Обзор схем нормирования аналоговых сигналов

30 января

учёт ресурсовуправление двигателемавтоматизациялабораторные приборыуниверсальное применениеMicrochipстатьяинтегральные микросхемы

Кумин Блейк (Microchip)

В руководстве для разработчиков систем с аналоговыми датчиками, представляемом компанией Microchip, дан обзор существующих типов датчиков, например, датчиков температуры, рассмотрены типы выходных сигналов датчиков, например, напряжение, ток и так далее; предложены конкретные схемы нормирования сигналов с датчиков и даны ссылки на источники дополнительной информации.

Электрические характеристики аналоговых датчиков меняются при изменении параметров окружающей среды. Эти изменения необходимо преобразовать в удобную для измерений форму и нормировать, а потом оцифровать с помощью АЦП. Дальнейшая обработка сигналов выполняется в цифровом виде и не рассматривается в данной статье. Но в ней вы прочтете о датчиках, используемых для измерения таких параметров как:

  • электрические характеристики;
  • магнитные характеристики;
  • температура;
  • влажность;
  • усилие, вес, крутящий момент и давление;
  • движение и вибрация;
  • скорость потока;
  • уровень жидкости и объема;
  • свет и ИК-излучение;
  • химические свойства.

В статье приводятся схемы нормирования, используемые для преобразования и усиления выходных сигналов датчиков. Каждая схема имеет свои достоинства и недостатки, и может использоваться с определенными типами датчиков. Рассмотрим следующие типы датчиков:

  • с выходом по напряжению;
  • с выходом по току;
  • с модуляцией сопротивления;
  • с модуляцией емкости;
  • с генерацией заряда.

Кроме того, в публикации кратко рассматриваются некоторые дополнительные вопросы, связанные с разработкой цепей нормирования:

  • защита входов;
  • обнаружение обрывов датчиков;
  • фильтрация;
  • аналого-цифровое преобразование;
  • корректировка результатов измерений.

Приложения датчиков

Для каждого приложения приводится перечень наиболее часто используемых сенсоров. Много полезной информации по данному вопросу можно найти в руководствах OMEGA® Engineering [1, 2].

В данной статье приведены далеко не все типы аналоговых датчиков, их существует гораздо больше, например:

  • счетчики времени/частоты [14];
  • дальномеры [25];
  • измерительные трансформаторы тока [6].

Информация о поведении электрических характеристик различных сенсоров необходима для правильного выбора оптимальной схемы нормирования.

Датчики электрических характеристик

Данная группа сенсоров (таблица 1) необходима для измерения электрических параметров цепи. Эти датчики используются в различных приложениях, например, для мониторинга критически важных характеристик источников питания.

Таблица 1. Датчики электрических параметров

Датчик Выходной сигнал
Напряжения Напряжение
Тока Ток
Заряда Заряд

Магнитные датчики

Эти датчики (таблица 2) используются для определения напряженности магнитного поля и/или его направления. Они широко применяются в компасах и системах управления электродвигателями [6].

Таблица 2. Магнитные датчики

Датчик Выходной сигнал
Датчик Холла [6] Напряжение
Магниторезистивный Сопротивление

Датчики температуры

Чаще всего датчики температуры используются по прямому назначению, то есть для измерения температуры. Некоторые распространенные виды датчиков температуры перечислены в таблице 3. Обзор датчиков температуры можно найти в документации [14, 15].

Таблица 3. Датчики температуры

Датчик Выходной сигнал
Термопары [19, 20] Напряжение
Резистивные датчики температуры (RTD) [18] Сопротивление
Термисторы [16, 17] Сопротивление
Интегральные Напряжение
ИК-сенсоры Ток
Термогенераторы (Thermo Piles) Напряжение

Датчики влажности

Существуют два основных типа датчиков влажности: емкостные и инфракрасные (таблица 4). Датчики влажности очень часто требуют дополнительной компенсации температурной погрешности.

Таблица 4. Датчики влажности

Датчик Выходной сигнал
Емкостной Емкость
ИК-датчик Ток

Датчики усилия, веса, крутящего момента и давления

Данная группа датчиков используется для измерения механических усилий или деформации. Наиболее распространенные типы датчиков перечислены в таблице 5.

Таблица 5. Датчики усилия, веса, крутящего момента и давления

Датчик Выходной сигнал
Тензометрические [8, 9, 10] Сопротивление
Тензорезисторы Сопротивление
Пьезоэлектрические Напряжение или заряд
Механические трансдьюсеры Сопротивление, напряжение и прочее

Датчики движения и вибрации

Некоторые распространенные аналоговые датчики движения и вибрации представлены в таблице 6. Для решения многих задач могут быть использованы интегральные сенсоры.

