Лекция 25: Элементная база интеллектуальных сенсоров. Часть 1

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 определяется по известной формуле

где Дж/К – постоянная Больцмана, – абсолютная температура, – частотный диапазон работы электронной схемы (в Гц). Например, при температуре 27 С (T = 300 К) на входном сопротивлении = 10 МОм при частотном диапазоне = 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

где – ток через -переход в пикоамперах, – частотный диапазон электронной схемы в Гц. Например, при токе = 1 мА = 10⁹ пА и = 104 Гц среднеквадратичный дробовый ток 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:

• помехи по сети питания;
• внешние электростатические, магнитные и электромагнитные поля;
• проникающие ионизирующие излучения;
• вибрации, механические ускорения и перемещения;
• изменения температуры, влажности, давления, и т.п.

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 от максимально возможного значения. 10-разрядный АЦП обеспечивает точность преобразования не выше, чем , 14-разрядный – точность не выше , а 16-разрядный – не выше 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.