů – diferenční snímač Lineární diferenciální transformátor Induktosyn Resolver Převodníky číslo úhel a úhel číslo
35
Elektrické parametry typických snímačů Typ snímače
Rozsah hodnot
Teplotní rozsah
Potenciometrické snímače
1kaž 1M
Tenzometrické snímače
120 ,350 ,3500
Kapacitní snímače
1pF až 50 pF
Nábojové snímače
1 pC až 100 pC
Indukčnostní a nduktivní snímače
1 mH až 50 mH
Fotodiodové snímače
100 pA až 1 mA
Odporové snímače teploty
Pt 100 až 10 k Ni 100 až 10 k NTC, PTC 100 až 1 M
-200 oC až 850 oC - 60 oC až 180 oC - 55 oC až 125 oC
Polovodičové snímače teploty
-2 mV/K, 10 mV/K, 1 A/K, 10 A/K
- 55 oC až 125 oC
Termočlánky
K (Cr-Ni) 41 V/K J (Cu-Ni) 52 V/K S (Pt-Pt10Rh90) 6,4 V/K
-200 oC až 1300 oC - 200 oC až 700 oC 0 oC až 1500 oC
36
Obvody potenciometrických snímačů Zatížený potenciometr u2/u1
u2
1
(1-a)Rp u1
0,5 Rz = R
aRp Rz
U2
0 0
Linearizovaný potenciometr
1 a
0,5
k
u2 u20 a (1 a ) u20 k a (1 a )
Rz Rp
u20 au1
max(( a 0 ,5 )
0 ,25 k 0 ,25
u2/u1
u2/u1 1
1 R1/R2 = 2,6 0,75
R1 u1
k
d k ( 1 2a ) 0 da k a ( 1 a )2
R1 = R2
(1-a)Rp
1
a u a 1 a 1
0,5
0,5
0,25
aRp R2
u2
0
0 0
0,5
u2
1 a
a (1 k a ) u1 2a (1 a ) k
0
u2
0,25
0,5
0,75
1 a
a (a aa 1) u1 1 a (1 a )(a b)
37
Obvody odporových můstků - napěťové a proudové napájení Napěťově napájený můstek
R1
R2
U2
U1
R4
R1
R2
R3
R4
R
R
R + R
R
R + R
R
R + R
R
1 R 2 R R / 2
0,5
R
R - R
R + R
R
1 R 2 R
0
R + R
R - R
R + R
R - R
R3
R4 R3 u1 u2 R R R R 4 2 3 1
u2/u1 NL[%/%] 1 R 0,5 4 R R / 2
R R
0
Proudově napájený můstek
u i 1 R R1
R2
U2
U1 R
R4
R3 R4 u1 u2 R R R R 3 1 4 R 2
R1
R2
R3
R4
R
R
R + R
R
R + R
R
R + R
R
1 R 2
0
R
R - R
R + R
R
R
0
R + R
R - R
R + R
R - R
R
0
R3
u2/i1 NL[%/%] R R 0,25 4 R R / 4
38
Obvody odporových můstků - zesilovače Odporový můstek s rozdílovým operačním zesilovačem U1
R3 R R R2 R4 u2 u1 1 3 R5 R2 R3 R1R4 ( R2 R3 )
R5 R1
R2 IBP
R1 R3 R R, R2 R4 R R
u0 IBN R4
R R 2R R5 u2 u1 R R 2R
u2
R3
Linearizované odporové můstky R
R+R
R
R
u1
R+R
R+R
u2
R
u2 u1
R 2R
u1
R
R
R+R
R u2
u1
u2
R
u2 u1
R R
u2 u1
R 2R 39
Obvody odporových můstků - 2 a 3 drátové připojení 2 drátové připojení
3 drátové připojení
Ur = 5 V
R1 = 350 u2
R3 = 350
Ur = 5 V
R2 = 350 RCu /2 = 10,5
vedení RCu /2 = 10,5
R3 R4 RCu Ur u2 R R R R R 1 3 2 4 Cu pro R1 R2 R3 R4 R
u2
R1 = 350
u2 RCu 1,5% u2 4R
R2 = 350
RCu /2 = 10,5
u2
I =0 R4 = 350
R4 = 350 R3 = 350
vedení RCu /2 = 10,5
R3 R RCu / 2 U r u2 4 R1 R3 R2 R4 RCu pro R1 R2 R3 R4 R
u2
u2 RCu 0,75% u2 8R 40
Obvody odporových můstků - 4 a 6 drátové připojení 4 drátové připojení
6 drátové připojení odpory přívodů
odpory přívodů
power
i =u1/R
sense
u1
u1
u1
u1
R
sense power
plně eliminuje vliv odporu přívodů proudové napájení linearizuje př. char. střídavé napájení eliminuje vliv termoelektrických napětí 41
Spínačový detektor u2(t) šum
s(t)
u1(t) snímač
sin1
+
t
u2(t)
U3
SD
DP s(t)
U2
K
s (t ) 0 s (t ) 0
sign s (t ) 1 sign s (t ) 1
t
2
s (t )
4
1
2n 1 sin(2n 1) t , s
0, U3 Ui , U3 0
n 1,2,...