Таблица 6. Датчики движения и вибрации

Датчик Выходной сигнал
Дифференциальные трансформаторы для измерения линейных перемещений LVDT [10] Переменное напряжение
Пьезоэлектрические Напряжение или заряд
Микрофоны Напряжение
Датчики двигателя [6] Напряжение, сопротивление, ток и так далее
Ультразвуковые датчики расстояния [25] Время
Интегральные акселерометры Напряжение

Датчики потока

Существуют различные способы измерения скорости потока жидкостей и газов. Краткий перечень датчиков, используемых для решения этой задачи, представлен в таблице 7.

Таблица 7. Датчики потока

Датчик Выходной сигнал
Магнитные датчики потока Переменное напряжение
Кориолисовы расходомеры Сопротивление
Ультразвуковые/доплеровские датчики Частота
Анемометры с нагреваемым проводом [24] Сопротивление
Механические трансдьюсеры, например, турбины Напряжение и прочее

Датчики уровня жидкости и объема

В таблице 8 приведены примеры датчиков уровня жидкости. Объем жидкости в баке известного сечения можно определить по ее уровню.

Таблица 8. Датчики уровня жидкости и объема

Датчик Выходной сигнал
Ультразвуковые Время
Механические трансдьюсоры Сопротивление, Напряжение
Емкостные Емкость
Механические переключатели Вкл/Выкл
Термальные Сопротивление

Датчики света и ИК-излучения

Датчики света и ИК-излучения (таблица 9) используются для обнаружения объектов, в том числе в условиях плохой видимости.

Таблица 9. Датчики света и ИК-излучения

Датчик Выходной сигнал
Фотодиод [22, 23] Ток

Электрохимические датчики

В таблице 10 приводится краткий список электрохимических датчиков, которые применяются для измерения различных химических свойств.

Таблица 10. Электрохимические датчики

Датчик Выходной сигнал
pH-электрод Напряжение (большое внутреннее сопротивление)
Проводимость Сопротивление
Датчик CO Напряжение или заряд
Датчик мутности (фотодиод) Ток
Колориметр (фотодиод) Ток

Основные схемы нормирования сигналов

В данном разделе приводятся популярные схемы нормирования, отсортированные по типам выходных сигналов датчиков. Для каждого типа датчиков предлагаются одна или несколько схем нормирования. Для каждой схемы перечислены достоинства и особенности применения.

Датчики с выходом по напряжению

В данном разделе рассматриваются схемы нормирования выходного напряжения аналоговых датчиков.

Неинвертирующий усилитель

На рисунке 1 показан неинвертирующий усилитель на базе ОУ. Он обеспечивает высокое сопротивление на входе VSEN. На выходе VOUT формируется усиленный неинвертированный сигнал VSEN.

Рис. 1. Неинвертирующий усилитель на ОУ

Рис. 1. Неинвертирующий усилитель на ОУ

Преимущества схемы:

  • высокий входной импеданс;
  • малый входной ток смещения (особенно в случае с ОУ с КМОП-входами);
  • неинвертирующая схема;
  • простота.

Недостатки схемы:

  • ограниченный диапазон входных напряжений;
  • искажение сигнала входным каскадом;
  • усиление входных синфазных шумов.

Примеры используемых датчиков:

  • термопары;
  • термогенераторы;
  • пьезоэлектрические пленочные сенсоры.

Буфер для высокоимпедансных датчиков с выходом по напряжению

Для нормирования сигналов напряжения датчиков с высоким импедансом требуются ОУ со входами на полевых транзисторах, например, ОУ с КМОП-входами (рисунок 2). При комнатных температурах входные полевые транзисторы обеспечивают очень высокое входное сопротивление и очень малый ток смещения. При высоких температурах ток увеличивается, в том числе из-за встроенных защитных ESD-диодов. Операционный усилитель в данном случае подключен по неинвертирующей схеме.

Рис. 2. Неинвертирующий усилитель на ОУ для датчиков с высоким импедансом

Рис. 2. Неинвертирующий усилитель на ОУ для датчиков с высоким импедансом

Преимущества схемы:

  • очень высокий входной импеданс;
  • очень низкий входной ток смещения;
  • неинвертирующая схема;
  • простота.

Особенности:

  • ограниченный диапазон входных напряжений;
  • искажение сигнала входным каскадом;
  • усиление входных синфазных шумов.

Примеры используемых датчиков:

  • датчики pH.

Сопротивление датчиков pH (pH-электродов) зависит от температуры и может быть очень высоким.

Инвертирующий усилитель

На рисунке 3 представлен инвертирующий усилитель на ОУ. Входное сопротивление такого усилителя определяется сопротивлением резистора R1 (вход VSEN). Напряжение на выходе VOUT повторяет усиленный и инвертированный входной сигнал VSEN.

Рис. 3. Инвертирующий усилитель на ОУ

Рис. 3. Инвертирующий усилитель на ОУ

Преимущества схемы:

  • резистивная развязка с источником сигнала;
  • возможность работы с широким диапазоном входных напряжений;
  • в идеале отсутствует искажение входного сигнала;
  • простота.

Недостатки схемы:

  • дополнительная нагрузка для источника сигнала;
  • инвертирующая схема (т.е. устаревший подход – прим. ред.);
  • усиление входных синфазных шумов.

