Analog Devices. Методы практического конструирования при нормировании сигналов с датчиков

Подождите немного. Документ загружается.

РАЗДЕЛ 4: Измерение деформации, силы, давления и потока

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru, E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Горшков Б.Л.

4-9

Для максимального ослабления синфазного сигнала необходимо точное отношение

входящих резисторов. Следует использовать резисторы с допуском не менее ±0.5%. Для

нулевого выходного сигнала моста выход усилителя составит 2.5 мВ .. 0 В, что является

минимальным пределом для ОУ ОР213. Поэтому, если требуется подстраивать смещение

ОУ, подстройку следует начинать с положительного значения напряжения в точке

REF

уменьшать его до тех пор, пока выходное напряжение (

OUT

) не прекратит изменяться.

Это будет точкой ограничения для данного усилителя. Вследствие особенности

конструкции с однополярным питанием, усилитель не может передавать сигналы

отрицательной полярности. Если требуется иметь высокую линейность в точке 0 В или

требуется работать с отрицательными сигналами, то точку

REF

следует подключить к

среднему потенциалу относительно питания (+2.5 В), а не к земле. Отметим, когда

REF

не

заземлен, выходной сигнал должен отсчитываться от значения

REF

Рис.4.15. Использование AD7730 для элемента нагрузки (динамометра).

24-разрядный сигма-дельта АЦП AD7730 является идеальным устройством для

прямого подключения к мосту безинтерфейсных цепей. Упрощенная схема подключения

показана на Рис.4.15. Вся схема питается от одного источника +5 В, являющегося также

источником возбуждения моста. Отметим, что измерения являются относительными, так

как напряжение на чувствительных выводах моста одновременно является опорным для

АЦП. Изменения величины напряжения +5 В не влияют на точность измерения.

♦ Допущение:

Выход полной шкалы ±10мВ при возбуждении 10В

Активирован «режим прерывания»

Выполняется системная калибровка: «ноль» и «полная шкала»

♦ Работа:

Шум, приведенный к входу: 40 нВ (действующее), 264 нВ (р-р)

Разрешение (без шумов): 80000 отсчетов (16.5 разрядов)

Нелинейность усиления: 18ppm

Точность усиления: < 1 мкВ

Напряжение смещения: < 1 мкВ

Дрейф смещения: 0.5 мкВ/°С

Дрейф усиления: 2ppm/°С

Примечание: дрейф усиления и смещения устраняются системной калибровкой

Рис.4.16. Работа АЦП AD7730 в составе динамометра.

LEAD

+FORCE

-FORCE

-SENSE

+SENSE

5В/+3В

REF

-A

-V

REF

GND

AD7730

РАЗДЕЛ 4: Измерение деформации, силы, давления и потока

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru, E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Горшков Б.Л.

4-10

AD7730 содержит внутренний усилитель с программируемым усилением,

позволяющий преобразовывать выходное напряжение полной шкалы моста ±10 мВ с

точностью 16 разрядов. AD7730 может выполнять самокалибровку и системную

калибровку, что при периодическом выполнении позволяет минимизировать ошибки

усиления и смещения. В этом смысле действие АЦП очень похоже на работу усилителя,

стабилизированного прерыванием. Действующее напряжение шума, приведенное к входу,

составляет около 40 нВ, или 264 нВ от пика до пика, что соответствует разрешению

13 ppm или около16.5 разрядов. Линейность усиления также около 16 разрядов.

Дальнейшее обсуждение работы AD7730 можно найти в Разделе 8.

Литература

1. Ramon Pallas-Areny, John G. Webster,

Sensors and Signal Conditioning

John Wiley, New York, 1991.

2. Dan Sheingold, Editor,

Transducer Interfacing Handbook

Analog Devices, Inc., 1980.

3. Walt Kester, Editor,

1992 Amplifier Applications Guide

, Section 2, 3,

Analog Devices, Inc., 1992.

