Элементная база интеллектуальных сенсоров. Часть 1

Цель лекции: ознакомить слушателей с современной элементной базой, применяемой при построении интеллектуальных сенсоров. Описать свойства и принципы применения операционных и дифференциальных усилителей, их номенклатуру, достигнутые технические параметры. Рассказать о природе собственных и привнесенных шумов усилителей и чувствительных элементов, дать рекомендации по способам борьбы с шумами и сторонними влияниями. Объяснить в связи с этим принципы работы дифференциальных пар чувствительных элементов и мостовых схем. Указать на возможность использования промышленных высококачественных интегральных узкополосных и широкополосных усилителей низкой, промежуточной и высокой частоты и готовых радиотрактов. Ознакомить с промышленно выпускаемыми АЦП и микрокомпьютерами. Объяснить разницу между терминами "микрокомпьютер", "микропроцессор", "микроконтроллер" и "микроконвертор". Указать на то, что именно они позволяют сделать сенсор "умным", интеллектуальным.

25.1. Электронные усилители

В этой и в следующей лекции мы рассмотрим принципы построения некоторых основных узлов интеллектуальных сенсоров. Их принято называть " элементной базой". В объём этого понятия входят: чувствительные элементы, усилители, типовые схемы сравнения, АЦП, микрокомпьютеры, узлы взаимодействия с пользователем (клавиатура, дисплеи), внутренняя память, внешний интерфейс и т.д., – из которых и строятся интеллектуальные сенсоры.

Сенсоры, в которых получаемые от чувствительных элементов (первичные) сигналы достаточно велики и не нуждаются в усилении, уже давно разработаны. Во вновь создаваемых сенсорах сигналы на выходах чувствительных элементов, как правило, очень слабы и не превышают нескольких милливольт или микровольт, нескольких наноампер или даже пикоампер. Поэтому обычно требуется усиление до 100000 раз по напряжению и даже в миллионы раз по электрическому току. Как правило, требуется не только усиление, но и согласование импедансов, улучшение соотношения сигнал/шум, иногда также электрическая изоляция ("развязка") чувствительных элементов и т.п.

Еще во времена, когда элементная база электроники состояла из отдельных транзисторов, резисторов, фотодиодов, конденсаторов, катушек индуктивности, был разработан ряд стандартных схем усиления для работы с типичными чувствительными элементами. Теперь все такие усилители выполняют в виде монолитных интегральных схем на одном кристалле или в виде гибридных интегральных схем на общей подложке в одном корпусе. В технической документации к ним и в справочниках, как правило, приводятся исчерпывающие технические характеристики усилителей и типовые схемы их подключения, принципы расчета параметров при решении разнообразных схемотехнических задач.

25.1.1. Операционные усилители

Одним из наиболее употребительных в сенсорике классов интегральных усилителей являются так называемые " операционные усилители " (ОУ). В электрических схемах их изображают в виде треугольника с двумя входами: "инвертирующим", который отмечают знаком "–", и "неинвертирующим", который отмечают знаком "+" (рис 25.1, а ).

Операционный усилитель имеет высокий коэффициент усиления (105–106 и даже выше), низкий коэффициент собственного шума, широкий частотный диапазон, большое входное и малое выходное сопротивление, может надежно работать с электрическими емкостями. ОУ почти не чувствителен к синфазным помехам, которые действуют одновременно на оба его входа, малочувствителен к помехам по шине питания.

На рис 25.1рис. 25.1 показаны типовые схемы использования ОУ. В неинвертирующих усилителях сигналов (рис 25.1, б ) с помощью резисторов $$R_1$$ и $$R_2$$ организуют цепь обратной связи. Этим обеспечивается точное значение коэффициента усиления$$K=1+R_2/R_1,$$ который является постоянным в широком частотном диапазоне и при изменениях температуры, если резисторы $$R_1$$ и $$R_2$$ сделаны из одного материала. От глубины обратной связи зависят также линейность и выходной импеданс усилителя. В случае 100%-й обратной связи (рис 25.1, в ) ОУ работает как повторитель напряжения: коэффициент усиления напряжения практически равен 1, а коэффициент усиления тока может быть очень высоким (до 10⁶ и выше). Такая схема является также преобразователем импеданса, так как имеет высокий входной и малый выходной импеданс.

На рис 25.1, г показан "зарядовый" усилитель, предназначенный для восприятия очень слабых сигналов от емкостных элементов, когда электрический заряд изменяется на единицы пикокулона (10^–12 Кл) или скорость изменения заряда составляет порядка единиц пикоампера (10^–12А). Это по сути преобразователь малых изменений электрического заряда в заметные изменения напряжения на выходе ОУ с чувствительностью до 1 В/пКл. Цепь обратной связи замыкается здесь через конденсатор $$С$$, который должен быть высококачественным и иметь очень большое сопротивление стеканию электрических зарядов.

Слабые сигналы от тех чувствительных элементов, которые действуют подобно к источнику тока, например, от фотодиодов, усиливают с помощью типовой схемы, показанной на рис 25.1,д. Чувствительный элемент в такой схеме работает при почти нулевой и почти неизменной разности потенциалов, а напряжение на выходе$$U_{\textit{вых}}=-i_{\textit{вх}}R_2$$

Для надежной работы схемы номинал резистора $$R_2$$ должен быть намного больше, чем номинал резистора $$R_1$$.

Операционные усилители реализуют как на биполярных, так и на комплементарных полевых транзисторах со структурой "метал - диэлектрик - полупроводник" (КМДП). Имеются и смешанные "биполярно-полевые" варианты ОУ, где полевые транзисторы используют лишь на входе для обеспечения высокого входного сопротивления и малого входного тока.

Идеальный ОУ имел бы бесконечный коэффициент усиления по напряжению, бесконечно большое входное и нулевое выходное сопротивление, неограниченный диапазон частот усиливаемых сигналов, независимость от температуры и других внешних воздействий. В реальных ОУ не удается одновременно приблизиться ко всем идеальным параметрам. Поэтому наряду с ОУ широкого потребления, которые выпускаются многомиллионными тиражами, и в которых в равной мере оптимизированы одновременно все параметры, ныне разработаны и выпускаются также ОУ специальных типов с оптимизацией одного-двух важнейших параметров:

Основные параметры некоторых типов ОУ приведены в табл. 25.1.

Просим принять во внимание, что ОУ, как и другие элементы микроэлектроники, все время совершенствуются, и приведенные данные относительно быстро могут устареть.

25.1.2. Дифференциальные усилители

Иначе устроены так называемые "дифференциальные" или "измерительные" усилители, которые промышленность тоже выпускает ныне в виде миниатюрных интегральных схем. Основная их функция – это формирование выходного сигнала, пропорционального разности напряжений на двух его входах$$U_{\textit{вых}}=K(U_{\textit{вх}1}-U_{\textit{вх}2})=K\Delta U$$

Коэффициент усиления $$K$$ у них обычно порядка 100–1000, чувствительность – несколько микровольт. Синфазные помехи, которые одновременно поступают на входы, ослабляются на 100–120 дБ.