Примеры используемых датчиков:

  • термогенераторы;
  • датчики напряжения верхнего плеча (VDD).

Дифференциальный усилитель

На рисунке 4 представлен дифференциальный усилитель на ОУ. Входное сопротивление каждого входа (VSEN+ и VSEN–) определяется сопротивлением резисторов R1. Схема позволяет получать выходной сигнал, равный усиленной разнице входных напряжений (VSEN+ – VSEN–).

Рис. 4. Дифференциальный усилитель на ОУ

Рис. 4. Дифференциальный усилитель на ОУ

Преимущества схемы:

  • резистивная развязка с источником сигнала;
  • возможность работы с широким диапазоном входных напряжений;
  • подавление синфазного шума. Хорошее решение для нормирования сигналов удаленных датчиков;
  • простота.

Недостатки схемы:

  • дополнительная нагрузка для источника сигнала;
  • искажение сигнала входным каскадом.

Примеры используемых датчиков:

  • удаленные термопары;
  • измерительные мосты.

Инструментальный усилитель

На рисунке 5 изображен инструментальный усилитель, предназначенный для нормирования сигналов удаленных датчиков. Входные резисторы позволяют обеспечить развязку и обнаружение обрывов датчиков. Данная схема усиливает разницу входных напряжений (VSEN+ – VSEN–) и подавляет синфазный шум.

Рис. 5. Инструментальный усилитель на ОУ

Рис. 5. Инструментальный усилитель на ОУ

Преимущества схемы:

  • подавление синфазного шума. хорошее решение для нормирования сигналов удаленных датчиков;
  • резистивная развязка с источником сигнала;
  • возможность обнаружения обрывов датчика;

Недостатки схемы:

  • дополнительная нагрузка для источника сигнала;
  • стоимость.

Примеры используемых датчиков:

  • удаленные термопары;
  • удаленные резистивные датчики температуры (RTD). При работе с такими датчиками потребуется источник тока или делитель напряжения, для преобразования сопротивления в напряжение;
  • измерительные мосты;
  • тензометрические датчики;
  • датчики давления.

Усилитель с программируемым коэффициентом усиления

На рисунке 6 представлен усилитель с программируемым коэффициентом усиления (Programmable Gain Amplifier, PGA). Такие усилители необходимы для обеспечения широкого динамического диапазона, например, при работе с нелинейными датчиками, в частности – с термисторами [16]. PGA также позволяют одной и той же схеме нормирования работать с различными сенсорами. На схеме, изображенной на рисунке 6, используется усилитель MCP6S22, коэффициент усиления которого программируется с помощью SPI-интерфейса.

Рис. 6. Усилитель с программируемым коэффициентом усиления

Рис. 6. Усилитель с программируемым коэффициентом усиления

Преимущества схемы:

  • возможность работы с различными датчиками;
  • КМОП-входы обеспечивают высокий входной импеданс усилителя и малый входной ток смещения;
  • управление усилением по SPI;
  • возможность работы с нелинейными датчиками.

Особенности схемы:

  • искажение сигнала входным каскадом;
  • усиление синфазных шумов;
  • необходимость использования микроконтроллера для управления ОУ.

Примеры используемых датчиков:

  • термисторы (требуют делителя напряжения для преобразования сопротивления в напряжение);
  • термогенераторы;
  • пьезоэлектрические пленочные сенсоры.

Датчики с токовым выходом

В данном разделе рассматриваются схемы нормирования для датчиков с выходом по току.

Резистивный датчик тока

На рисунке 7 представлена схема, которая позволяет измерять выходной ток датчика с помощью шунтового резистора R1. Резистор R1 необходим для преобразования выходного тока датчика (ISEN) в напряжение [6]. Полученное входное напряжение усиливается дифференциальным усилителем, при этом происходит подавление синфазных шумов.

Рис. 7. Схема резистивного датчика тока

Рис. 7. Схема резистивного датчика тока

Преимущества схемы:

  • хорошее подавление синфазных шумов;
  • резистивная развязка с источником сигнала;
  • широкий диапазон входных напряжений.

Недостатки схемы:

  • дополнительная нагрузка для источника сигнала;
  • искажение сигнала входным каскадом;

Примеры используемых датчиков:

  • датчики тока верхнего плеча (VDD);
  • датчики тока в сетях переменного напряжения.

Трансимпедансный усилитель (преобразователь «ток/напряжение»)

На рисунке 8 представлен трансимпедансный усилитель, в котором выходной ток датчика (ISEN) преобразуется в напряжение с помощью резистора R1 и усиливается с помощью ОУ. Конденсатор C1 необходим для обеспечения стабильности усилителя при работе с датчиками, обладающими большой собственной емкостью [5].

Рис. 8.Трансимпедансный усилитель

Рис. 8. Трансимпедансный усилитель

Преимущества схемы:

  • хорошая буферизация источника сигнала;
  • простота.

