Presentasjon lastes. Vennligst vent

Presentasjon lastes. Vennligst vent

2009 2012 Forelesning nr.13 INF 1411 Elektroniske systemer Sensorer AD og DA-konvertering 23.04.2012INF 1411 1.

Liknende presentasjoner


Presentasjon om: "2009 2012 Forelesning nr.13 INF 1411 Elektroniske systemer Sensorer AD og DA-konvertering 23.04.2012INF 1411 1."— Utskrift av presentasjonen:

1 2009 2012 Forelesning nr.13 INF 1411 Elektroniske systemer Sensorer AD og DA-konvertering 23.04.2012INF 1411 1

2 2009 2012 Dagens temaer Sensorer for temperaturmåling Måling av strekk, press og væskestrømmer Hastighetsmåling Digital-til Analog konvertering (DAC) Analog-til-Digital konvertering (ADC) Dagens temaer er hentet fra kapittel 20.1-20.5 + ekstrastoff dekket kun av forelesning 23.04.2012INF 1411 2

3 2009 2012 Temperaturmåling Presis måling av temperaturer er avgjørende på en mengde ulike områder, bla i industrielle prosesser, helse, varme og energi etc etc Tidligere tiders temperaturmålere var basert på varmeutvidelseskoeffisienter til ulike matererial som kvikksølv og etanol, og avlesningen var stort sett med det blotte øye Dagens temperaturmålere er transducere, dvs at temperatur- avlesningen konverteres til en spenning eller strøm som er proporsjonal med temperaturen 23.04.2012INF 1411 3

4 2009 2012 Temperaturmåling (forts) Det benyttes i dag hovedsaklig tre typer transducere: Termokoblinger Temperaturavhengig resistans Termistorer Felles for dem alle er at de har begrensinger i temperatur- område, presisjon, linearitet og hastighet Begrensningene trekker som regel i motsatt retning, dvs at om man velger høy presisjon har man lite temperaturområde Ikke-linearitet kan relativt enkelt kompenseres 23.04.2012INF 1411 4

5 2009 2012 Termokoblinger Termokoblinger er en type temperatursensorer som baserer seg på Seebeck-spenningen Hvis to ulike metaller eller metall-legeringer forbindes, oppstår det et elektrisk felt i overgangen i størrelsesorden mV Størrelsen på feltet øker og er tilnærmet lineært proporsjonalt med temperaturen Termokoblinger kan måle fra -250 til 2000 o C, men for en gitt metallkombinasjon er området mye mindre 23.04.2012INF 1411 5 Heat Metal A Metal B V AB + -

6 2009 2012 Termokoblinger (forts) Enhver metall-metall overgang vil produsere et elektrisk felt, og derfor vil også tilkoblingen til en termokobling introdusere en ny termokobling Det er derfor viktig at man kompenserer for parasitt- spenningene som introduseres 23.04.2012INF 1411 6

7 2009 2012 Termokoblinger (forts) En teknikk går på å ha en referansetemperatur (f.eks isvann med 0 grader) med en ekstra termokobling Referansen gjør at man introduserer en ny termokobling men med kjent temperatur og kjent Seebeck-spenning, og denne kan da trekkes fra den målte spenningen i den ønskede måleproben 23.04.2012INF 1411 7

8 2009 2012 Termokoblinger (forts) Som regel er det ikke praktisk å ha en ismaskin for å lage en referansetemperatur Mer vanlig er å bruke en temperaturavhengig strømkilde for å kompensere for den ekstra Seebeck-spenningen 23.04.2012INF 1411 8 Copper (Cu) CuConstantan Strømkilden genererer en spenning i R som matcher den uønskende termokoblings- overgangen Measuring thermocouple AvAv AvVTAvVT +V VTVT +  +  VcVc IcIc Cu En uønsket termokoblingsspenning oppstår mellom kobber og konstantan-overgangen. Den uønskede termokoblings- spenningen kanselleres av V c. +  Output er kun funksjon av V T.

9 2009 2012 Resistansedetektorer En annen utbredt temperaturmåler er utnytting av temperatur- avhengig resistans (RTD) RTD’er har også problem med parasitteffekter, fordi tilkoblingslederne også tilfører temperaturavhengig resistans Temperaturen måles enten ved å måle spenningsfallet over en motstand med konstant strøm, eller endringen i resistans i en brokobling (som måles som en spenningsendring) 23.04.2012INF 1411 9

10 2009 2012 Resistansedetektorer (forts) En brokobling med tre ledere istedenfor to eliminerer problemet med at lederne også har resistans 23.04.2012INF 1411 10 R1R1 V OUT R2R2 R3R3 RARA RBRB RTD Ledningsmotstanden i den tredje ledningen har liten effekt på V OUT fordi det ikke går strøm i lederen Lednings- motstand Upper leg Lower leg + 