Фирма Analog Device, например, выпускает отличные дифференциальные усилители AD8129, AD8350-20, AD8351 и AD8390 в корпусах типа SO-8, MSOP-10, LFCSP-16, QSOP-epad-16 с шириной частотной полосы соответственно 200; 700; 3000 и 60 МГц (на уровне –3 дБ), с плотностью собственного шума соответственно 4,5; 1,7; 2,7 и 8 нВ/Гц^1/2, которые могут питаться от напряжения 5-10 В и 10-24 В (AD8390).

25.1.3. Мостовые схемы

Дифференциальные усилители часто используют при работе с так называемыми " мостовыми схемами ", которые называют еще " . Здесь $$U_{\text{оп}}$$ – стабилизированный источник опорного (эталонного) напряжения. Импедансы $$Z_1, Z_2, Z_3, Z_4$$ могут быть активными, реактивными или комплексными. Расчет показывает, что дифференциальное напряжение на выходе моста$$U_{\textit{диф}}=U_{\textit{оп}}[Z_1/(Z_1+Z_2)-Z_3/(Z_3+Z_4)]$$

Оно равняется нулю, если мост "сбалансирован", т.е. когда выполняется соотношение$$Z_1/Z_2=Z_3/Z_4$$

При изменении импеданса любого из плеч моста его баланс нарушается, и на выходе появляется разность напряжений. На практике чаще всего изменяется лишь один импеданс – импеданс чувствительного элемента.

Для компенсации влияния таких внешних факторов, как температура, давление, сторонние электрические или магнитные поля часто используют 2 одинаковых чувствительных элемента, которые симметрично включают в разные плечи моста (например, $$Z_1$$ и $$Z_3$$ ). Один из них "следит" за контролируемым объектом или процессом, а другой изолирован от него. Тогда все сторонние внешние факторы одинаково влияют на оба чувствительных элемента и не приводят к разбалансировке моста. Одинаково реагировать на изменения внешних факторов должны также импедансы $$Z_2$$ и $$Z_4$$. С этой целью их обычно делают идентичными. Разбалансировка моста и выходное напряжение $$U_{\text{диф}}$$ определяются в таком случае лишь изменениями в контролируемом объекте или процессе.

Чтобы повысить линейность и точность сенсора, нередко используют автоматическую нуль-балансировку моста (рис 25.3).

Напряжение с выхода дифференциального усилителя ДУ подается на регулятор Рг, который в зависимости от знака этого напряжения может изменять величину импеданса $$Z_2$$ в ту или другую сторону. Лишь когда мост полностью сбалансирован, напряжение на выходе усилителя равно нулю, и импеданс $$Z_2$$ перестает изменяться. Регулятор Рг выдает на свой выход величину изменения импеданса $$Z_2$$, которая пропорциональна изменению импеданса чувствительного элемента $$Z_1$$.

Благодаря автоматической нуль-балансировке чувствительный элемент все время работает при неизменном напряжении, и никаких нелинейностей, связанных с изменением напряжения на нем, не возникает. В состав регулируемого импеданса $$Z_2$$ может входить, например, полевой транзистор, сопротивление которого изменяется при изменении потенциала на "затворе". Регулятор может быть также оптоэлектронным (тогда в его состав входит светодиод, а в состав импеданса $$Z_2$$ – фоторезистор) или, скажем, магнитным (тогда в состав регулятора входит катушка подмагничивания, а в состав импеданса $$Z_2$$ – катушка индуктивности, намотанная на тот же магнитопровод).

В радиосенсорах широко используют ныне промышленные интегральные усилители высокой, промежуточной и низкой частоты. Они бывают узкополосными ("резонансные", настроенные на какую-то одну частоту) и широкополосными. В широкополосных усилителях коэффициент усиления остается приблизительно постоянным в довольно широком диапазоне частот. Выпускаются также микросхемы, в которых сформирован даже целый радиотракт (УВЧ, преобразователь частоты, УПЧ, демодулятор и УНЧ).

25.2. Шумы и борьба с ними

В тех случаях, когда сигналы от чувствительных элементов очень слабы или когда требуются максимальные чувствительность и разрешающая способность сенсора, тогда при выборе усилителей следует обратить особое внимание на все возможные источника шума. Под " шумами " понимают любые причины отклонения показаний сенсора от истинного значения, которые имеют стохастический (случайный, не предвиденный) характер. Шумы обычно делят на собственные, возникающие внутри самого сенсора, и привнесенные, поступающие извне.

Одной из причин возникновения собственных шумов является статистическая природа электрического заряда и тока. Электрический заряд – это всегда совокупность некоторого (обычно очень большого) количества элементарных электрических зарядов, которая не является постоянной. Ведь всегда возможны процессы случайной ионизации атомов и обратные процессы – рекомбинации электронов и ионов. Электрический ток – это суммарный результат как организованного, так и хаотического теплового движения многих свободных электрических зарядов в электрическом и магнитном поле. Даже обычный резистор является источником теплового шума и представляет собой генератор слабых случайных электрических сигналов.

Частотный спектр теплового шума очень широк. Обычно его считают "белым" шумом, т.е. равномерно распределенным по всем частотам. Среднеквадратичное значение напряжения теплового шума на резисторе номиналом $$R$$ определяется по известной формуле$$U_{\textit{ТШ}}^2=4kTR\Delta f\;(\text{В}^2)$$ где $$k = 1,38 \times 10^{–23}$$ Дж/К – постоянная Больцмана, $$T$$ – абсолютная температура, $$\Delta f$$ – частотный диапазон работы электронной схемы (в Гц). Например, при температуре 27 $$\deg$$ С (T = 300 К) на входном сопротивлении $$R$$ = 10 МОм при частотном диапазоне $$\Delta f$$ = 1 кГц = 1000 Гц среднеквадратичное значение напряжения теплового шума составляет приблизительно 6,4 мкВ. Как видим, следует оптимально выбирать электрическое сопротивление чувствительного элемента, входное электрическое сопротивление усилителя и его частотный диапазон.

В p-n -переходах полупроводников, где имеется обедненная носителями заряда область, имеют место значительные тепловые флуктуации концентрации этих носителей, из-за чего возникают и флуктуации силы тока. В конденсаторах имеют место флуктуации величины электрического заряда. Такой шум называют "дробовым". Среднеквадратичное значение дробовых флуктуаций тока оценивается по формуле$$i_{\textit{ДШ}}^2=3,25\times 10^{-7}I\Delta f\;(\text{пА}^2)$$ где $$І$$ – ток через $$p-n$$ -переход в пикоамперах, $$\Delta f$$ – частотный диапазон электронной схемы в Гц. Например, при токе $$І$$ = 1 мА = 10⁹ пА и $$\Delta f$$ = 104 Гц среднеквадратичный дробовый ток $$і_{\textit{ДШ}} \approx 5,7$$ нА.