Особенности схемы:

  • необходимость использования дополнительных цепей частотной коррекции операционного усилителя.

Примеры используемых датчиков:

  • ИК-датчики задымления;
  • фотодиоды;
  • фотодетекторы.

Логарифмический усилитель (LOG AMP)

На рисунке 9 представлен логарифмический усилитель, главными элементами которого являются операционный усилитель и диод D1A. Диод необходим для преобразования выходного тока датчика (ISEN) в напряжение, пропорциональное логарифму тока. Резистор R1 обеспечивает отрицательную обратную связь при малых или отрицательных значениях тока ISEN. Диод D1B используется для компенсации температурной зависимости D1A.

Рис. 9. Логарифмический усилитель

Рис. 9. Логарифмический усилитель

Если входной ток может протекать в двух направлениях, то в схему необходимо добавить еще один диод, включенный параллельно D1A, но в противоположном направлении.

Преимущества схемы:

  • широкий динамический диапазон входных токов;
  • хорошая буферизация источника сигнала;
  • простота реализации.

Особенности схемы:

  • необходима компенсация температурной зависимости.

Примеры используемых датчиков:

  • фотодиоды.

Резистивные датчики

Датчики, рассматриваемые в этом разделе, изменяют свое сопротивление при изменении параметров окружающей среды. Существует четыре основных способа измерения сопротивления:

  • преобразование «сопротивление/напряжение»;
  • преобразование «сопротивление/ток»;
  • измерение сопротивления с помощью RC-цепочки (измерение постоянной времени);
  • измерение частоты колебаний мультивибраторов.

Преобразователь «сопротивление/напряжение»

Первый способ измерения сопротивления заключается в использовании преобразователей «сопротивление/напряжение».

Делитель напряжения

На рисунке 10 представлен простейший делитель напряжения, образованный резистором R1 и датчиком (RSEN). Делитель напряжения позволяет преобразовать сопротивление датчика в напряжение. Операционный усилитель буферизирует напряжение для дальнейшей оцифровки и обработки методами ЦОС. Данный подход подробно описывается в материалах AN867 и AN897 [21, 16].

Рис. 10. Преобразователь «сопротивление/напряжение», состоящий из резистивного делителя и буферного ОУ

Рис. 10. Преобразователь «сопротивление/напряжение», состоящий из резистивного делителя и буферного ОУ

Преимущества схемы:

  • простота;
  • ратиометрический выход (если АЦП использует в качестве ИОН тот же источник VDD, что и для питания резистивного делителя);
  • обнаружение обрывов датчика.

Недостатки схемы:

  • плохое подавление синфазных помех;
  • нелинейная связь между сопротивлением датчика и выходным напряжением.

Примеры используемых датчиков:

  • термисторы;
  • RTD;
  • магниторезистивные сенсоры.

Делитель напряжения с программируемым усилителем

На рисунке 11 представлена схема преобразователя «сопротивление/напряжение», состоящего из резистивного делителя (RSEN и R1) и усилителя с программируемым коэффициентом усиления. Усилитель может выступать в качестве буфера, а может использоваться для компенсации нелинейной зависимости между сопротивлением датчика и выходным напряжением.

Рис. 11. Преобразователь «сопротивление/напряжение» с программируемым усилителем

Рис. 11. Преобразователь «сопротивление/напряжение» с программируемым усилителем

Преимущества схемы:

  • компенсация нелинейной зависимости между сопротивлением датчика и выходным напряжением;
  • ратиометрический выход (если АЦП использует в качестве ИОН тот же источник VDD, что и для питания резистивного делителя);
  • возможность использования одной и той же схемы для работы с различными датчиками;
  • обнаружение обрывов датчика.

Недостатки схемы:

  • плохое подавление синфазных помех;
  • необходимость использования микроконтроллера для управления ОУ.

Примеры используемых датчиков:

  • термисторы.

Измерительный мост

На рисунке 12 представлен измерительный мост, который позволяет преобразовать сопротивление датчика RSEN в дифференциальное напряжение. Дифференциальное напряжение усиливается с помощью ОУ.

Рис. 12. Измерительный мост с ОУ

Рис. 12. Измерительный мост с ОУ

Преимущества схемы:

  • хорошее подавление синфазных шумов;
  • ратиометрический выход (если АЦП использует в качестве ИОН тот же источник VDD, что и для питания резистивного делителя);
  • простота;
  • обнаружение обрывов датчика.

Особенности схемы:

  • усиление схемы зависит от сопротивления датчика RSEN;
  • необходимость использования микроконтроллера для выполнения дополнительных расчетов;
  • нелинейная связь между сопротивлением датчика и выходным напряжением.

Примеры используемых датчиков:

  • тензометрические датчики;
  • датчики давления;
  • магниторезистивные датчики.

На рисунке 13 представлена еще одна мостовая схема. В ней для усиления дифференциального напряжения используется инструментальный усилитель, обеспечивающий идеальное подавление синфазных помех.

