4. PREOBRAZUVA^I NA MERNITE SIGNALItempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/MSMS predavanja... · 2010. 6. 4. · zna~i deka a i V V0 se so razli~ni znaci. Va i Vb mo`at da bidat pozitivni

Mikrosetila i merni sistemi-Predavawa Prof D-r Qup~o Arsov

4. PREOBRAZUVAÎ NA MERNITE SIGNALI

4.1 OP[TO

Izleznite signali od preobrazuva~ite na mernite signali, bilo da se naponski ili strujni, moraat da gi zadovolat utvrdenite dogovori vo pogled na amplitudata i vremenskata promena. Ovie signali se analogni ili digitalni. Analogni se naj~esto naponite i struite koi se dobivaat od mernite preobrazuva~i. Izlezot na preobrazuva~ot na merni signali e naponski ili struen izvor, taka da izlezniot napon, odnosno struja, ne zavisat od optovaruvaweto. Isto taka preobrazuva~ na merni signali moè da bide izvor na vozdu{en pritisok, {to go upravuva vleznata veli~ina i e nezavisen od optovaruvaweto. Izleznite signali moàt da bidat ednonaso~ni ili naizmeni~ni so kostantna frekvencija, a promenliva amplituda i faza.

Preobrazuvaweto na mernite signali vo analogen mod vklu~uva poja~uvawe, manipulacija, filtrirawe, modulacija/demodulacija i dinami~ka kompenzacija. Vo analogen mod vrednosta na informacijata e odredena so preciznata veli~ina na signalot.

Preobrazuvaweto na mernite signali vo digitalen mod, so pomo{ na digitalni smeta~i ili mikroprocesori e re~isi bez ograni~uvawe. Ovde signalot e vo binarni impulsi i preciznata vrednost na impulsot ne e bitna. Informacijata se dava samo so ON/OFF sostojbi i se dodeka tie moàt da se identifikuvaat taa ne moè da se izgubi. Taka kako dodatna prednost na upotrebata na digitalni smeta~i za obrabotka na podatocite, digitalniot prenos im dava i visoka tolerancija za razni signali na {um. Prenosot so opti~ki vlakna e relativno nov, no ekstremno vaèn za natamo{en razvoj na merno upravuva~kite sistemi.

Modernite merno upravuva~ki sistemi rabotat vo hibriden mod, koj e kombinacija na analogen i digitalen . Najpove}eto merni preobrazuva~i se analogni bidej}i, fizi~kite veli~ini se kontinualni funkcii. Ovie analogni signali se pretvoraat vo digitalni za ~uvawe i/ili obravotka vo kompjuter. Zaradi ra{irenata upotreba na digitalna oprema, digitalnite merni preobrazuva~i stanuvaat se popopularni. Za primena vo upravuva~kite sistemi digitalnite signali povtorno se pretvoraat vo analogni i se vodat vo izvr{nite organi.

Elementite koi se upotrebuvaat vo preobrazuva~ot na merni signali mora da bidat kompatibilni. Za analognata oprema glaven problem vo kompatibilnosta e slagaweto na impedansite za da se odbegne optovaruvawe ili za da se prenese maksimalna mo}nost. Kaj digitalnata oprema kompatibilnosta (interfacing) na opremata i softverot e mnogu pokompleksno pra{awe i treba da go re{avaat specijalisti.

Str.1


4.2 OPERACIONI POJAÛVAÎ

Elektri~nite signali od analognite merni preobrazuva~i se naj~esto so nizok intenzitet i/ili mala mo}nost, zatoa tie se poja~uvaat pred ponatamo{nata obrabotka ili prenos. Operacionite poja~uva~i se koristat {iroko kako elementi za gradba na instrumenti. Na slika 15a prikaàn e operacionen diferencijalen poja~uva~ so golemo poja~uvawe vo otvoreno kolo, za ednonaso~en reìm.