Значительный вклад в собственные шумы могут давать ненадежные электрические контакты и паразитные токи через загрязненную поверхность печатных плат и корпусов электронных элементов. Поэтому обеспечение высокой надежности соединений и сведение к минимуму всех паразитных связей являются обязательными требованиями к технологии интеллектуальных сенсоров.

Источниками привнесенных шумов могут быть:

Привнесенные шумы могут иметь характер периодических, повторяющихся нерегулярно или импульсных помех и могут быть также случайными. Для уменьшения влияния внешних помех и привнесенных шумов применяют экранирование, развязки электрических схем, фильтрацию, источники питания с малым шумом, оптимальное расположение проводников, защиту от механических вибраций и резонансных явлений. Применению этих средств должно предшествовать внимательное изучение реального влияния каждого из возможных видов привнесенных шумов и экспериментальная проверка действенности каждого из предлагаемых средств.

Избегайте ошибочного заземления экранов в нескольких точках. На рис 25.4 объясняется, почему этого нельзя делать. Здесь изображены центральная жила экранированного кабеля, его экран, чувствительный элемент (ЧЭ) и входное сопротивление схемы, подключенной к выходу кабеля. Экран "для надежности" заземлили в двух точках А (рядом с чувствительным элементом ЧЭ) и Б (возле входа усилителя).

Но между ними в результате внешних воздействий может возникать небольшая переменная разность потенциалов. В силу этого вдоль экранной оболочки кабеля течет переменный ток i, который посредством электромагнитной индукции будет наводить переменный ток также и в центральной жиле (или жилах) кабеля. А он вызовет привнесенное шумовое напряжение на входном сопротивлении электронной схемы, подключенной к выходу кабеля. Поэтому экраны должны быть заземлены лишь в одной точке, желательно со стороны источника сигналов.

Эффективным методом борьбы с помехами и привнесенными шумами является также использование дифференциальных пар: вместо одного используют 2 рядом расположенных идентичных чувствительных элемента. Один из них находится в контакте с контролируемым объектом или процессом, а другой изолирован от его влияния. Этот другой чувствительный элемент называют "опорным" или "референтным". Внешние помехи и привнесенные шумы действуют на оба канала (опорный и измерительный) одинаково. На выходах каналов (до или после предварительного усиления) сигналы вычитаются, благодаря чему привнесенные шумы взаимно компенсируются.

25.3. Аналого-цифровые преобразователи

В интеллектуальных сенсорах значительная часть обработки информации происходит в цифровой форме. Поэтому почти всегда их составными элементами являются аналого-цифровые преобразователи ( АЦП ). Их задача – превратить усиленные аналоговые сигналы от чувствительных элементов в цифровые данные для микрокомпьютера. Важнейшими характеристиками АЦП являются их точность, быстродействие и стоимость.

Точность связана с разрядностью АЦП. Дело в том, что аналоговый сигнал на входе АЦП превращается в двоичный цифровой код на выходе, т.е. АЦП является измерителем величины аналогового сигнала с точностью до половины самого младшего разряда. Поэтому, скажем, 8-разрядный АЦП обеспечивает точность преобразования не выше, чем $$2^{–9} \approx 0,002 = 0,2%$$ от максимально возможного значения. 10-разрядный АЦП обеспечивает точность преобразования не выше, чем $$2^{–11} \approx 0,0005 = 0,05%$$, 14-разрядный – точность не выше $$2^{–15} = 1/32768 \approx 0,003%$$, а 16-разрядный – не выше $$2^{–17} \approx 0,0008%$$ от максимально возможного значения.

Быстродействие АЦП характеризуют промежутком времени, требуемым для выполнения одного преобразования, или количеством возможных преобразований за единицу времени (частотой преобразований).

Обычно чем выше точность (разрядность) АЦП, тем ниже его быстродействие, и чем выше точность и быстродействие, тем выше и стоимость АЦП. Поэтому, проектируя интеллектуальный сенсор, надо правильно подбирать его параметры.

АЦП ныне строят по разным схемным принципам и выпускают в виде как отдельных интегральных микросхем, так и в виде узлов более сложных схем (например, микроконтроллеров ).

Только фирма Texas Instruments, например, выпускает десятки разных типов АЦП с разрядностью от 8 до 24 двоичных разрядов (по "дельта-сигма"-схеме), с быстродействием от 15 до 190 000 000 преобразований в секунду, с последовательным или параллельным выходом, на разные напряжения питания в разных корпусах, от 1 до 8 каналов в одном корпусе, – выбор вариантов АЦП очень широк.

25.4. Микрокомпьютеры

"Мозгом" интеллектуального сенсора является микрокомпьютер ( микропроцессор, микроконтроллер, микроконвертор ). Каждый из них – это настоящее чудо современной электронной техники, универсальный преобразователь информации. Именно он и позволяет сделать сенсор "умным", интеллектуальным.

Термин " микрокомпьютер " ныне не является однозначно определенным. Микрокомпьютерами называют сейчас и маленькие карманные персональные компьютеры, микрокалькуляторы и любые другие информационные устройства малых размеров, выполненные на базе микропроцессоров. В данной работе термином " микрокомпьютер " мы обозначаем универсальный преобразователь информации, выполненный на одном кристалле или в виде одной микросхемы, который является "алгоритмически полным", т.е. теоретически по соответствующей программе может выполнять любые преобразования информации.

" Микропроцессор " – это сформированное на одном кристалле или в виде одной микросхемы устройство для обработки информации, не обязательно универсальное. Он может быть специализирован на эффективное быстрое выполнение лишь какого-то одного класса функций, например, лишь на распознавание слов-паролей или правильности формата сообщения, на перекодировку сигналов, на их специализированное форматирование. Микропроцессор не обязательно должен иметь внутреннюю память программ или узлы приема и выдачи данных, – он должен лишь обрабатывать, преобразовывать данные, выполнять над ними определенные операции.

" Микроконтроллер " – это выполненное на одном кристалле или в виде одной микросхемы устройство для переработки информации и автоматического управления на основе этой информации разными устройствами. В его состав обязательно входят память программ и данных, узлы приема и выдачи данных, таймеры, часто АЦП, ЦАП и т.п.

" Микроконвертор " – это выполненная в виде микросхемы комплектная система сбора и обработки данных, состоящая из аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, эталонных источников напряжения, датчика температуры, таймеров, монитора источника питания, встроенного микроконтроллера и имеющая значительный объем памяти данных, памяти программ и т.п.