Рис. 13. Измерительный мост с инструментальным усилителем

Рис. 13. Измерительный мост с инструментальным усилителем

Преимущества схемы:

  • отличное подавление синфазных шумов;
  • ратиометрический выход (если АЦП использует в качестве ИОН тот же источник Vdd, что и для питания резистивного делителя);
  • обнаружение обрывов датчика.

Недостатки схемы:

  • высокая стоимость;
  • нелинейная связь между сопротивлением датчика и выходным напряжением.

Примеры используемых датчиков:

  • тензометрические датчики;
  • датчики давления;
  • магниторезистивные датчики.

Другие варианты реализации мостовых схем можно найти в документации AN251, AN717 и AN695 [8, 9, 10].

Преобразователь «сопротивление/напряжение» с дополнительным источником тока

На рисунке 14 изображена схема преобразователя «сопротивление/ток», в которой сопротивление датчика RSEN сначала преобразуется в ток ISEN, а потом в напряжение. Резисторы R1A, R1B, R1, R2, R3 и ОУ образуют источник тока (Howland Current Pump). C1 обеспечивает устойчивость источника тока и подавляет шумы. Резистор R4 позволяет отвязать датчик от земли. Выходное напряжение, снимаемое с датчика, усиливается с помощью дифференциального усилителя (рисунок 4), который также подавляет синфазные помехи. Напряжение на резисторе R4 может использоваться для обнаружения обрыва датчика. Другие варианты реализации источников тока рассмотрены в документах [3, 18].

Рис. 14. Схема преобразователя «сопротивление/ток», состоящая из источника тока и дифференциального усилителя

Рис. 14. Схема преобразователя «сопротивление/ток», состоящая из источника тока и дифференциального усилителя

Преимущества схемы:

  • линейная зависимость выходного напряжения от сопротивления;
  • ратиометрический выход (если АЦП использует в качестве ИОН тот же источник VDD, что и для питания резистивного делителя).

Недостатки схемы:

  • высокая стоимость;
  • необходимость использования прецизионных резисторов.

Примеры используемых датчиков:

  • термисторы;
  • RTD;
  • анемометры.

Преобразователь «сопротивление/ток»

Второй подход для измерения сопротивления датчиков заключается в использовании схем, преобразующих сопротивление в ток.

На рисунке 15 представлена схема, в которой выходной ток датчика преобразуется в напряжение с помощью трансимпедансного усилителя (рисунок 8) или логарифмического усилителя (рисунок 9).

Рис. 15. Преобразователь «сопротивление/ток»

Рис. 15. Преобразователь «сопротивление/ток»

Преимущества схемы:

  • ратиометрический выход (если АЦП использует в качестве ИОН тот же источник VDD, что и для питания резистивного делителя);
  • простота реализации.

Особенности схемы:

  • инвертирование сигнала.

Примеры используемых датчиков:

  • термисторы.

Измерительные RC-цепи

Третий способ измерения сопротивления датчиков заключается в измерении постоянной времени RC-цепи. Время заряда и разряда такой цепи будет зависеть от сопротивления датчика.

На рисунке 16 изображена схема, в которой постоянная времени RC-цепи измеряется с помощью микроконтроллера. Пороговые значения определяются относительно VDD, что обеспечивает ратиометрические измерения. Постоянная времени измеряется не только для RSEN, но и для R1. Это необходимо для учета погрешностей, связанных с VDD, C1, и температурной зависимостью. Микроконтроллер PICmicro® обеспечивает управление схемой. Для получения подробной информации по данной схеме следует обратиться к документации AN863, AN512 и AN929 [7, 11, 14].

Рис. 16. Измерение сопротивления датчика с помощью RC-цепи

Рис. 16. Измерение сопротивления датчика с помощью RC-цепи

Преимущества схемы:

  • ратиометрический выход и корректировка погрешностей, связанных с VDD, C1, и температурной зависимостью;
  • точность;
  • простота измерения постоянной времени.

Недостатки схемы:

  • разрешение ограничено возможностями микроконтроллера PICmicro;
  • цифровой шум;
  • пороговые напряжения должны быть ратиометрическими (корректироваться в соответствии с Vdd).

Примеры используемых датчиков:

  • термисторы.

Измерительные мультивибраторы

Четвертый способ измерения сопротивления датчиков заключается в измерении частоты колебаний мультивибраторов.

На рисунке 17 представлен мультивибратор, состоящий из резисторов, конденсаторов, ОУ и компаратора. Частота колебаний схемы зависит от сопротивления используемых в ней резисторов. Подробное описание и расчет этого генератора можно найти в документации AN866 и AN895 [4, 12].

Рис. 17. Генератор с переменной частотой колебаний

Рис. 17. Генератор с переменной частотой колебаний

Преимущества схемы:

  • высокая точность (после дополнительной калибровки);
  • хороший запуск;
  • простота обработки сигналов с помощью микроконтроллеров PICmicro®.

Недостатки схемы:

  • высокая стоимость;
  • сложность.