Slika 15 a) operacionen diferencijalen poja~uva~ vo otvoreno kolo;b) idealiziran operacionen zasiluva~

Vab

Vb

Va

Va

VbVo

Vo

a a

b

b

Va

Vab

AVab

Vb

Vo

( )

( )

+

a) b)

Poja~uva~ot obi~no se koristi vo zatvoreni kola, {to }e bide pokaàno podocna. Vlezot so invertirawe e ozna~en so (-), {to zna~i deka Va i V0 se so razli~ni znaci. Va i Vb moàt da bidat pozitivni ili negativni. Karakteristikite na ideliziran operacionen poja~uva~ prikaàn na slika 15b se

1. Simetri~ni vlezovi

2. Vlezni strui 0, odnosno impedansite na a i b vlezot se beskone~ni

3. Izlezna impedansa 0

4. Poja~uvaweto na Vab e beskone~no za site frekvencii

5. Kako e V0 = AVab, kade A = ∞ , a V0 e kone~en, sledi Vab = Vb - Va = 0 ⇒ Va = Vb.

Operacionen poja~uva~ e generalno vo forma na integrirano kolo (IC) Popularniot eftin tip 741 operacionen poja~uva~, se sostoi od 20 tranzistori. Ima izgled kako na slika 16.

Slika 16 operacionen poja~uva~ vo vid na ~ip (741)

1

82

73

64

5 V+ V ±15V≈Vo V ±10Vo max≈

NC

V-

Realnata karakteristika na operacionite zasiluva~i se dobiva od {emata na slika 17a koja pretstavuva linearen model

Str.2


Kade:

Zi - vlezna impedansa

Zcm - impedansa na modovite

Z0 - izlezna impedansa,

a izlezniot napon e V0 = AVd

Karakteristikata na poja~uvaweto e dadena na slika 17b.

Slika 17 Realen operacionen poja~uva~ - a) ekvivalentna {ema; b) karakteristika

Zi Vo

+Zo

AVd

Zcm

Vd

Zcm

a

b

A

102

102

10 104

106

1

104

106

Hz

otvoreno kolo

zatvoreno kolo

a) b)

Ednonaso~noto poja~uvawe e 106 i opa|a okolu 3dB na 10Hz.

Sprema toleranciite na izrabotuva~ot, vlezovite ne se idealno simetri~ni, {to zna~i ako e Vab = 0 sepak postoi vlez (VOS = 2mV), V0 moè da se dotera na nula so pomo{ na ednostavni nadvore{ni kola. Isto taka postojat mali vlezni strui koi se pribli`no ednakvi. Karakteristikite na operacioniot zasiluva~ 741 tip bi bile

Ednonaso~no poja~uvawe 2 x 105

Vlezna impedansa 2 MΩ

Izlezna impedansa 70 Ω

Napon na napojuvawe ± 15 V

Izlezna struja na kratok spoj 20 mA

CMMR 80 dB )( cmo

cm

VVV

od=

Osnovni kola

Op{to operacioniot poja~uva~ se koristi vo kola so zatvorena sprega kako na slika 18. Za vakov slu~aj zemaj}i I1 = If + Ia i Ia ≈ 0 se dobiva

V VZ

V VZf

a a1

1

0 0−

=−

+ , Va ≈ 0

VV

ZZ

f0

1 1= −

Str.3


Kako, nema ograni~uvawa za Z ova ja opi{uva op{tata prenosna funkcija.

Slika 18 Osnovno kolo na operacionen poja~uva~

Z1ViVo

I1

If

Zf

a

b

Integrator (slika 19a)

Ako se zeme f

f CjZ

ω1

= , a Z1 = R1

se dobiva: ∫−=⇒−= dttvRC

tvCRjV

V

ff

)(1)(110

11

0

ω

Slika 19 a) integrator; b) integrator so stabilizacija

R1V1Vo

Cf

R1V1Vo

Rf

Cf

a) b)

Golemiot otpor Rf se dodava zaradi stabilizacija (slika 19b), odnosno ovozmoùva otekuvawe, taka da integratorot ne gi integrira malite vlezovi zaradi neramnoteà. Najmalata frekvencija na vlezot treba da e pogolema od:

ω =1

R Cf f

Diferenciator (slika 20a)

Ako se zeme Zj C1

1

1=

ω, Zf = Rf

se dobiva tdvdRCvRCj

VV

ff1

1011

0 −=⇒−= ω

Str.4


Slika 20 a) difrencijator; b) difrencijator so stabilizacija

Rf

V1Vo

C1

R1 C1V1Vo

Rf

Cf

a) b)

Zaradi visokofrekventnite {umovi koi mnogu bi se poja~ale na izlezot, se dodavaat mala kapacitivnost Cf i mal otpor R1 (slika 20 b)

Sobira~ Prikaàn e na slika 21.