4. Walt Kester, Editor,

System Applications Guide

, Section 1, 6,

Analog Devices, Inc., 1993.

5. Harry L. Trietley,

Transducers in Mechanical and Electronic Design

Marcel Dekker, Inc., 1986.

6. Jacob Fraden,

Handbook of Modern Sensors, Second Edition

Springer-Verlag, New York, NY, 1996.

7. Omega Engineering,

The Pressure, Strain, and Force Handbook, Vol. 29

One Omega Drive, P.O. Box 4047, Stamford CT, 06907-0047, http://www.omega.com

8. Omega Engineering,

The Flow and Level Handbook, Vol. 29

One Omega Drive, P.O. Box 4047, Stamford CT, 06907-0047, http://www.omega.com

9. Ernest O. Doebelin,

Measurement Systems Applications and Design

Fourth Edition, McGraw-Hill, 1990.

10. AD7730 Data Sheet,

Analog Devices, http://www.analog.com

РАЗДЕЛ 4: Измерение деформации, силы, давления и потока

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru, E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Горшков Б.Л.

4-11

ДАТЧИКИ С ВЫСОКИМ ИМПЕДАНСОМ

РАЗДЕЛ 5: Датчики с высоким импедансом

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru, E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Горшков Б.Л.

5-1

РАЗДЕЛ 5: ДАТЧИКИ С ВЫСОКИМ ИМПЕДАНСОМ

Уолт Кестер, Скотт Вёрсер, Чак Китчин

!Предусилитель для фотодиода

!Компенсация в высокоскоростном фотодиодном I/V конверторе

!Высокоимпедансные датчики с зарядом на выходе

!CCD/CIS обработка изображений

Существует много популярных датчиков, которые обладают высоким выходным

сопротивлением (более нескольких МΩ), и следует тщательно продумывать конструкцию

связанных с ними цепей нормирования с тем, чтобы удовлетворить требованиям низких

входных токов, шумов и высокого усиления. Большая часть данного раздела посвящена

анализу предусилителей сигналов с фотодиодов. Данное приложение раскрывает

большое число вопросов, возникающих при нормировании сигналов с датчиков высокого

импеданса и предлагает практические решения, применимые почти для всех датчиков

подобного типа. Другим типом обсуждаемых датчиков являются датчики с выходным

сигналом в виде некоторого заряда и приборы с зарядовой связью (CCD, ПЗС).

♦ Предусилители для фотодиодов

♦ Пьезоэлектрические датчики

♦ Акселерометры

♦ Гидрофоны

♦ Мониторы влажности

♦ рН мониторы

♦ Химические датчики

♦ Дымовые датчики

♦ Приборы с зарядовой смесью и контактные

датчики для обработки изображений

Рис.5.1. Датчики с высоким импедансом.

Предусилитель для фотодиода

Фотодиоды генерирует малый выходной ток, величина которого пропорциональна

уровню их освещенности. Они нашли весьма широкий спектр приложений, от устройств

прецизионного измерения в светотехнике до высокоскоростных приемников в оптической

связи.

Эквивалентная схема фотодиода показана на Рис.5.3. Один из стандартных

методов для определения чувствительности фотодиода состоит в измерении его фототока

при короткозамкнутой внешней цепи при заданном световом потоке от известного

источника света. Наиболее часто используемым таким источником является лампа с

вольфрамовой нитью накаливания, работающая при температуре 2850К. При

освещенности 100 fc (фут-свечей) (соответствует уровню освещенности в хмурый день)

фототок короткого замыкания лежит в пределах от пА до сотен мА для диодов малой

площади (менее 1мм

РАЗДЕЛ 5: Датчики с высоким импедансом

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru, E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Горшков Б.Л.

5-2

♦ Оптика: фотометрия, автофокусировка, управление вспышкой

♦ Медицина: томография (гамма-детектор), анализаторы состава крови

♦ Автостроение: системы управления передним светом, детекторы

внешней освещенности

♦ Связь: приемники с оптических кабелей.