Примеры используемых датчиков:

  • RTD
  • анемометры.

Емкостные сенсоры

В этом разделе рассмотрены схемы нормирования для датчиков, которые изменяют свою емкость при изменении условий окружающей среды. Существует четыре основных способа измерения емкости:

  • измерение постоянной времени RC-цепи;
  • измерение частоты мультивибраторов;
  • использование интеграторов;
  • использование мостовых схем.

Измерительные RC-цепи

Первый способ измерения емкости заключается в измерении постоянной времени RC-цепи. По времени заряда или разряда можно определить емкость датчика.

На рисунке 18 представлена схема, используемая для измерения постоянной времени, в которой пороговые значения определяются относительно напряжения питания. Резистор R1 должен иметь минимальную температурную погрешность (TKR). Микроконтроллер PICmicro® обеспечивает управление схемой. Для получения подробной информации по данной схеме ознакомьтесь с документацией AN863, AN512 и AN929 [7, 11, 14].

Рис. 18. Измерение емкости датчика с помощью RC-цепи

Рис. 18. Измерение емкости датчика с помощью RC-цепи

Преимущества схемы:

  • ратиометрический выход и корректировка погрешностей, связанных с VDD, C1 и температурной зависимостью;
  • точность;
  • простота измерения постоянной времени.

Особенности схемы:

  • разрешение ограничено возможностями микроконтроллера PICmicro;
  • цифровой шум;
  • пороговые напряжения должны быть ратиометрическими (корректироваться в соответствии с VDD).

Примеры используемых датчиков:

  • емкостные датчики влажности;
  • емкостные сенсорные кнопки;
  • емкостные датчики уровня жидкости.

Измерительные мультивибраторы

Второй способ измерения емкости датчиков заключается в измерении частоты колебаний мультивибраторов.

На рисунке 19 представлена схема мультивибратора, частота колебаний которого зависит от емкости датчика. Подробное описание и расчет этого генератора можно найти в документации AN866 и AN895 [4, 12].

Рис. 19. Мультивибратор, частота колебаний которого зависит от емкости датчика CSEN

Рис. 19. Мультивибратор, частота колебаний которого зависит от емкости датчика CSEN

Преимущества схемы:

  • бюджетность;
  • ратиометрические измерения;
  • простота обработки сигналов с помощью микроконтроллеров PICmicro®.

Недостатки схемы:

  • пониженная точность;

Примеры используемых датчиков:

  • емкостные датчики влажности;
  • емкостные сенсорные кнопки;
  • емкостные датчики уровня жидкости.

Интеграторы

Третий способ измерения емкости датчиков заключается в интегрировании токов и измерении времени заряда схемы с емкостными датчиком.

На рисунке 20 показана схема интегратора. Переключатель SW1, управляемый микроконтроллером PICmicro®, обнуляет напряжение на емкости датчика CSEN перед началом нового цикла интегрирования. Далее напряжение на выходе ОУ линейно увеличивается. Скорость нарастания напряжения определяется значениями VREF и R1. Время срабатывания выходного компаратора, например, встроенного компаратора микроконтроллера PICmicro, зависит от величины емкости датчика CSEN. Подробное рассмотрение аналогичной схемы приводится в документации AN611 [13].

Рис. 20. Измерительный интегратор

Рис. 20. Измерительный интегратор

Преимущества схемы:

  • простота обработки сигналов с помощью микроконтроллеров PICmicro®;
  • точность измерений, зависящая от точности VREF и R1.

Недостатки схемы:

  • высокая стоимость.

Примеры используемых датчиков:

  • емкостные датчики влажности;
  • емкостные сенсорные кнопки;
  • емкостные датчики уровня жидкости.

Мостовые схемы

Четвертый способ измерения емкости датчиков заключается в преобразовании импеданса датчика (при заданной частоте) в напряжение с помощью измерительного моста.

На рисунке 21 представлена измерительная схема, которая позволяет преобразовать емкость сенсора в выходное дифференциальное напряжение. Мост должен быть запитан переменным напряжением стабильной частоты. В качестве резистора R1 может использоваться цифровой потенциометр или постоянный резистор. Он необходим для обнаружения момента, когда дифференциальное напряжение будет равно нулю. Резистор R3 необходим для правильного смещения инструментального усилителя, а также для предотвращения временного дрейфа. Его сопротивление должно быть значительно выше, чем импеданс C2 (1/jωC2). Параметры делителя выбираются исходя из сопротивления R3.

Рис. 21. Измерительный мост

Рис. 21. Измерительный мост

Преимущества схемы:

  • отличное подавление синфазных помех;
  • ратиометрический выход (если АЦП использует в качестве ИОН тот же источник VDD, что и для питания резистивного делителя);
  • обнаружение обрывов датчика.

Недостатки схемы:

  • потребность в источнике переменного напряжения;
  • высокое потребление.

Примеры используемых датчиков:

  • удаленные емкостные датчики;
  • емкостные датчики влажности;
  • емкостные сенсорные кнопки;
  • емкостные датчики уровня жидкости.