Slika 21 Sobira~

R2

R1I1

I2 IfV2

V1

Vo

Rf

Sli~no moè da se izvede integrira~ki ili diferencira~ki sobira~.

Neinvertira~ki poja~uva~ prikaàn e na slika 22a.

Slika 22 a) neinvertira~ki poja~uva~; b) predzasiluva~

R1

Vi

Va

Vb

Vo

Rf

Vi

Vo

b

a

a) b)

kako e VR

VR R

a

f1

0

1=

+

se dobiva VV

RR R

a

f0

1

1=

+

Str.5


Za V V V VRR

Va b if

i≈ = ⇒ = +⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟0

11

Za R1→∞, Rf=0 ⇒ V0=Vi se dobiva element za sledewe na naponot ili predpoja~uva~ (slika 22b).

Vo instrumentacijata se koristat mnogu tipovi poja~uva~i. Moàt da se nabavat kako kompletni edinici ili kako IC elementi.

Kako poja~uva~i na elektricitet (elektri~en polne`) se koristat so piezoelektri~nite merni preobrazuva~i. Modelot na piezoelektri~en preobrazuva~ e generator na elektri~en naboj q(t) paralelno vrzan so kondenzator Cd slika 23a.

Slika 23 Piezoelektri~en pretvoruva~ - a) model; b) ekvivalenten pretvoruva~

a) b)

g(t) Cd

+g(t) Cd CS Vin

+

preobrazuva~ kabel

Koga na piezoelektri~niot kristal se primeni mehani~ka deformacija se generira elektri~en naboj na povr{inata na kristalot. Za frekvencii pod rezonantnata, q(t) e proporcionalno na mehani~kata deformacija na kristalot. Izlezot od preobrazuva~ot se zema so kabelot, koj ima kapacitet Cs. Ekvivalentniot izvor kaj vlezot na poja~uva~ot na elektricitet e daden na slika 23b.

)(1 tqCC

Vsd

in ⋅+

=

Poja~uva~ot na elektri~en polne` pretstavuva eden integrator so operacionen poja~uva~ (slika 24).

Slika 24 Poja~uva~ na elektri~en polne`

C +Cd S Cf

Vi

Va

Vo

+

Str.6


)(1)(1

)(1

1

000 tq

CVVCC

CV

CCj

CjZZ

VV

finsd

f

sd

f

in

f

in

−==+−=⇒

+

−=−=

ω

ω

Taka izlezot od poja~uva~ot zavisi samo od Cf. Izlezot ne zavisi od kapacitivnosta na senzorot Cd ili od dolìnata na kabelot, nitu pak od nivnite promeni. Vo praksa treba da se vodi smetka deka osetlivosta na piezoelektri~niot senzor zavisi od temperaturata. Isto taka se vr{i stabilizacija na operacionite poja~uva~i so dodavawe golem otpor Rf paralelno so Cf.

Poja~uva~ za kapacitiven preobrazuva~ prikaàn e na slika 25. Promenliviot kondenzator vo serija so otpornik R e napojuvan so ednonaso~en napon V.

Slika 25 Poja~uva~ za kapacitiven preobrazuva~

C R Cf

VVa

Vo

Ako vleznata struja se zanemari toga{ q=CV i q=Cf V0; dq=VdC + CdV i dq=Cf dV0

Za dV=0 se dobiva: dV VC

dcf

0 =

Aktivni filtri pretstavuvaat kombinacija na R, C elementi i poja~uva~i. Op{tata {ema prikaàna na slika 26 moè da se koristi za simulirawe na prenosnata funkcija na filter.

Slika 26 Op{ta {ema na aktiven filter

Vi Vo

B

A

Prikaàniot integrator pretstavuva eden vid niskopropusen filter. Dodeka diferenciatorot pretstavuva visokopropusen filter. Sli~ni se niskopropusniot filter na slika 27a, a i visokopropusniot filter na slika 27b.