0
U3/U1 0,3
u2 U1 sin(s t m )
4
1
sin( 2n 1) t 2n 1 n 1
1T sin(st m ) 0 T1 0 1
1T sin(st m ) sin st 0 T1 0 1
1T cosm sin(s t m ) sin s t T1 0 2 1
s
2
0,2
0,1 f1/fs
0 0
1
2
3
4
5
6
7
Synchronní detekce eliminuje sudé a potlačuje liché harmonické složky signálu 42
Obvody kapacitních snímačů Snímače s proměnnou plochou překrytí
Snímače s proměnnou vzdáleností elektrod
C1 0
S S S 0 0 d d
U2
C2 0
S S 0 d d 0 d
U 2 C1
Neinvertující zapojení -20 dB/dek 80
u1
60
C2
R3
u2
R1
1+C1/C2
d 0 d U1 0S
u2 R2 1 jR1C1 1 u1 R1 1 jR2C2
AD [dB] A D0 100
R2
S0 S U1 d C2
+20 dB/dek
f1
40
1+(R2/R1) 20
1 2
R1 R2 (C1 C2 ) R1 R2
f2
1 2R2C2
C1 0 10
102
103 f1
10 4 f2
10 5 fm
10 6
Invertující zapojení C1
C2
R1
R2
u2 R2 1 jR1C1 u1 R1 1 jR2C2
f1
107
f [Hz]
fT
Kmitočet budícího signálu
f2 f
f2 fm
1 2R1C1
u1 u2
43
Obvody kapacitních snímačů – diferenční snímač C1 C3
R1
R3 E2
R1 R2 R C1 C2 C
R8
f
Z1 C12
E1
R5
u2 u4
E4
R7
U2
Z3 R9
C13 E3
u3
Z4
R4
Z2 R6
C2
R10
U3
C13 U1 C
C12 C0 C C13 C0 C R3 R4 R5 R6 R2
u1
C12 U1 C
1 2RC
BF245
u5
U4
C4
D
u6
R13
R6 C (U 3 U 2 ) 2 U1 R3 C
R7 R8 R9
Z
R11
u4 (t ) U 4m sin 2f1 (t )
R12
R10 R11 R12 R
U 5s Fázovací článek
U 6 1 jRC U1 1 jRC
u6 (t ) sign s(t )u4 (t ) 4 C U C 1m
1 / RC / 2
44
Lineární diferenciální transformátor U 3 jM13 I1
U 2 jM12 I1
i1 I1 sin t
N2
U2 – U3
N 2 N3
N1
M 12 M M
N3
M 13 M M l
l
C4
f i1
0
R4
u4 Z1
U 4 U 2 U 3 2 jMI1
R2
u2
N2
Z2
R1
N1
u1
Z3
N3
2/
R3
BF245
u3
u5
1N4007
R2 R R4 R
U5/U4
Kmitočtová selektivita synchronního detektoru
fn
1 2
R1R2 2 L1 L2
u1 (t ) U1m sin 2f1 (t )
u5 (t )
4
I1
U1 R1 jL1
u2 u1 0
u3 (t ) sign s(t )u1 (t )
sin 2 2n 1 f1t 2 U 4m 2 n 1 i 0
u4
f 0 0
f1
2f1 1/RC4
3f1
4f1
5f1
6f1
7f1
45
Obvody LVDT 5 vodičové zapojení
4 vodičové zapojení AD698
AD598
Osc
Osc
Filtr
A+B A-B
A B
Out
Filtr
Out
Filtr
Filtr
3 vodičové zapojení – poloviční můstek AD698 Osc
A B
Filtr
typ
f
Uout
Iout
linearita
AD598
20 Hz – 20 kHz
11 V
40 mA
0,4 %
AD698
20 Hz – 20 kHz
11 V
40 mA
0,1 %
Out
Induktosyn Polohový lineární transformátor 2 pohyblivá vinutí, 1 pevné vinutí u(t)
u3 u1
u2(t)
u3(t)
u1(t)
u2
2n T p Tp
t
Tf T2 p
p(n + 0,25)
u1( t ) U sin t sin
Tp
u2 ( t ) U sin t cos
u3 u1( t ) u2 ( t ) U cost
Selsyn 1
3 statorová vinutí posunutá o 120o, 1 rotorové vinutí u13
Napájení do rotoru u12
2
3 u23
a ur
U S MI r
u13 U S sin a sin t 2 u23 U S sin a sin t 3 4 u12 U S sin a sin t 3