25.4.1. 4-разрядные микроконтроллеры

Электронная промышленность выпускает ныне сотни разных типов микрокомпьютеров, микропроцессоров, микроконтроллеров, микроконверторов. В интеллектуальных сенсорах чаще всего используют микроконтроллеры и микроконверторы. Для простейших применений популярными являются малопотребляющие 4-разрядные микроконтроллеры семейства MARC4 фирмы Atmel. В них на одном кристалле вместе с микропроцессором сформированы память программ на 8К, 256 бит статической памяти данных, энергонезависимая память данных EEPROM, параллельные порты приема/выдачи данных, 8-разрядные таймеры/счетчики, тактовый генератор, супервизор напряжения, синхронный последовательный интерфейс. Встроенный контроллер прерываний имеет несколько уровней приоритета и позволяет быстро обслуживать до 14 запросов на прерывание. Микроконтроллеры этого семейства выпускаются в двух версиях. Микросхемы T48Cx9x (MTP/Flash версия) используют в экспериментальных и исследовательских образцах сенсоров, поскольку эти микроконтроллеры позволяют относительно легко изменять программу своей работы без снятия с платы сенсора. А для серийного выпуска используют аналогичные микросхемы M44Cx9x – H/M44Cx9x-V (ROM версия), заметно более дешевые, в которые программа работы записывается при изготовлении раз навсегда.

25.4.2. 8-разрядные микроконтроллеры

Но наиболее широкое применение находят 8-разрядные микроконтроллеры архитектуры С51, разработанной в свое время фирмой Intel. Основными производителями таких микроконтроллеров на мировом рынке являются фирмы Philips, Atmel, Siemens, Intel, Winbond, Dallas, OKI, Cygnal и прочие.

Например, микроконтроллер MSP430F449 фирмы Texas Instruments очень хорошо приспособлен для использования в портативных приборах. Он имеет малые габариты. Напряжение питания может колебаться в широких пределах – от 1,8 до 3,6 В, а ток питания составляет 0,25 мА в активном режиме (в "экономном" режиме лишь 1 мкА). Микроконтроллер MSP430F449 имеет в своем составе 12-разрядный АЦП и может выполнять до 4 млн. операций за секунду, что обеспечивает высокие точность и темп измерений. Имеется и внутренняя энергонезависимая память объемом 60 килобайт, которой достаточно для сохранности результатов тысяч измерений.

Из большой номенклатуры 8-разрядных микроконтроллеров можно выбрать оптимальный для каждого применения вариант с требуемой тактовой частотой (от единиц до сотен МГц), с нужными объемом и типом памяти программ и данных (оперативная, постоянная, электрически программируемая, флэш, энергонезависимая, и т.п.), количеством внешних выводов, с нужным количеством встроенных АЦП, таймеров/счетчиков, узлов внешнего интерфейса и т.п. Можно выбрать и любое конструктивное исполнение – бескорпусное, в мини-корпусе, в пластмассовом или металлическом корпусах разного типа. Ряд микроконтроллеров можно программировать и перепрограммировать через разные коммуникационные каналы непосредственно на рабочей плате, в том числе и в ходе эксплуатации. Некоторые типы микроконтроллеров этого семейства поддерживают даже и функцию "самоперепрограммирования", т.е. способны без внешнего программатора сами изменять алгоритм своего функционирования, реагируя на какие-то заведомо обусловленные события. Для этого микроконтроллер записывает новые коды в свою флэш-память программ. Эти новые коды (другие версии программы) должны быть заведомо записаны в доступной микроконтроллеру памяти.

Среди микроконверторов одними из наилучших считают ныне микроконверторы фирмы Analog Devices. Их параметры приведены в ]. Они допускают частоту тактовых импульсов до 25 МГц при напряжении питания 5 В и до 16 МГц – при напряжении питания 3 В. В зависимости от потребности частота тактовых импульсов регулируется автоматически, что позволяет минимизировать потребляемую мощность. В микроконверторах реализованы три типа интерфейсов: UART, SPI и I2C. Это позволяет осуществить соединение с ПЭВМ, сетями связи и работать непосредственно на матричный индикатор.

Значительным преимуществом в применении микроконверторов ADuС является наличие удобных отладочных плат, что позволяет сократить срок разработки исследовательских образцов портативных сенсоров и осуществлять отладку и рабочее программирование их в производстве. Отладочная плата Quick Start (EVAL – ADuС 812 QS) содержит интерфейс RS-232, внешнюю память 32 К SRAM, аналоговые входы/выходы, блок питания. Плата сопровождается полным программным обеспечением: ассемблером, Си-компилятором, симулятором, загрузчиком и дебаггером под Windows. Наладочный набор QuickStart-Plus обеспечивает все необходимые процедуры по программированию, тестированию и созданию базовых приложений на СИ или ассемблере. Набор содержит Си-компилятор, макроассемблер, симулятор и эмулятор, а также специальную оценочную плату и интерфейс RS-232 для соединения с ПК.

В качестве примера рассмотрим немного детальнее микроконвертор ADuС 812. Его основные параметры приведены в табл. 25.3. Производительность его процессора указана в единицах "MIPS" (Mega Instructions Per Second – миллион операций в секунду). Микроконвертор состоит из 8-разрядного вычислительного ядра, памяти программ и данных, трех 16-разрядных таймеров/счетчиков, "дежурного" таймера, монитора источника питания и периферийных микроконтроллеров, которые реализуют три типа внешних интерфейсов: UART, SPI, I2C. В контроллере есть 32 программируемых входа/выхода. Они скомпонованы в четыре 8-разрядных порта, из которых порт 3 (Р3) имеет повышенную нагрузочную способность.

Вмонтированный блок прерываний обрабатывает с двумя уровнями приоритета прерывания от девяти источников: от монитора источника питания, АЦП (сигнал окончания преобразований), от трех таймеров, двух внешних источников (INT0, INT1), от UART – порта и от интерфейса SPI/I²C.

Память контроллера состоит из вмонтированной флэш-памяти (8 Кбайт – память программ, 640 байт – память данных) и RAM-памяти (256 байт – память данных) и из внешней памяти (16 Мбайт данных и 64 Кбайт программ). Микроконтроллер оснащен внутренним температурным датчиком, который контролирует окружающую температуру.

Каждый из таймеров состоит из двух 8-разрядных регистров и может быть использован как таймер и как счетчик. Таймеры 0 и 1 при переполнении генерируют сигнал прерывания. Предусмотрены три входа (Т0, Т1, Т2) для внешних тактовых импульсов. "Дежурный" таймер предназначен для формирования внутреннего сигнала сброса в случае, если "зависает" программа или возникает программная или аппаратная ошибка. Тактовая частота "дежурного" таймера составляет 64 кГц. Продолжительность контролируемого интервала – от 16 до 204 мс.

Обмен данными с внешними устройствами осуществляется через четыре 8-разрядных порта общего назначения. Порты 0, 2 и 3 – двунаправленные. Все порты содержат исходный регистр-"защёлку" и входной буфер. Порт 1 – входной. UART-порт обеспечивает полнодуплексный асинхронный прием и передачу данных. Обмен данными внутри микроконвертора осуществляется через двухпроводный интерфейс I²C.

Монитор источника питания осуществляет контроль за напряжением питания аналоговых и цифровых схем в диапазоне от 2,6 до 4,6 В, критическое значение задает пользователь.