Str.7


Slika 27 a) niskopropusen filter; b) visokopropusen filter

Vi VoVi Vo

a) b)

Mostovi

Vinstonov most za diferencijalni merewa e prikaàn na slika 28a.

Ako se zeme R1= R2= R3= R4= R i ako mostot e po~etno balansiran, za mali promeni od ramnote`nite uslovi se dobiva:

)4)(konst.( 3210 RRRR

VV

i

Δ−Δ−Δ+Δ= .

Vako izlezen signal se dobiva samo pod uslov promenite da se mali.

Slika 28 a) Vinstonov most; b) aktiven Vinstonov most

a) b)

Vi

Vo Vref

Vo

Vo1

Vo2

R1

R2

Rref

Rref

R4

R3

Namesto ovoj most moè da se koristi koloto na slika 28b. Izlezite na poja~uva~ite se V01 i V02. Izlezot V0=V01-V02 moè da se meri so diferencijalen poja~uva~ ako se bara izlez so eden kraj. Glavna prednost na koloto e {to ne e ograni~eno na mali promeni na otpornosta i e linearna za neramnote`ni uslovi. Otpornostite R kaj koloto na operacionite poja~uva~i se relativno povisoki od onie za normalni primeni na otpornite lenti. Moè lesno da se pokaè deka izlezot V0=V01-V02 e:

)(13241

0 RRRRRV

V

refref

−−+=

Str.8


Merewe na napon i struja

Kolata so operacioni poja~uva~i moàt da se koristat za da se popravi to~nosta kaj multimetrite za napon i struja. Vleznata otpornost Ri na voltmetar moè da se zgolemi za nekolku reda na golemina so pomo{ na operacionen poja~uva~ za sledewe na naponot.

Za merewe ednonaso~ni ili preodni naponi signalot moè da se zema od izlezot na elementot za sledewe.

Za merewe naizmeni~ni naponi so multimer, se vr{i ispravawe taka da multimerot ot~ituva sredna vrednost (slika 29a).Lo{a strana e {to, (1) diodite ne se idealni i (2) vleznata otpornost na mera~ot e relativno niska. Moè da se koristi {emata so operacionen poja~uva~ (slika 29b)., kade se koristi mosten ispravuva~ i operacionen zasiluva~, koj idealno gi napojuva diodite, a vleznata otpornost e ekstremno golema.

Slika 29 Merewe na naizmeni~ni naponi a) so dioden ispravuva~; b) so idealen naso~uva~

a) b)

Va-c

Rs

Rsm

Ra-c

Rm

Vleznata otpornost Ri na eden idealen ammetar e nula, no koloto prikaàno na slika 30a moè da ne zadovoluva, osobeno za merewe slabi strui kako na primer od fotonaponski element. Osetliv “ammetar” e strujno naponskiot konvertor prikaàn na slika 30b.

Optovaruvaweto e minimalno bidej}i energijata za vodewe na izlezot ja dava operacioniot poja~uva~, namesto strujniot izvor. Padot na naponot po “ammetarot” e od redot na 1mV bidej}i a e virtuelna masa. To~nosta na mereweto se poprava za red na golemina.

Slika 30 a) ommetar; b) strujno naponski konvertor

a) b)

Ro

Veg

Rm

+

i if

Veg

Vo+ a

b

Str.9


4.3 POVRZUVAWE NA PASIVNI SETILA Ima razli~ni tipovi pasivni setila kaj koi tipi~no mernata veli~ina moè da predizvikuva promena na otpornosta, kapacitivnosta ili induktivnosta . 2.1.1 Otporni~ki setila Ima mnogu tipovi na setila kaj koi za merewe se koristat promeni vo nivnata elektri~na otpornost (magnetni ili hemiski otpornici, termistori itn). Vo slu~aj na linearno otporni~ko setilo, izleznata otpornost Rx moè da bide izrazena vo zavisnost na osnovnata otpornost Ro (koga merniot signal e 0) i negovata promena so vrednost X, prikaàno so izrazot (1): R =R (1+X) (1) x o

X idealno zema vrednost od 0 do -1, taka {to izlezot od setiloto prima celosen otporni~ki opseg so otpornost koja pa|a na nula koga vlezniot signal e na maksimum. Vo praktikata linearnite potenciometri vo pozicija na setila pokrivaat idealen opseg od 0 do -1. Taka {to izrabotkata na koloto za povrzuvawe zavisi od o~ekuvaniot opseg na X. Koga imame golemi promeni na otpornosta ednostaven most ili delitel moè da bide iskoristen za procesirawe na signalot od setilata.