11 2009 2012 Termistorer En tredje type temperaturmåler er terminstorer som er en type halvleder hvor resistansen synker med økende temperatur Termistorer har en logaritmisk (ikke lineær) karakteristikk 23.04.2012INF 1411 11 Termistorer har smal bånd- bredde, men er raske, presise og billige Brukes bla integrert på CPU’er for å styre viftehastighet Termistorer kan også brukes i brokoblinger

12 2009 2012 Måling av strekk, trykk og væskestrøm Strekk eller bøyning kan måles med en mostandstråd som ender motstand ved strekk eller sammentrykning 23.04.2012INF 1411 12

13 2009 2012 Måling av strekk, trykk og væskestrøm Samme oppsett som for temperaturmåling brukes for trykk og strekkmåling Trykk og strekk er enklere å måle fordi det ikke er nødvendig å kompensere i like stor grad 23.04.2012INF 1411 13

14 2009 2012 Måling av strekk, trykk og væskestrøm Trykk kan måles ved å feste en strekksensor på en fleksibel membran Væskestrøm kan måles ved å beregne trykkforskjellen mellom to punkter med ulik diameter 23.04.2012INF 1411 14

15 2009 2012 AD og DA-konvertering Verden er stort sett analog, dvs alt er kontinurerlige verdier Kjernen i beregningssystemer er som regel digital 23.04.2012INF 1411 15 Digitalt system Analog til Digital konverter Digital til Analog konverter Analoge signaler Analoge signaler

16 2009 2012 AD og DA-konvertering (forts) For å kunne kommunisere med omverdenen trengs derfor kretser for å Konvertere fra analoge signaler til digitale signaler (kalt A/D-konvertere eller ADC) Konvertere digitale signaler til analoge signaler (kalt D/A-konvertere eller DAC) Det finnes en rekke ulike algoritmer for kretser for ADC og DAC, avhengig av krav til hastighet, nøyaktighet, effektforbruk, pris etc Kravet til oppløsning er som regel gitt av det digitale systemet (hvor mange bit det arbeider med) 23.04.2012INF 1411 16

17 2009 2012 Analog-til-digital konvertering En PC har flere enheter knyttet til seg som kan ses på som AD- konvertere: Tastatur Mus Mikrofon Alle har til oppgave å omforme ytre analoge signaler til digital representasjon som benyttes til videre beregninger Det aller vanligste er en ADC som konverterer en analog spenning til et bitmønster, dvs én signallinje inn (analog) og N signallinjer ut (en linje for hvert bit) 23.04.2012INF 1411 17

18 2009 2012 Analog-til-digital konvertering (forts) V s er den spenningen som brukes for å angi logisk ’1’, mens B i enten er ’0’ eller ’1’, så V s B i er derfor enten 0 volt eller V s volt 23.04.2012INF 1411 18 ADC V in B0VsB0Vs B1VsB1Vs B N-1 V s N bit

19 2009 2012 ADC med teller 23.04.2012INF 1411 19 Binærteller DAC + _ Analog input Klokkesignal Komparator VaVa VdVd MSB LSB Digital output Nullstill

20 2009 2012 ADC med teller (forts) 23.04.2012INF 1411 20 Klokkepuls Spenning VdVd VaVa Avrundingsfeil Så lenge Va er mindre enn Vd, vil telleren fortsette å telle Avrundingsfeilen skyldes at den digitale telleren har endelig oppløsning

21 2009 2012 ADC med teller (forts) 23.04.2012INF 1411 21 Avrundingsfeilen kan gjøres vilkårlig liten ved å øke antall bit i telleren og det digitale signalet Jo flere bit, desto langsommere blir ADC’en For å konvertere V a, trengs V d /V a antall klokkesykler Største ulempen med denne ADC’en er at den ikke klarer å følge det analoge signalet hvis det varierer over tid, med mindre man nullstiller telleren og starter på nytt Hvis man erstatter den binære telleren med en opp-ned teller kan man følge tidsvarierende signaler bedre

22 2009 2012 ADC med opp/ned teller 23.04.2012INF 1411 22 U/D-teller DAC + _ Analog input Klokkesignal Komparator VaVa VdVd MSB LSB Digital output Nullstill Opp/Ned kontroll

23 2009 2012 ADC med opp/ned teller 23.04.2012INF 1411 23 CpCp V VdVd VaVa ADC med vanlig teller CpCp V VdVd VaVa ADC med opp/ned teller I motsetning til ADC med vanlig teller, vil det minst signifikante bitet endre verdi rundt V a selv når V a ikke endrer seg

24 2009 2012 ADC med suksessiv tilnærming 23.04.2012INF 1411 24 Største ulempen med tellende ADC’er er at de trenger i verste fall 2 N intervaller for å telle seg opp til riktig spenning Istedenfor en teller kan man bruke en bruke en programmerbar enhet som gjør et binærsøk etter riktig verdi, og den trenger maks N intervaller for å finne spenningen Enheten starter med å sette ’1’ i MSB og de andre bit’ene til ’0’. Hvis V d fortsatt er lavere enn V a, settes det nest mest signifikante bit’et til 1. Hvis V d er høyere enn V a, settes det mest signifikate bitet til 0 og de resterende til 1 Prosessen over gjentas helt til det er det minst signifikante bitet som må endres.