25.4.3. 16-разрядные микроконтроллеры

Среди 16-разрядных микроконтроллеров следует обратить внимание разработчиков портативных интеллектуальных сенсоров на семейство MSP430 компании Texas Instruments с рекордно малым энергопотреблением, RISC (Reduced Instruction Set Computer) архитектуры, что способствует повышению быстродействия процессора, и с довольно развитой периферией на том же кристалле. При работе на полную мощность микроконтроллер потребляет ток 250-400 мкА. Когда внешняя периферия (АЦП, таймеры, жидкокристаллический индикатор, порты входа/выхода) работают автономно, процессор можно временно выключать командой "CPU оff", – ток питания уменьшается при этом до 30 мкА. Тактовую частоту можно программно изменять от 32 кГц до 1 МГц , исходя из реальных потребностей текущего режима работы, экономя ресурс батареи питания. В режимах, когда нет необходимости в тактовой частоте (напр., при ожидании какого-то внешнего сигнала), генератор этой частоты тоже можно программно выключить, тогда ток питания падает до 0,8 мкА. Возвращение в нормальный режим происходит довольно быстро с помощью прерывания (за 6 мкс).

Разные микросхемы семейства микроконтроллеров MSP430 (от MSP430F1101A до MSP430FW427) имеют внутреннюю оперативную память от 128 до 2048 байт, флэш-память от 1 до 60 кб, от 14 до 48 внешних выводов, 10- или 12-разрядный ЦАП и т.п.

Краткие итоги

Во вновь создаваемых сенсорах сигналы на выходах чувствительных элементов часто очень слабы и не превышают нескольких микровольт или пикоампер. Поэтому обычно требуется усиление до 10000 раз по напряжению и даже в миллионы раз по электрическому току. Как правило, требуется не только усиление, но и согласование импедансов, улучшение соотношения сигнал/шум, иногда также электрическая изоляция ("развязка") чувствительного элемента и т.п. В настоящее время все усилители выполняют в виде монолитных интегральных схем на одном кристалле или в виде гибридных интегральных схем на общей подложке в одном корпусе. В технической документации к ним и в справочниках, как правило, приводятся исчерпывающие характеристики усилителей и типовые схемы их подключения, принципы расчета параметров при решении разнообразных схемотехнических задач. Одним из часто применяемых в сенсорах классов интегральных усилителей являются так называемые " операционные усилители " (ОУ). Они имеют высокий коэффициент усиления, широкий частотный диапазон, низкий коэффициент собственного шума, большое входное и малое выходное сопротивление, почти не чувствительны к помехам, действующим одновременно на оба входа, малочувствительны к помехам по шине питания. Широко применяют также т.н. " дифференциальные усилители ".

Когда сигналы от чувствительных элементов очень слабы или требуются максимальные чувствительность и разрешающая способность сенсора, тогда при выборе усилителей следует обратить особое внимание на все возможные источника шума. Шумы обычно делят на собственные, возникающие в самом сенсоре, и привнесенные, поступающие извне. Причиной возникновения собственных шумов является статистическая природа электрического заряда и тока. Значительный вклад в собственные шумы могут давать ненадежные электрические контакты и паразитные токи через загрязненную поверхность печатных плат и корпусов электронных элементов. Поэтому обеспечение высокой надежности соединений и сведение к минимуму всех паразитных связей являются обязательными требованиями к интеллектуальным сенсорам. Для уменьшения влияния внешних помех и привнесенных шумов применяют экранирование, развязки электрических схем, фильтрацию, источники питания с малым шумом, оптимальное расположение проводников, защиту от механических вибраций и резонансных явлений. Эффективным методом борьбы с помехами и привнесенными шумами является также использование дифференциальных пар и " мостовых схем ". Эти схемы позволяют в значительной мере компенсировать влияние многих внешних факторов, таких как изменения температуры, давления, сторонних электрических или магнитных полей.

В интеллектуальных сенсорах значительная часть обработки информации происходит в цифровой форме. Поэтому почти всегда их составными элементами являются и аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Их задача – превратить усиленные аналоговые сигналы от чувствительных элементов в цифровые данные для микрокомпьютера. Важнейшими характеристиками АЦП являются их точность, быстродействие и стоимость. Точность связана с разрядностью АЦП. Обычно чем выше точность (разрядность) АЦП, тем ниже его быстродействие; чем выше точность и быстродействие, тем выше и стоимость АЦП. Поэтому, проектируя интеллектуальный сенсор, параметры АЦП надо подбирать оптимально.

"Мозгом" интеллектуального сенсора является микрокомпьютер ( микропроцессор, микроконтроллер, микроконвертор ). Именно он и позволяет сделать сенсор "умным", интеллектуальным. Электронная промышленность выпускает ныне сотни разных типов микрокомпьютеров, микропроцессоров, микроконтроллеров, микроконверторов. Для простейших применений популярными являются малопотребляющие 4-разрядные микроконтроллеры. Но наиболее широкое применение находят 8-разрядные микроконтроллеры и микроконверторы архитектуры С51. Из большой их номенклатуры можно выбрать оптимальный для каждого применения вариант: с требуемой тактовой частотой, с нужными объемом и типом памяти программ и данных, с желательным количеством внешних выводов, с нужным количеством встроенных АЦП, таймеров/счетчиков, узлов внешнего интерфейса и т.п. Можно выбрать и любое конструктивное исполнение – в пластмассовом или металлическом корпусах разного типа, в мини-корпусе, бескорпусное. Ряд микроконтроллеров можно программировать и перепрограммировать непосредственно на рабочей плате, в том числе и в ходе эксплуатации. Некоторые типы микроконтроллеров этого семейства поддерживают даже и функцию "самоперепрограммирования".

Набор для практики

Вопросы для самопроверки

Упражнения

Упражнение 25.1. Дайте ответы на некоторые вопросы, касающиеся операционных усилителей.

Вариант 1. Как изображают операционные усилители в электрических схемах? Приведите примеры схем применения ОУ.

Вариант 2. Нарисуйте и кратко опишите типовую схему использования ОУ в неинвертирующем усилителе сигналов. Какую роль здесь играет цепь обратной связи? Вкратце опишите вариант со 100%-й обратной связью.

Вариант 3. Нарисуйте и кратко опишите типовую схему использования ОУ в качестве усилителя малых изменений электрического заряда.

Вариант 4. Нарисуйте и кратко опишите типовую схему использования ОУ в качестве усилителя слабых сигналов от чувствительных элементов, действующих как источник тока.

Вариант 5. Чем отличаются прецизионные (или высокоточные) ОУ от ОУ широкого применения?

Вариант 6. Чем отличаются от ОУ широкого применения быстродействующие ОУ?

Вариант 7. Чем отличаются от ОУ широкого применения ОУ с минимальным потреблением мощности?

Вариант 8. Чем отличаются от ОУ широкого применения операционные усилители с минимальным собственным шумом?

Вариант 9. Чем отличаются от ОУ широкого применения мощные ОУ, рассчитанные на непосредственное управление актуаторами?

Упражнение 25.2. Дайте ответы на некоторые вопросы, касающиеся борьбы с шумами.

Вариант 1. Что понимают под "шумами"? Объясните причины появления собственных шумов в чувствительных элементах, усилителях и др. узлах сенсоров.