M a M 0 cos a
a odpovídá Napájení do statoru
ur (t ) U S sint a 47
Resolver 2 statorová vinutí posunutá o 180o, 2 rotorové vinutí posunutá o 180o
u2r
napájení obou statorových vinutí - otáčení pravoúhlých souřadnic o a u1s
u1s U 1 sin t
u1r
u2 s U 2 sin t
ur 1 U 1 sin a U 2 cos a sin t
ur 2 U 1 cos a U 2 sin a sin t
napájení jednoho statorového vinutí - transformace polárních souřadnic na kartézské u2s
u1s U 1 sin t
u2 s 0
ur 1 U 1 sin a sin t
ur 2 U 1 cos a sin t
Scottův transformátor sint sina
Přenos úhlu pootočení resolverem resolver 1
1
resolver 2
N/2
N N/2
0
N
sint cosa
sint
2
3
a
a
ur
3 N 2 a
48
Převodníky číslo úhel a úhel číslo Převodník číslo - úhel Dsina
Parametry: rozlišitelnost 12 až 16 bitů
- DsinaUrsint MDAC1
R
2-n/360o
přesnost:10 až 14 bitů
resolver
rychlost sledování: df/dt (rad/s) = 20 až 103 rad/s
R -Ursint
a Ursint
Dcosa
- DcosaUrsint MDAC2
Převodník úhel - číslo Urcosa sint resolver
R MDAC1
fázový detektor
a Ursint Ursina sint
R MDAC2
směr čítání scilátor
vratný čítač
Da
filtr
49
Zpracování signálů snímačů teploty Parametry teplotních snímačů Obvody platinových snímačů teploty Tříbodová linearizace Pt snímačů Obvody PTC a NTC snímačů teploty Tečnová linearizace
Polovodičové snímače teploty LM35, TMP01 Universální obvod Obvody termočlánků
50
Elektrické parametry typických snímačů Typ snímače
Typ
Rozsah hodnot
Teplotní rozsah
Odporové snímače teploty
Pt Ni NTC, PTC
100 až 10 k 100 až 10 k 100 až 1 M
-200 oC až 850 oC - 60 oC až 180 oC - 55 oC až 125 oC
Polovodičové snímače teploty
Band gap U Band Gap I
-2 mV/K, 10 mV/K, 1 A/K, 10 A/K
-55 oC až 125 oC - 55 oC až 125 oC
Termočlánky Typ snímače
materiál
Teplotní koeficient
Teplotní rozsah
T J E K S R C
Cu – Konstantan Fe – Konstantan Chromel – Konstantan Chromel – Alumel Pt – Pt+10%Rh Pt – Pt+13%Rh Tu+5%Rh – Tu+26%Rh
42,8 V/ oC 51,7 V/ oC 60,9 V/ oC 40,5 V/ oC 6,4 V/ oC 6,4 V/ oC 15 V/ oC
-200 oC až 400 oC - 200 oC až 700 oC - 200 oC až 1000 oC -200 oC až 1300 oC 0 oC až 1500 oC 0 oC až 1600 oC 0 oC až 2800 oC
51
Obvody platinových snímačů teploty R R0 1 3,9080.10 3 0,5802.10 6 2
0oC až + 850oC
R R0 1 3,9080.10 3 0,5802.10 6 2 0,4723.10 9 3
-200 0C až 0 0C
Třídrátové připojení snímače
Vlastnosti: R2
R1
proudové napájení u3
u1
částečná eliminace odporů přívodů redukce počtu OZ
