Лекция 25: Элементная база интеллектуальных сенсоров. Часть 1

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 и 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 и организуют цепь обратной связи. Этим обеспечивается точное значение коэффициента усиления ( ), который является постоянным в широком частотном диапазоне и при изменениях температуры, если резисторы и 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 , 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 . Для надежной работы схемы номинал резистора должен быть намного больше, чем номинал резистора . Так усиливают, например, сигналы от фотодиодов.

Вариант 5. Прецизионные (или высокоточные) ОУ отличаются от ОУ широкого применения тем, что в них минимизируются напряжение смещения (разность потенциалов на входах, при которой выходное напряжение точно равно нулю) и его долговременный и температурный дрейф (в мкВ/месяц и мкВ/ 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 -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 (пА²) , где – ток через -переход в пикоамперах, – 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 – 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

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