Вариант 2. Что такое "дробовый" шум? Напишите формулу, определяющую среднеквадратичное значение дробовых флуктуаций тока и расшифруйте смысл всех входящих в неё величин.

Вариант 3. Назовите основные источники привнесенных шумов.

Вариант 4. Какие меры применяют для уменьшения влияния привнесенных шумов и внешних помех?

Вариант 5. Объясните, каким образом в борьбе с привнесенными шумами и помехами помогает использование дифференциальных пар?

Вариант 6. Каково назначение дифференциальных усилителей? Назовите их особенности.

Вариант 7. Объясните принцип работы мостовой схемы.

Вариант 8. Нарисуйте схему и объясните принцип автоматической нуль-балансировки моста. Какую пользу это может дать?

Упражнение 25.3.

Вариант 1. В схеме усилителя, изображенной на рис. 1, $$R_1$$ = 2,5 кОм. Каков должен быть номинал резистора $$R_2$$, чтобы коэффициент усиления схемы был равен 512?

Вариант 2. Коэффициент усиления в схеме на рис. 1 должен равняться 256. Каков должен быть номинал резистора $$R_1$$, если $$R_2$$ = 250 кОм?

Вариант 3. Рассчитайте коэффициент усиления схемы рис. 1 по напряжению, если $$R_1$$ = 2,0 кОм и $$R_2$$ = 510 кОм.

Вариант 4. В схеме на рис. 2 при входном токе 3 мкА надо получить на выходе напряжение 2,56 В. Каковы должны быть для этого номиналы резисторов $$R_1$$ и $$R_2$$?

Вариант 5. Рассчитайте номинал резистора $$R_2$$ в схеме на рис. 2, если при входном токе 50 нА напряжение на выходе равно 40 мВ.

Вариант 6. Рассчитайте напряжение на выходе дифференциального усилителя, если его коэффициент усиления $$K$$ = 512, $$U_{ВХ,1}$$ = 72 мВ, $$U_{ВХ,2}$$ = 64 мВ.

Вариант 7. Каков коэффициент усиления дифференциального усилителя, если при напряжениях на его входах $$U_{ВХ,1}$$ = 128 мВ, $$U_{ВХ,2}$$ = 32 мВ напряжение на его выходе составляет 2,4 В?

Вариант 8. Напряжение на выходе дифференциального усилителя равно 1,15 В, коэффициент усиления 250. Рассчитайте напряжение $$U_{ВХ,1}$$, если напряжение на втором входе $$U_{ВХ,2}$$ = 12,5 мВ.

Упражнение 25.4.

Вариант 1. Рассчитайте дифференциальное напряжение на выходе мостовой схемы (рис. 3), если $$Z_1$$ = 1,5 кОм; $$Z_2$$ = 10,5 кОм; $$Z_3$$ = 4,2 кОм; $$Z_4$$ = 30,5 кОм; $$U_{оп}$$ = 2,4 В.

Вариант 2. При каком импедансе $$Z_3$$ достигается баланс моста (рис. 3), если $$Z_1$$ = 2,4 кОм; $$Z_2$$ = 9,6 кОм; $$Z_4$$ = 30 кОм?

Вариант 3. В мостовой схеме на рис. 3 импедансы, включенные в плечи моста, равны $$Z_1$$ = 12,2 кОм; $$Z_2$$ = 48 кОм; $$Z_3$$ = 30 кОм; $$Z_4$$ = 120 кОм. При каком значении опорного напряжения $$U_{диф}$$ = 42 мВ?

Вариант 4. Каково значение импеданса $$Z_1$$ в схеме на рис. 3, если $$Z_2$$ = 48 кОм; $$Z_3$$ = 30 кОм; $$Z_4$$ = 120 кОм; $$U_{оп}/U_{диф}$$ = 24?

Вариант 5. В схеме на рис. 3 имеем; $$Z_1$$ = 12 кОм; $$Z_2$$ = 48 кОм; $$Z_3$$ = 30 кОм; $$Z_4$$ = 120 кОм; $$U_{оп}$$ = 4,5 В. Насколько должен измениться импеданс $$Z_1$$, чтобы напряжение на выходе изменилось на 1 мВ?

Вариант 6. Рассчитайте дифференциальное напряжение на выходе мостовой схемы (рис. 3), если $$Z_1$$ = 7,52 кОм; $$Z_2$$ = 15 кОм; $$Z_3$$ = 30 кОм; $$Z_4$$ = 60 кОм; $$U_{оп}$$ = 3,2 В.

Вариант 7. При каком импедансе $$Z_3$$ достигается баланс моста (рис. 3), если $$Z_1$$ = 7,2 кОм; $$Z_2$$ = 29 кОм; $$Z_4$$ = 60 кОм?

Вариант 8. В схеме на рис. 3 имеем; $$Z_1$$ = 18 кОм; $$Z_2$$ = 72 кОм; $$Z_3$$ = 45 кОм; $$Z_4$$ = 180 кОм; $$U_{оп}$$ = 3,6 В. Насколько изменится дифференциальное напряжение на выходе моста, если импеданс $$Z_1$$ изменится на 1%?

Упражнение 25.5.

Вариант 1. Рассчитайте среднеквадратичное значение напряжения теплового шума на резисторе номиналом $$R$$ = 420 кОм при температуре 25 $$\deg$$ С и частотном диапазоне $$\Delta f$$ = 100 кГц.

Вариант 2. Среднеквадратичное значение напряжения теплового шума на резисторе при температуре 25 $$\deg$$ С и частотном диапазоне $$\Delta f$$ = 40 кГц равно 80 мкВ. Каков номинал этого резистора?

Вариант 3. Каков максимальный номинал резистора в схеме с частотным диапазоном 1 МГц, чтобы при рабочей температуре 40 $$\deg$$ С среднеквадратичное значение напряжения теплового шума не превышало 0,1 мВ?

Вариант 4. Каков максимально допустимый частотный диапазон работы резистора номиналом 110 кОм, чтобы при при температуре 35 $$\deg$$ С среднеквадратичное значение напряжения теплового шума не превышало 100 мкВ?

Вариант 5. При какой температуре работает резистор номиналом 720 кОм, если в частотном диапазоне $$\Delta f$$ = 120 кГц среднеквадратичное значение напряжения теплового шума составляет 42 мкВ?

Вариант 6. Какое среднеквадратичное напряжение теплового шума создает резистор номиналом $$R$$ = 670 кОм при температуре 25 $$\deg$$?С и частотном диапазоне $$\Delta f$$ = 16 кГц?

Вариант 7. Рассчитайте среднеквадратичное значение дробовых флуктуаций тока, если ток через $$p-n$$ -переход составляет 3 мА и частотный диапазон электронной схемы составляет 150 кГц.

Вариант 8. Среднеквадратичное значение дробовых флуктуаций тока через $$p-n$$ -переход составляет 7,5 нА. В каком частотном диапазоне работает схема, если через переход протекает ток 2,5 мА?