♦ Промышленность: сканнеры кодовых этикеток, датчики положения,

лазерные принтеры.

Рис.5.2. Приложения для фотодиодов.

Рис.5.3. Эквивалентная схема фотодиода.

Ток короткого замыкания фотодиода чрезвычайно линеен от освещенности - более

6 .. 9 декад и поэтому часто используется как мера абсолютной освещенности.

Напряжение на диоде при разомкнутой цепи меняется логарифмически от уровня

освещенности, но вследствие его сильной температурной зависимости, напряжение на

фотодиоде редко используют для точного измерения интенсивности света.

Параллельное сопротивление

составляет обычно около 1000Мом при

комнатной температуре и уменьшается в 2 раза на каждые 10°С роста температуры.

Емкость диода

является функцией площади перехода и обратного приложенного

напряжения. Для фотодиода малой площади при нулевом смещении емкость 50 пФ

является типовой.

ФОТОВОЛЬТАЖНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ

♦ Нулевое смещение

♦ Нет темнового тока

♦ Линеен

♦ Малый шум (Джонсона)

♦ Прецизионные приложения

ФОТОКОНДУКТИВНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ

♦ Обратное смещение

♦ Имеется темновой ток

♦ Нелинеен

♦ Шум выше (Джонсона + дробовой)

♦ Быстродействующие приложения

Рис.5.4. Режимы работы фотодиода.

ПРИМЕЧАНИЕ:

УВЕЛИЧИВАЕТСЯ В ДВА РАЗА ПРИ

ВОЗРАСТАНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ НА КАЖДЫЕ 10°

ФОТОТОК

100K

Ω

- 100

ГΩ

ПАДАЮЩИЙ СВЕТ

ИДЕАЛЬНЫЙ ДИОД

–

–V

BIAS

РАЗДЕЛ 5: Датчики с высоким импедансом

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru, E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Горшков Б.Л.

5-3

Фотодиоды могут работать при нулевом смещении (фотовольтажное включение -

слева), либо при обратном смещении (фотопроводящее включение - справа), как

показано на Рис.5.4. Наиболее высокая линейность работы достигается при

фотовольтажном включении, тогда как наиболее высокая скорость переключения

реализуется в фотопроводящем включении (за счет линейности). При обратном

смещении в цепи будет протекать малый ток даже при отсутствии освещенности -

темновой ток

. В фотовольтажном включении темновой ток отсутствует, и шум является

тепловым шумом параллельного резистора (выходного сопротивления). В случае

фотопроводящего включения появляется дополнительный источник дробового шума

(темновой ток). На этапе производства фотодиоды адаптируются для включения в одном

или другом режиме (и используется только один режим, но не оба). На Рис.5.5

приводится цифра фоточувствительности малого фотодиода SD-020-12-001, а

спецификации даются на Рис.5.6. Данный диод будет использоваться в приводящихся

примерах.

♦ Площадь: 0.2 мм

♦ Емкость: 50 пФ

♦ Параллельное сопротивление: @ 25°С 100МΩ

♦ Максимальный линейный выходной ток: 40 мА

♦ Время отклика: 12 нс

♦ Фоточувствительность: 0.003 мкА/fc

Рис.5.5. Спецификации фотодиода (Silicon Detector Part Number SD-020-12-001).

Освещение

Освещенность,

Ток короткого

замыкания

Прямой солнечный свет 1000 30 мкА

Хмурый день 100 3 мкА

Сумерки 1 0.03 мкА

Полнолуние 0.1 3000 пА

Безлунная ночь 0.001 30 пА

Рис.5.6. Зависимость тока короткого замыкания фотодиода от освещенности.

Наиболее простой способ преобразовать ток фотодиода в более удобную

величину. Напряжение состоит в конвертировании тока с помощью преобразователя ток -

напряжение – ПТН (см. Рис.5.7).

Рис.5.7. Преобразователь ток - напряжение (упрощенно).