Sl. 2 Delitelsko kolo (koga x e golemo) Na sl. 2 e prikaàn ednostaven potenciometar kade standarden referenten otpornik R e postaven vo serija so setilo so

nepoznata otpornost R . Naponot na izlez V out e vo relacija so R

i e daden so izrazot (2):

ref

x x

Str.10


V out =refx

xref

RRRV

+ (2)

vkupnata funkcija na preobrazba A=x

out

RV

i e pribli`no linearna

koga R <<R i vo ovoj slu~aj se dobiva izrazot (3): x ref

A=refx

ref

RRV+

=refo

ref

RXRV

++ )1( (3)

i ~uvstvitelnosta na naponskiot delitel e dadena so izrazot (4):

S=x

out

dRdV

= 2)( refx

refref

RRRV

+ (4)

ûvstvitelnosta opa|a brzo koga Rx e pribli`no Rref {to e prikaàno na sl. 3. Maksimalna ~uvstvitelnost se dobiva koga Rx<<Rref, no izlezot ne e linearna funkcija koga x e golemo. Za linearni senzori, maksimalnata ~uvstvitelnost se dobiva so ravenkite (1) i (4), pri {to so V =V se dobiva izrazot (5): ref o

S max = 2)2( XRV

o

ref

+ (5)

tamu kade {to parcijalnata promena na X e mala okolu 1%, gre{kata na ~uvstvitelnosta presmetana so ravenkata za S e

prifatliva so grani~na vrednost od 0,5%, no tamu kade {to X e so golema vrednost }e bide potrebno da se koristi golem referenten otpornik ili da se kompenzira nelinearniot izlez na signalot od setiloto.

max

Idealno

Otpornost

ûv

stvi

teln

ost,

S

Sl. 3 ûvstvitelnost na delitelot Naponskite deliteli se mnogu ednostavni za upotreba, no imaat nekolku nedostatoci: 1. Tie ne se mnogu ~uvstvitelni na mali promeni X. 2. Izlezniot napon V zavisi ne samo od vleznata otpornost na

sledniot ured tuku mnogu pove}e od temperaturata na samoto setilo, no koristej}i aktiven delitel kade referentniot

out

Str.11


element e ist so setilniot element moè da se otstranat nedostatocite. Problemot na slaba ~uvstvitelnost moè da se otstrani so koristewe na Vitstonov most, koj e prikaàn na sl. 4, toj sodrì konstanten napon V i kolo od ~etiri otpornici R 1 , R , R i R . Mostot obi~no se koristi vo ramnoteà, no moè da se koristi i kako neuramnoteèn. V out moè da se uramnoteùva ra~no ili

avtomatski so otpornost R . R i R go odreduvaat zasiluvaweto

na koloto. Izlezniot napon e daden so izrazot (6):

ref 2 3 x

1 2 3

V out =V ref ])()(

[21

1

3 RRR

RRR

x

x

+−

+ (6)

koga e vo ramnoteà V =0, ottuka out2

1

3 RR

RRx = . ûvstvitelnosta na

mostot moè da bide definirana kako odnos na mostniot izlezen napon i promenata na otpornosta na setiloto, podelena so napon na napojuvawe. Za idealen most ~uvstvitelnosta e dadena so izrazot (7):

S=)2(

1

2

2

1

RR

RRX

++ (7)

so maksimalna vrednost od 4X

koga 2

1

RR

=1.