Упражнение 25.6. Дайте ответы на некоторые вопросы, касающиеся микрокомпьютеров и АЦП.

Вариант 1. Для обозначения каких микрокомпьютеров применяют сейчас термин "микроконвертор"?

Вариант 2. Для обозначения каких микрокомпьютеров применяют сейчас термин "микроконтроллер"?

Вариант 3. Для обозначения каких микрокомпьютеров применяют сейчас термин "микропроцессор"?

Вариант 4. Охарактеризуйте вкратце популярные сейчас 4-разрядные микроконтроллеры семейства MARC4 фирмы Atmel.

Вариант 5. Охарактеризуйте вкратце один из современных 8-разрядных микроконтроллеров.

Вариант 6. Расскажите вкратце о микроконверторе ADuС 812.

Вариант 7. Какую точность отсчетов обеспечивает 16-разрядный АЦП?

Вариант 8. Какова точность отсчета напряжения в 10-разрядном АЦП?

Ответы

Ответы на вопросы

1. "Элементная база интеллектуальных сенсоров" – это совокупность стандартных электронных элементов и узлов, из которых строятся интеллектуальные сенсоры. Сюда входят: чувствительные элементы, усилители, типовые схемы сравнения, АЦП, микрокомпьютеры, узлы взаимодействия с пользователем (клавиатура, дисплеи), внутренняя память, внешний интерфейс и т.д.

2. В большинстве сенсоров сигналы на выходах чувствительных элементов, как правило, очень слабы и не превышают нескольких милливольт или микровольт, нескольких наноампер или даже пикоампер. Поэтому обычно требуется усиление до 10-100 тысяч раз по напряжению и даже в миллионы раз по электрическому току. Как правило, требуется не только усиление, но и согласование импедансов, улучшение соотношения сигнал/шум. Для этого и применяют усилители сигналов.

3. Сокращение "ОУ" означает "операционный усилитель". Это – один из видов часто применяемых стандартных усилителей, который имеет высокий коэффициент усиления (105–106 и выше), низкий коэффициент собственного шума, широкий частотный диапазон, большое входное и малое выходное сопротивление, может надежно работать с электрическими емкостями. ОУ почти не чувствителен к синфазным помехам, которые действуют одновременно на оба его входа, малочувствителен к помехам по шине питания.

4. "Идеальный" ОУ должен был бы иметь бесконечный коэффициент усиления по напряжению, бесконечно большое входное и нулевое выходное сопротивление, неограниченный диапазон частот усиливаемых сигналов, независимость от температуры и других внешних воздействий.

5. "Дифференциальный усилитель" – это стандартный вид усилителя, у которого выходной сигнал пропорционален разности напряжений на двух его входах.

6. Разница между "собственными" и "привнесенными" шумами состоит в том, что "собственные" шумы возникают внутри самого сенсора, а "привнесенные" поступают извне.

7. Для уменьшения вредного влияния посторонних факторов и шумов в интеллектуальных сенсорах применяют такие меры, как экранирование, развязки электрических схем, фильтрацию, дифференциальные пары и мостовые схемы, источники питания с малым шумом, оптимальное расположение проводников, защиту от механических резонансных явлений.

8. В интеллектуальных сенсорах значительная часть обработки информации происходит в цифровой форме. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) нужны как раз для того, чтобы превратить усиленные аналоговые сигналы от чувствительных элементов в цифровые данные для микрокомпьютера.

9. Сделать сенсор "умным", интеллектуальным позволяет микрокомпьютер (микропроцессор, микроконтроллер, микроконвертор).

10. В простейших интеллектуальных сенсорах для сравнительно простых применений используют обычно дешевые малопотребляющие 4-разрядные микрокомпьютеры, например, микроконтроллеры семейства MARC4 фирмы Atmel.

11. Наиболее часто в интеллектуальных сенсорах применяют 8-разрядные микроконтроллеры архитектуры С51, например, микроконтроллеры MSP430F449 фирмы Texas Instruments или микроконверторы фирмы Analog Devices.

12. "MIPS" (Mega Instruction Per Second) – это единица измерения производительности микрокомпьютеров. Она означает скорость выполнения "миллион инструкций (команд) в секунду".

Ответы к упражнениям

Упражнение 25.1.

Вариант 1. Операционные усилители в электрических схемах изображают в виде треугольника с двумя входами: "инвертирующим", который отмечают знаком "–", и "неинвертирующим", который отмечают знаком "+" (рис. А ).

В качестве примера применения можно привести схему инвертирующего усилителя (рис. Б ). Здесь входное напряжение подаётся на инвертирующий вход "–", а резисторы $$R_1$$ и $$R_2$$ обеспечивают обратную связь и задают коэффициент усиления.

Вариант 2. Типовая схема использования ОУ в неинвертирующем усилителе сигналов выглядит так, как показано на рис. В.

С помощью резисторов $$R_1$$ и $$R_2$$ организуют цепь обратной связи. Этим обеспечивается точное значение коэффициента усиления ( $$K=1+R_2/R_1$$ ), который является постоянным в широком частотном диапазоне и при изменениях температуры, если резисторы $$R_1$$ и $$R_2$$ сделаны из одного материала. От глубины обратной связи зависят также линейность и выходной импеданс усилителя. В случае 100%-й обратной связи (рис. Г ) ОУ работает как повторитель напряжения: коэффициент усиления напряжения практически равен 1, а коэффициент усиления тока может быть очень высоким (до 10⁶ и выше). Такая схема является также преобразователем импеданса, так как имеет высокий входной и малый выходной импеданс.

Вариант 3. Типовая схема использования ОУ в качестве усилителя малых изменений электрического заряда выглядит так, как показано на рис. Д. Он предназначен для восприятия очень слабых сигналов от емкостных элементов, когда электрический заряд изменяется на единицы пикокулона (10^–12 Кл) или скорость изменения заряда составляет порядка единиц пикоампера. В такой схеме достигается чувствительность до 1 В/пКл. Цепь обратной связи замыкается здесь через конденсатор $$C$$, который должен быть высококачественным и иметь очень большое сопротивление стеканию электрических зарядов.

Вариант 4. Типовая схема использования ОУ в качестве усилителя слабых сигналов от чувствительных элементов, действующих как источник тока, может быть представлена так, как показано на рис. Е. Чувствительный элемент в такой схеме работает при почти нулевой и почти неизменной разности потенциалов, а напряжение на выходе $$U_{\textit{вых}}=-i_{\textit{вх}}R_2$$. Для надежной работы схемы номинал резистора $$R_2$$ должен быть намного больше, чем номинал резистора $$R_1$$. Так усиливают, например, сигналы от фотодиодов.

Вариант 5. Прецизионные (или высокоточные) ОУ отличаются от ОУ широкого применения тем, что в них минимизируются напряжение смещения $$U_{см}$$ (разность потенциалов на входах, при которой выходное напряжение точно равно нулю) и его долговременный и температурный дрейф (в мкВ/месяц и мкВ/ $$\deg$$ С). Стараются также сделать максимальными коэффициент усиления напряжения (1 В/мкВ и выше), коэффициенты подавления синфазных помех и помех по шинам питания.