u2 R3
RPt R6
R4
R7
R8
R5 0
R1 R2 R3 RPt 0
U R RPt u2 u1 1 4 R4 R RPt 4
R5 R8 , GD
R6 R7
u3 R 1 5 u2 u1 R6
52
Obvody platinových snímačů teploty R R0 1 3,9080.10 3 0,5802.10 6 2
0oC až + 850oC
R R0 1 3,9080.10 3 0,5802.10 6 2 0,4723.10 9 3
-200 0C až 0 0C
Čtyřdrátové připojení snímače u1 R3
R4
Vlastnosti: proudové napájení
Ur R2
úplná eliminace odporu přívodů u3 R1
RPt
R2
4 OZ R3
R0
nezávislé nastavení nuly a zesílení
R4 U0
u2
0
0
I Pt
Ur R0
u3
RPt R4 R 1 2 2 U r U 0 R0 R3 R1
U0
RPt ( 0 ) R4 R 1 2 2 U r R0 R3 R1
53
Tříbodová linearizace R Rq3 Rq
Ir
RL
Rq
Uq
R2
U Ir RL
Rq Rq RL
U Ur
Rq Rq RL
RL Rq2 R1
RL
RqIIRL
Rq1
R2 R2
q1
q2
q3
Ur
Rq
Uq
q
Rq 2 RL Rq 1 RL Rq 3 RL Rq 2 RL 2 1 3 2
RqIIRL Rq3IIRL
RL
Rq2IIRL
2 1 3 2
Rq 2 Rq 1 Rq 3 2Rq 1Rq 3 Rq 1 Rq 3 2Rq 2
Rq1IIRL
q1
q2
q3
q
54
Linearizační obvody Pt snímačů teploty Proudový zdroj se záporným vnitřní odporem NIC R1 + R2
Zpětnovazební zapojení obvodu pro Pt snímač
R3
R5
RPt
I
Ur
nula
R3 zesílení
R1 R3
R2
R2
RPt Uq
Ur
RL
R4
linearita
R1
U1
Uq
R1R3 R3 R2
Pt100: Rpt (0oC) = 100 ,Rpt (200oC)= 178 , Rpt (400oC) = 256 ,RL = - 2,59 k 0 ž 400oC, 0 až 2V
U1 Ur
RPt R U Pt R1 R5
U Ur
Uq U1
R3 R Ur 3 R2 R4
R2R3R5 RPt 1 R2R5 RPt R3 R1R2 R4
RL= - 2,5 k,R1= 250 ,R2 =10 k,R3 = 9,09 k
Pt1000, 0 až 100oC, 0 ž 10 V, Ur = 7 V, R1= R2=10 k,R3 = 340 k,R4 = 100 k,R5 = 1M,
redukce nelinearity z 2,8% na 0,1% z rozsahu
redukce nelinearity z 0,6% na 0,04% z rozsahu 55
Obvody PTC snímačů teploty
R R25 1 7,95.103 25 1,95.105 25
2
R
RL
R100
R2
RPTC
R3 RL
Ur
R50
UPTC
RPTC
Uq R1
RPTCIIRL
R0
q[0C] 0
50
100
Tříbodová linearizace RL
Rq 2 Rq 1 Rq 3 2Rq 1Rq 3 Rq 1 Rq 3 2Rq 2
RPTC R3 R1 R2 R3 R1 U Ur R R R R R R R R PTC 1 2 1 2 1 2 L
RPTC(25oC) = 1 k, RPTC(0oC) = 813 , RPTC(50oC) = 1211 , RPTC(100oC) = 1706 , RL = 2851 0 až 100oC, Um = 0 až 2 V, Ur = 2,5 V, R2 = RL= 2851, R1 = 1076 ,R3 = 3331
56
Obvody NTC snímačů teploty R1 R 2 e
1 1 B 1 2
RQ2 odpor při teplotě 2 = 289K, tj. 25oC
Tečnová linearizace
B =1500K až 7000K materiálová konstanta
dR 1 2 0 d 2
R RNTC
R20
R2
RNTC
R3
RL
R50
Ur
RL R 1
2
B 1 2 R / 2 B 1 2 1
2
/ 2
RNTCIIRL
Um RL
R100 q[0C]
R1
0
20
50
100
R3 R1 R2 R3 RL R1 U U r R1 R2 R1 R2 RNTC RL R1 R2 RNTC(25oC) = 10 k, B = 2000, RNTC(0oC) = 14,91 k, RNTC(50oC) = 5,952 k, RNTC(100oC) = 2,587 k, 0 až 100oC, 0 až 2 V, Ur = 2,5 V, RL = 5,955 k
57