–

OUT

= 30

мВ

R = 1000 M

Ω

= 30

пА

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ 1 мВ/пА

РАЗДЕЛ 5: Датчики с высоким импедансом

Автор перевода: Горшков Б.Л.

5-4

Нулевое напряжение на диоде поддерживается потенциалом виртуальной земли

операционного усилителя, а ток короткого замыкания преобразуется в напряжение. При

максимальной чувствительности усилитель должен регистрировать токи диода до 30 пА.

Это предполагает что резистор обратной связи должен быть весьма большой величины, а

входной ток усилителя - весьма малой. Для тока в 30 пА сопротивление 1000 МΩ даст

напряжение 30 мВ. Выберем величину 1000 МΩ в качестве сопротивления диапазона

максимальной чувствительности. Это даст выходное напряжение 10 мВ при токе диода

10 пА, и 10 В при токе 10 нА, что составит 60 дБ по динамическому диапазону. Для более

высоких освещенностей усиление схемы следует уменьшить путем понижения величины

резистора обратной связи. В случае же максимальной чувствительности, мы должны

различать изменение интенсивности света при переходе от безлунной ночи (0.001 fc) к

полнолунию (0.1 fc)!

Отметим, что мы выбрали для получения максимального усиления один каскад, а

не использовали два. Это было сделано для того, чтобы увеличить отношение сигнал -

шум (С-Ш). Если уменьшить сопротивление обратной связи в два раза, уровень сигнала

уменьшится в 2 раза, а шум резистора уменьшится только в √2 раз. Отношение сигнал-

шум уменьшится на 3 дБ, если полоса не изменится. В дальнейшем при выполнении

анализа мы покажем, что резисторы вносят максимальный вклад в полный выходной шум

каскада.

Для точного измерения токов фотодиода в диапазоне десятков пА, входной ток ОУ

должен быть не более нескольких единиц пА. Что существенно сужает область выбора

операционных усилителей. Индустриально стандартный ОР07 с ультра низким

напряжением смещения (10 мкВ) и биполярной технологией имеет неприемлемо высокий

входной ток 4 нА (4000 пА!). Даже супер-бета биполярные ОУ с компесацией входного

тока (как ОР97) имеют входные токи порядка 100 пА при комнатной температуре и

подойдут только для приложений, эксплуатируемых при очень высоких температурах,

поскольку здесь входные токи не удваиваются на каждые 10°С увеличения температуры

как происходит в случае с FET каскадами. Для нашего предусилителя выбран

электрометрический операционный усилитель (работает в ограниченном температурном

диапазоне). Рис.5.8 приводит рабочие характеристики популярных электрометрических

операционых усилителей с FET входами.

Устройство

MAX

ТК

MAX

MAX*

Шум

0.1 - 10

Гц

Корпус

AD549 250 мкВ 5 мкВ/°С 100 фА 4 мкВ р-р TO-99

AD645 250 мкВ 1 мкВ/°С 1.5 пА 2 мкВ р-р TO-99, DIP

AD795 250 мкВ 3 мкВ/°С 1 пА 2.5 мкВ р-р SOIC, DIP

*Указано для 25°С

Рис.5.8. Прецизионные BiFET операционные усилители с малыми входными токами

(электрометрическая градация).

Эти устройства производятся по BiFET технологии и используют Р-канальные JFET

транзисторы во входном каскаде (см. Рис.5.9). Оставшаяся часть операционных

усилителей выполняется на биполярных транзисторах. Для минимизации напряжения

смещения и температурного дрейфа смещения в BiFET операционном усилители

используется лазерная подгонка на пластине. Сначала минимизируется дрейф

напряжения смещения путем уравнивания токов JFET танзисторов, составляющих

дифференциальную пару входного каскада. Далее подстраиваются истоковые резисторы

для минимизации входного напряжения смещения. Для предусилителя фотодиода был

выбран ОУ AD795, а его основные характеристики приведены на Рис.5.10.