Вариант 6. Быстродействующие ОУ отличаются от ОУ широкого применения тем, что в них стремятся сделать наибольшими предельную частоту усиления, скорость роста выходного напряжения и минимизировать время, на протяжении которого после изменения входного напряжения устанавливается новое стационарное значение выходного напряжения с точностью до 0,1%.

Вариант 7. ОУ с минимальным потреблением мощности отличаются от ОУ широкого применения тем, что в них при сохранении функциональных параметров максимально уменьшают ток потребления от источника питания и рассеиваемую мощность.

Вариант 8. Операционные усилители с минимальным собственным шумом отличаются от ОУ широкого применения тем, что в них стремятся по возможности уменьшить приведенные ко входу среднеквадратичные напряжение и ток шума (в нВ/Гц^1/2 и пА/Гц^1/2).

Вариант 9. Мощные ОУ, рассчитанные на непосредственное управление актуаторами, отличаются от ОУ широкого применения тем, что в них обеспечивают большой выходной ток, малое выходное сопротивление, большую суммарную выходную мощность.

Упражнение 25.2.

Вариант 1. Под "шумами" понимают все причины отклонения показаний сенсора от истинного значения, которые имеют стохастический (случайный, не предвиденный) характер. Одна из причин возникновения собственных шумов – статистическая природа электрического заряда и тока. Электрический заряд – это всегда совокупность некоторого количества элементарных электрических зарядов, которая не является постоянной. Ведь всегда возможны спонтанные процессы ионизации атомов и обратные процессы – рекомбинации электронов и ионов. Электрический ток – это суммарный результат как организованного, так и хаотического теплового движения многих свободных электрических зарядов в электрическом и магнитном поле. Даже обычный резистор является источником теплового шума и представляет собой генератор слабых случайных электрических сигналов. Значительный вклад в собственные шумы могут давать ненадежные электрические контакты и паразитные токи через загрязненную поверхность печатных плат и корпусов электронных элементов.

Вариант 2. "Дробовым" называют шум, возникающий в результате флуктуаций концентрации носителей электрического заряда. Они особенно велики там, где концентрация мала. Например, в $$p-n$$ -переходах полупроводников всегда имеется обедненная носителями заряда область, где имеют место значительные флуктуации концентрации носителей, из-за чего возникают и флуктуации силы тока. В конденсаторах имеют место флуктуации величины электрического заряда. Среднеквадратичное значение дробовых флуктуаций тока оценивается по формуле $$i_{\textit{ДШ}}^2=3,25\times 10^{-7}I\Delta f$$ (пА²) , где $$І$$ – ток через $$p-n$$ -переход в пикоамперах, $$\Delta f$$ – частотный диапазон электронной схемы в Гц.

Вариант 3. Основными источниками привнесенных шумов являются: внешние электростатические, магнитные и электромагнитные поля; проникающие ионизирующие излучения; помехи по сети питания; вибрации, механические ускорения и перемещения; изменения температуры, влажности, давления и т.п.

Вариант 4. Для уменьшения влияния привнесенных шумов и внешних помех применяют такие меры, как экранирование, развязки электрических схем, фильтрация, мало шумящие источники питания, оптимальное расположение проводников, защиту от механических вибраций и резонансных явлений. Эффективным методом борьбы с помехами и привнесенными шумами является также использование дифференциальных пар.

Вариант 5. Метод дифференциальных пар основан на том, что для борьбы с помехами и привнесенными шумами вместо одного используют 2 рядом расположенных идентичных чувствительных элемента. Один из них находится в контакте с контролируемым объектом или процессом, а другой изолирован от его влияния, но так само, как и первый, подвержен влиянию всех посторонних факторов. Этот другой чувствительный элемент называют "опорным" или "референтным". Внешние помехи и привнесенные шумы действуют на оба канала (опорный и измерительный) одинаково. На выходах каналов (до или после предварительного усиления) сигналы вычитаются, благодаря чему привнесенные шумы взаимно компенсируются. Метод показал себя достаточно эффективным.

Вариант 6. Дифференциальные усилители предназначены для усиления разностных сигналов. Их особенностью является то, что усиленный выходной сигнал пропорционален разности напряжений на двух входах. При этом синфазные помехи, которые одновременно поступают на входы, ослабляются на 100–120 дБ. Они, как правило широкополосные (частотная полоса от 60 до 3000 МГц) и мало шумящие (плотность собственного шума – единицы нВ/Гц^1/2). Широко используются для усиления сигналов от мостовых схем и дифференциальных пар чувствительных элементов.

Вариант 7. Мостовую схему применяют тогда, когда под действием изменений в контролируемом объекте или процессе чувствительный элемент изменяет свою электропроводность, емкость или индуктивность, в общем случае – свой электрический импеданс. Электрическая схема моста показана на рис. Ж. Здесь $$U_{оп}$$ – стабилизированный источник напряжения; U_{диф} – дифференциальное выходное напряжение. Импедансы Z_1, Z_2, Z_3, Z_4 могут быть активными, реактивными или комплексными. Выходное напряжение равняется нулю только тогда, когда мост "сбалансирован", т.е. когда выполняется соотношение$$Z_1/Z_2=Z_3/Z_4$$ При изменении импеданса любого из плеч моста его баланс нарушается, и на выходе появляется разность напряжений. Обычно изменяется лишь один импеданс – импеданс чувствительного элемента. В методе дифференциальной пары для компенсации влияния таких внешних факторов, как температура, давление, сторонние электрические или магнитные поля используют 2 одинаковых чувствительных элемента, которые симметрично включают в разные плечи моста (например, $$Z_1$$ и $$Z_3$$ ). Один из них "следит" за контролируемым объектом или процессом, а другой изолирован от него. Тогда все сторонние внешние факторы одинаково влияют на оба чувствительных элемента и не приводят к разбалансировке моста. Одинаково реагировать на изменения внешних факторов должны также импедансы $$Z_2$$ и $$Z_4$$, их обычно делают идентичными. Разбалансировка моста и выходное напряжение $$U_{диф}$$ определяются в таком случае лишь изменениями в контролируемом объекте или процессе.

Вариант 8. Принципиальную схему автоматической нуль-балансировки моста можно представить в виде:

Напряжение с выхода дифференциального усилителя $$У$$ подается на регулятор $$Рг$$, который в зависимости от знака этого напряжения может изменять величину импеданса $$Z_2$$ в ту или другую сторону. Лишь когда мост полностью сбалансирован, напряжение на выходе усилителя равно нулю, и импеданс $$Z_2$$ перестает изменяться. Регулятор $$Рг$$ выдает на свой выход величину изменения импеданса $$Z_2$$, которая пропорциональна изменению импеданса чувствительного элемента $$Z_1$$. Благодаря автоматической нуль-балансировке, чувствительный элемент все время работает при неизменном напряжении, и никаких нелинейностей, связанных с изменением напряжения на нем, не возникает.