Polovodičové snímače teploty Tranzistorová dioda +UB
Snímač Band Gap
UBE [V] 0,8
I
-2 mV/K
0,6
R3 IC
U BE U T ln
R3 IC
U R1 U BE 2 U BE1 U T ln
0,4
UBE
0,2
25R1
0 0
5 [mV/K]
T1
R1
0,2 [mV/K]
U R1 24R1
4,8 [mV/K]
Převod na 10 mV/0C
Ur = -2,5V
2,73 Ur R1 R2
R3
R2
Uq= 10 [mV/oC] q
U= 10 [mV/K]
2IC R2
IC 2 I C1
IC 2 10 I C1
T2
100 200 300 400 q[K]
U BE k U BE 2 mV / K d q UT
U 10 [mV/K] R1
IC IS
R1 = 10k, Ur = - 2,5 V, R2 = 9,16 k, R3 = 10 k
k ln 10 0,2 mV / K q
U 10 mV / K
q = 0oC ( = 273 K) U = 2,73 V typ
citlivost
rozsah
TMP35(36)
10 mV/oC
10oC - 125oC
TMP36
10 mV/oC
-40oC - 125oC
LT1025
10 mV/oC
0 ž 60oC
58
Polovodičové snímače teploty Teplotně závislý proudový zdroj I = 1 A/K
T3
T4 IC2
IC1 T1
T2 S1
UBE
U BE
R13
C
S k S U T ln 1 ln 1 S2 q S2
fs
Ui
C
Z
U BE I 2IC 2 UT
I
K
R
S1 / S2 8, R1 358 I A / K
S2
Snímač teploty s impulsním výstupem Delta sigma modulátor
k
D Q
D
S +Ur
-Ur
fs
t
Ts
I
ui
Ur T2 T1 R T1 T2
t
0
o C 235 400
T2 T1 T K 455 720 2 T1
typ
citlivost
rozsah
AD590
1 A/K
-55oC - 125oC
LM335
10 A/K
-40oC - 125oC
ADT17(8,9)
1(2,5) A/K
0 ž 60oC
typ
citlivost
rozsah
typ
rozlišitelnost
citlivost
přesnost
AD7814
1 A/K
-55oC - 125oC
TMP 03(04)
16 bit
0,3oC/LSB
3oC
LM74
10 A/K
-40oC - 125oC
TMP 05(06)
12 bit
0,025oC/LSB
0,5oC
ADT17(8,9)
1(2,5) A/K
0 ž 60oC
k T1 Q
T2 t
59
Obvody termočlánků kov 1
typ
kov 1 (+)
kov 2 (-)
kt [V/oC]
Rozsah teplot [oC]
J
Fe
Cu-Ni
50,2
- 200 až 400
K
Cr Ni
Al Ni
39,2
- 200 až 1300
S
Pt
Pt 10%Rh
10,3
0 až 1500
qM kov 2 qR
Uq
kov 1
U q k t M R Invertující zapojení izotermická svorkovnice 1N4148
+ Urzapojení Můstkové
+ Ur
- Ur izotermická svorkovnice
UD
R5 R3
R4
R3
R2
UD 1N4148
termočlánek
-
Cu
termočlánek
Cu
0 až 100oC 0 až 1V
-
R6
Cu Cu
+ R1
aU kt
D
R3 R1
R7
R2
R1
+
R2 U OUT / q R1 kt
R5
UD Ur R3 R4 aUD = - 2,2 mV/ o C
R7 U OUT / q R6 kt
UD
aU kt
D
R1 R2 R1
0 až 100oC 0 až 1V
R4
R1 R4 Ur R1 R2 R4 R5
60
Monolitické obvody termočlánků AD594, AD595, AD596, AD597 R3
R4
R2
UOUT U
R1 R2
R3
R4 Uk
R
uOUT
R4 R 1 2 2 U Uk R3 R1
UOUT R4 R 1 2 2 kt R3 R1
Uk kt
Teplotní kompenzace
typ
termočlánek
rozsah
citlivost
stabilita
AD594(5)
J
-55oC - 125oC
10 mV/oC
1oC
AD595(6)
K
-40oC - 125oC
10 mV/oC
1oC
AD8494(5)
J,K
0 -50oC
5 mV/oC
0,025oC/oC
AD8496(7)
J,K
25oC -50oC
5 mV/oC
0,025oC/oC
61
Universální obvod rozhraní UTI03
62
Universální obvod rozhraní UTI03
63