Датчики заряда

На рисунке 22 изображена упрощенная схема датчика заряда. Она представляет собой емкость, на которой генерируется заряд, зависящий от внешних условий.

Рис. 22. Упрощенная схема датчика заряда

Рис. 22. Упрощенная схема датчика заряда

На рисунке 23 представлена схема, состоящая из емкостей С1 и ОУ. Эта схема позволяет преобразовать энергию датчика (заряд) в выходное напряжение. Резистор R1 является частью цепи смещения инвертирующего входа и создает полюс ВЧ-фильтра, тем самым ограничивая временной дрейф инвертирующего входа. Изменение заряда пьезоэлектрического датчика напрямую определяет напряжение на C, что позволяет точно измерять заряд датчика.

Рис. 23. Усилитель заряда

Рис. 23. Усилитель заряда

Преимущества схемы:

  • простота;
  • ратиометрический выход (если АЦП использует в качестве ИОН тот же источник VDD, что и для питания резистивного делителя);
  • обнаружение обрывов датчика.

Недостатки схемы:

  • недостаточное подавление синфазных помех.

Примеры используемых датчиков:

  • пьезоэлектрические датчики.

Дополнительные функции цепей нормирования

В этом разделе рассматриваются некоторые распространенные вопросы и проблемы, возникающие при создании цепей нормирования для сигналов датчиков.

Защита входов

Входы датчика должны быть защищены от электростатического разряда (ESD), перенапряжения и перегрузки по току, особенно если они удалены от цепей нормирования кондиционирования. Подробнее эти вопросы рассматриваются в документации AN929 [14].

Обнаружение обрыва датчиков

В данной статье были предложены схемы, которые позволяют обнаруживать обрывы датчиков. Некоторую дополнительную информацию по этому вопросу можно найти в материале AN929 [14].

Фильтрация

Все схемы, представленные в данной статье, нуждаются в выходных фильтрах [3]. Аналоговые фильтры используются для повышения эффективности работы АЦП. При правильном проектировании фильтры предотвращают возникновение алиасинга и позволяют снизить частоту дискретизации, что обеспечивает снижение потребления и загруженность микроконтроллера. Для большинства приложений будет достаточно простейшего RC-фильтра. Для более сложных случаев могут потребоваться активные фильтры.

Программа FilterLab® от Microchip Technology Inc. [26] – это инновационный инструмент, упрощающий расчет аналоговых активных фильтров на базе операционных усилителей. Программа доступна для бесплатного скачивания с веб-сайта Microchip. FilterLab позволяет генерировать полную принципиальную схему фильтра с указанием номиналов и наименований компонентов. Он также позволяет экспортировать схему фильтра в формат SPICE.

При необходимости дополнительная фильтрация может быть выполнена методами ЦОС. Например, даже простейшее усреднение результатов обычно дает хороший эффект.

Аналого-цифровое преобразование

Нормированные сигналы с датчика оцифровываются с помощью АЦП. Для многих схем, рассмотренных в данном руководстве, было указано, что для получения ратиометрических измерений, не зависящих от колебаний питания, необходимо, чтобы АЦП использовал в качестве ИОН то же источник (VDD), что и для питания датчика. В таком случае изменения VDD будут компенсироваться на АЦП. Однако для многих схем будет достаточно и обычных ИОН, не привязанных к VDD.

Корректировка результатов

Погрешности датчиков можно компенсировать с помощью калибровки. Калибровка может быть выполнена как с помощью аппаратных средств, например, с помощью потенциометров, так и с помощью программных алгоритмов, например, при записи калибровочных данных в энергонезависимую память.

Кроме того, для выполнения точных измерений может потребоваться компенсация влияния других параметров окружающей среды. Например, емкостный датчик влажности может нуждаться в компенсации температурной зависимости. Эту задачу проще всего решить с помощью встраиваемого программного обеспечения, но можно также использовать и аппаратную подстройку.

Нелинейные датчики нуждаются в особой коррекции. Для этого часто используют полиномы или другие математические функции. Для получения точных результатов можно использовать и табличные значения. Подробнее об этом вопросе рассказывается в документации AN942 [27].

Заключение

Данный материал призван помочь разработчикам при выборе подходящих схем нормирования для наиболее популярных типов аналоговых датчиков и содержит их обзор. Для каждого типа датчиков предложены различные варианты реализации схем нормирования. В заключительном разделе были кратко рассмотрены общие вопросы, связанные с защитой входов, фильтрацией и корректировкой результатов измерений.

Литература

Основные источники

  1. “The OMEGA® Made in the USA Handbook™,” Vol. 1, OMEGA Engineering, Inc., 2002.
  2. “The OMEGA® Made in the USA Handbook™,” Vol. 2, OMEGA Engineering, Inc., 2002.
  3. AN682, “Using Single Supply Operational Amplifiers in Embedded Systems,” Bonnie Baker; Microchip Technology Inc., DS00682, 2000.
  4. AN866, “Designing Operational Amplifier Oscillator Circuits For Sensor Applications,” Jim Lepkowski; Microchip Technology Inc., DS00866, 2003.