25 2009 2012 ADC med parallell komparator 23.04.2012INF 1411 25 Det tre foregående ADC’ene er langsomme (i varierende grad) siden de baserer seg på suksessive tilnærming En raskere måte er å gjøre sammenligning i parallell, uten bruk av klokkesignaler Hastigheten til en ADC med parallellkomparator er begrenset av tidsforsinkelsen gjennom opamp’er og digital logikk alene Ulempen er at det kreves ekstra hardware: N-1 komparator for N bit N motstander for N bit Hvis hastighet er det viktigste vil man velge denne typen ADC Ingen problemer med tidsvareierende input-spenninger

26 2009 2012 ADC med parallell komparator (forts) 23.04.2012INF 1411 26 For å forstå denne typen ADC, trenger man å skjønne hva en prioritetsenkoder gjør En prioritetsenkoder en en ren digital krets som har M input- linjer og N outputlinjer, og hvor 2 N ≥ M Verdien på de N output-linjene angir det mest siginifikante bitet i M som har en ’1’ W7W7 W6W6 W5W5 W4W4 W3W3 W2W2 W1W1 Y1Y1 Y2Y2 Y3Y3 0000000000 0000001001 0000011010 0000111011 0001111100 0011111101 0111111110 1111111111

27 2009 2012 ADC med parallell komparator (forts) 23.04.2012INF 1411 27 Prioritets- enkoder + _ + _ + _ + _ VaVa V(=konstant) R R R R R 7/8 V 6/8 V 2/8 V 1/8 V W7W7 W6W6 W2W2 W1W1 Y2Y2 Y1Y1 Y0Y0

28 2009 2012 Dual-slope ADC 23.04.2012INF 1411 28 Dette er en mye brukt ADC som er basert på integrasjon Kresten bruker få komponenter og kan lages med så høy oppløsning som ønskelig Området det skal måles i kan også settes ved en referanse- spenning V ref, og man får samme oppløsning uavhengig av hva V ref er. En av fordelene ved kretsen er at den kan gjøres immun mot støy i input-signalet, f.eks fra lysnettet (50 Hz)

29 2009 2012 Dual-slope ADC (forts) 23.04.2012INF 1411 29 - + - + Teller Nullstill CpCp VaVa V ref Analog bryter Integrator Komparator Digitaldel Analog input Referansespenning S1S1 S2S2

30 2009 2012 Dual-slope ADC (forts) 23.04.2012INF 1411 30 Telleren nullstilles og kondensatoren lades først ut (S 1 er åpen og S 2 lukkes) Kondensatoren i integratoren lades opp over et fast tids- intervall (kalt samplingsintervallet) av input-spenningen ved at S 1 kobles til V a og S 2 åpnes. Telleren teller ikke Jo høyere input-spenning, desto høyere spenning lades kondensatoren opp til i løpet av samplingsintervallet Ved enden av samplingsintervallet kobles så S 1 til V ref og kondensatoren lades ut, samtidig som telleren starter Når spenningen har ladet seg ut til V ref, stopper telleren, og man har da et mål for V a relativt til V ref

31 2009 2012 Dual-slope ADC (forts) 23.04.2012INF 1411 31 Fast samplingsintervall Høy inputspenning Middels inputspenning Lav inputspenning Fast utladningsrate Stort digitalt tall Middels digitalt tall Lite digitalt tall

32 2009 2012 Digital-til-analog konvertere (DAC) 23.04.2012INF 1411 32 Ofte trenger man en analog representasjon av digitale verdier, f.eks høytalere som er koblet til en PC eller en MP3-spiller ADC’er er ofte enklere å lage, og har heller ikke de samme utfordringene med oppløsning og hastighet ADC’er er nesten utelukkende basert på opamp’er og motstandsnettverk, eventuelt transistorer Sammenhengen mellom den digitale og analoge representasjonen er gitt av der V 0 er den analoge verdien, V er en proporsjonalitetsfaktor og a n bit nummer n i det digitale tallet som skal konverteres

33 2009 2012 DAC med binærvektet motsandsnettverk 23.04.2012INF 1411 33 S N-1 S N-2 S N-3 S N-0 - + Bit N-1 Bit N-2 Bit N-3 Bit 0 R 2R 4R 2 N-1 R -’V ref =’1’ ’0’ R’ VoVo Strøm-til spenningskonverter Eks: MSB=’1’ og de andre bitene =’0’ I R =-V R /R og V o =V R R’/R Digital bryter

34 2009 2012 Implementasjon av digitale brytere 23.04.2012INF 1411 34 Q Q’ OpAmp inputlinje -V ref Q’ OpAmp inputlinje V ref - +


Laste ned ppt "2009 2012 Forelesning nr.13 INF 1411 Elektroniske systemer Sensorer AD og DA-konvertering 23.04.2012INF 1411 1."

Liknende presentasjoner


Annonser fra Google