Sl. 4 Vitstonov most Mostot ~esto se korisi kako neuramnoteèn, kako na sl. 5 koga |x|<<1. Vo ovoj slu~aj otpornostite R , R imaat osnovna vrednost

R , a R 1 e slepo setilo. Izlezniot napon e daden so izrazot (8): 2 3

o

Str.12


V out =

21

11(2 X

Vref

−− ) (8)

Izlezniot napon e pribli`no linearen vo odnos na delumnata promena na otpornosta, pa koga X e malo go dobivame izrazot (9):

V out = XVref

4 (9)

Koristeweto na slepo setilo R 1 vo mostot dava odli~na kompenzacija od nelinearno setilo so temperaturnata zavisnost, ova e osobeno va`no za hemiskite setila. Izlezot od takov most moè da bide procesiran, na primer so diferencijalen zasiluva~ za postignuvawe na soodveten napon. Izlezniot napon e daden so ravenkata (10) vo slu~aj koga x<<1:

V out =-45

6

5

6 XVRR

VRR

ref−=Δ (10)

Potrebna e golema vlezna impedansa i malata temperaturna

l. 5 Neuramnoteèn Vitstonov most so kompenzacionen element

apacitivni setila

o nekoi tipovi na setila za merewe se koristat promeni vo

=

~uvstvitelnost na koloto. S K Vreaktansata (kapacitivnosta ili induktivnosta) na setiloto. negovata otpornost. Kapacitivnosta C na setiloto e dadena so izrazot (11):

VqC (11)

Str.13


Kapacitivnosta na setiloto zavisi od geometrijata na elektrodite i dielektri~niot materijal staven me|u niv. Za plo~est kondenzator vaì izrazot (12):

ε o ε r dAC= (12)

kade e dielektri~na konstanta na vakuumot, e relativna

tri~na konstanta na materijalot pome|u plo~ite, A e

C=

ε o ε r

dielekpovr{inata na plo~ite dodeka d e nivnoto rastojanie. Sekoj fenomen na promena na dielektri~nata konstanta, povr{inata ili rastojanieto na plo~ite }e predizvika promena vo kapacitivnosta δC. Ovaa promena moè da se definira so diferencijalna ravenka (13):

dAddC

,εδε + ddA

dC,ε Aδ + Add

dC,ε dδδ (13)

ehani~koto pomestuvawe na edna elektroda vo odnos na druga

erijali varira so

V =

Mmoè da predizvika ili promena na rastojanie δd ili promena na efektivnata povr{ina δA. Ovoj princip e eksploatiran vo razli~ni mehani~ki mikro setila koi koristat promena na kapacitivnosta vo ednostavno izlezno kolo. Dielektri~nata konstanta na nekoi mattemperaturata i moè da se koristi kako funkcija na preobrazba vo setilata. Setilata so promenliva kapacitivnost moè da se postavat vo kapacitiven naponski delitel. Izlezniot napon e vo relacija so vlezniot napon V ref , kapacitivnosta na setiloto C x i

referentnata kapacitivnost C i e daden so izrazot (14):

ref

outrefx

xref

CCCV

+

(14)

l. 6 Naponski delitel so kapacitivno setilo

S

Str.14


Na slikata 6 e prikaàna izvedba na kapacitiven naponski delitel.

Sl. 7 Naizmeni~en kapacitiven most Na slikata 7 se prikaàni dve izvedbi na mostovi, edniot vo koj impedansata na kapacitivnoto setilo se ekvivalentira so seriska, a vo drugoto so paralelna vrska na nepoznatiot kapacitet C i otpornosta R . Idealno, R pri seriska vrska e

nula, a pri paralelna vrska e beskone~en, no vo praksa vrednosta mora da se izmeri. I tuka moè da se koristi slepo setilo za kompenzacija na temperaturnata promena:

x x x

Serija C =x 14

2 CRR

i R =x 12

4 RRR

Paralela C =x 14

2 CRR

i R =x 14

2 RRR

Problemati~no e koga kapacitivnosta na setiloto e mnogu mala (10 pF/m). Vo toj slu~aj pri izvedbata treba da se reducira efektot na kabelska kapacitivnost, vo slu~aj na siliciumski mehani~ki mikrosenzori kapacitivnosta e mala, pa posebno vnimanie treba da se obrne na tehnologijata. Mo`ni re{enija se so integrirawe na mostnite kola i setilata so ednostaven ~ip so upotreba na CMOS tehnologija za proizvodstvo na FET zasiluva~i, so mala vlezna kapacitivnost i visoka vlezna otpornost. Induktivni setila Induktivnosta na setiloto e dadena so izrazot (15):