Датчики тока

  1. AN951, “Amplifying High-Impedance Sensors – Photodiode Example,” Kumen Blake and Steven Bible; Microchip Technology Inc., DS00951, 2004.
  2. AN894, “Motor Control Sensor Feedback Circuits,” Jim Lepkowski; Microchip Technology Inc., DS00894, 2003.

Резистивные датчики

  1. AN863, “A Comparator Based Slope ADC,” Joseph Julicher; Microchip Technology Inc., DS00863, 2003.
  2. AN251, “Bridge Sensing with the MCP6S2X PGAs,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00251, 2003.
  3. AN717, “Building a 10-bit Bridge Sensing Circuit using the PIC16C6XX and MCP601 Operational Amplifier,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00717, 1999.
  4. AN695, “Interfacing Pressure Sensors to Microchip’s Analog Peripherals,” Bonnie Baker; Microchip Technology Inc., DS00695, 2000.
  5. AN512, “Implementing Ohmmeter/Temperature Sensor,” Doug Cox; Microchip Technology Inc., DS00512, 1997.
  6. AN895 “Oscillator Circuits For RTD Temperature Sensors,” Ezana Haile and Jim Lepkowski; Microchip Technology Inc., DS00895, 2004.

Емкостные датчики

  1. AN611, “Resistance and Capacitance Meter Using a PIC16C622,” Rodger Richie; Microchip Technology Inc., DS00611, 1997.

Датчики температуры

  1. AN929, “Temperature Measurement Circuits for Embedded Applications,” Jim Lepkowski; Microchip Technology Inc., DS00929, 2004.
  2. AN679, “Temperature Sensing Technologies,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00679, 1998.
  3. AN897; “Thermistor Temperature Sensing with MCP6SX2 PGAs,” Kumen Blake and Steven Bible; Microchip Technology Inc., DS00897, 2004.
  4. AN685, “Thermistors in Single Supply Temperature Sensing Circuits,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00685, 1999.
  5. AN687, “Precision Temperature-Sensing With RTD Circuits,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00687, 2003.
  6. AN684, “Single Supply Temperature Sensing with Thermocouples,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00684, 1998.
  7. AN844, “Simplified Thermocouple Interfaces and PICmicro® MCUs,” Joseph Julicher; Microchip Technology Inc., DS00844, 2002.
  8. AN867, “Temperature Sensing With A Programmable Gain Amplifier,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00867, 2003.

Другие датчики

  1. AN865, “Sensing Light with a Programmable Gain Amplifier,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00865, 2003.
  2. AN692, “Using a Digital Potentiometer to Optimize a Precision Single-Supply Photo Detection Circuit,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00692, 2004.
  3. TB044, “Sensing Air Flow with the PIC16C781,” Ward Brown; Microchip Technology Inc., DS91044, 2002.
  4. AN597, “Implementing Ultrasonic Ranging,” Robert Schreiber; Microchip Technology Inc., DS00597, 1997.

Схемы нормирования

  1. FilterLab® 2.0 User’s Guide;” Microchip Technology Inc., DS51419, 2003.
  2. AN942, “Piecewise Linear Interpolation on PIC12/14/16 Series Microcontrollers,” John Day and Steven Bible; Microchip Technology Inc., 2004.

Оригинал статьи

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Microchip

Microchip Technology Inc. - ведущий поставщик микроконтроллеров, схем смешанного сигнала, аналоговых полупроводников и решений на основе флэш-IP. Решения Microchip обеспечивают разработку с низким уровнем риска, снижают общую стоимость системы и сокращают время выхода на рынок для тысяч различных клиентских приложений по всему миру. Штаб-квартира в Чандлер, штат Аризона. Продукция Microchip обладает высокими качеством и уровнем технической поддержки. Продукция Microchip обладает высоким уровн ...читать далее

Товары
Наименование
MCP602T-I/SN (MCRCH)
MCP6001UT-I/OT (MCRCH)
MCP6002-I/SN (MCRCH)
MCP601T-I/OT (MCRCH)
MCP6001T-I/OT (MCRCH)
MCP6004T-I/ST (MCRCH)
MCP6002T-I/SN (MCRCH)
MCP6541T-I/OT (MCRCH)
MCP6L02T-E/MS (MCRCH)
MCP617-I/SN (MCRCH)
MCP6142-I/SN (MCRCH)
MCP6541RT-I/OT (MCRCH)
MCP6041T-I/OT (MCRCH)
MCP607-I/SN (MCRCH)
MCP6004-I/SL (MCRCH)
MCP602-I/SN (MCRCH)
MCP6542T-I/SN (MCRCH)
MCP6004T-I/SL (MCRCH)
MCP601-I/SN (MCRCH)
MCP6042-I/SN (MCRCH)