L=NdidΦ (15)

Str.15


kade {to N e broj na namotki, F e magneten fluks, a i e struja niz namotkite. Magnetnomotornite sili (mmf) se ednakvi na Ni i taka

induktivnosta e vo relacija so reluktansata R l = ΦNi

i e dadena so

izrazot (16):

L=lR

N 2

(16)

Magnetnata reluktansa na sistemot e analogna so elektri~nata otpornost. Vkupnata reluktansa na namotkata, koja ima napre~en presek A i dolìna l so μ -magnetna permeabilnost na vozduh, μ -relativna

magnetna permeabilnost na èlezno jadro e dadena so ravenkata (17):

o r

R l =oo

o

ro Al

Al

μμμ+ (17)

kade vtoriot ~len ja vklu~uva dolìnata na magnetnite silovi linii na poleto niz vozduhot l so napre~en presek A .

Najgolemiot del od induktivnite setila ja menuvaat reluktansata vo funkcija od magnetnoto pole. Ima dva tipa na promena kaj setilata:

o o

-edni koi ja menuvaat dolìnata na magnetnata silova linija vo vozduhot l i -drugite koi ja menuvaat magnetnata permeabilnost.

Induktivnite setila najmnogu se koristat pri reducirawe na efektot na rasturni magnetni poliwa i promeni na temperaturata. Induktivnite setila imaat golema linearnost (0,5 %). LVDT-linearen promenliv diferencijalen transformator e baziran na promena na me|usebnata induktivnost me|u primarnata namotka i dvete sekundarni namotki kako i feromagnetnoto jadro koe se nao|a vo niv, primerot e prikaàn na slika 8. Izlezniot napon e daden so ravenkata (18):

o

V out =(M -M 2 )1 dtdip (18)

kade razlikata na me|usebnite induktivnosti (M 1 -M ) pokaùva brza i linearna promena na dvete strani na centralnite magnetni pozicii vo jadroto. Vo praktikata izlezniot napon zavisi od frekvencijata na vlezniot napon kako i od vleznata otpornost (10 k Ω ). Izlezniot napon ~esto ne e nula vo centralnata pozicija poradi razlikite vo namotkite i negovata to~nost moè da e temperaturno zavisna.

2

Str.16


Sl. 8 Linearen promenliv diferencijalen transformator Kako {to e kaànao ponapred, elektri~niot izlez od setilata voobi~aeno ima potreba od nekoi formi na procesirawe ili preobrazba pred da se koristat od nekoj drug ured. Modulot za obrabotka na merniot signal pome|u setiloto i sistemot za obrabotka na podatoci se vika interfejs. Glavna uloga na interfejsot e da go zasili neobraboteniot signal vo nivo koe e prakti~no za upotreba. Vtorata uloga na interfejsite e reducirawe na {umot so prikladno filtrirawe.Treto, interfejsite snabduvaat so energija. Karakteristikite na setilata se opredeleni so stabilnosta na interfejsot vo postignuvawe na stabilno napojuvawe. êtvrto, se koristat za koregirawe na nekoi nedostatoci na setilata, na primer, moè da se vovede linearizacija na izlezot od setiloto vo odnos na vlezot. Petto, interfejsite moè da imaat sposobnost da proizvedat kontrolen signal odnosno predupreduva~ki signal pri nizok napon. Kone~no, interfejsot moè da go podgotvi signalot za prenos kon drug ured. Formite za prenos na podatoci se analogna struja ili napon, frekventna modulacija i digitalen prenos. Prifatlivo e da se upotrebuva signal od (1-10)V za prenos na kratki rastojania, koga analogniot signal ima potreba da patuva na dolgi rastojania, strujnoto kolo e najsoodvetno, (4-20) mA struja e industriski standard i signalot mora da e vo tie ramki. Frekventna modulacija Vo nekoi tipovi setila korisno e da se konvertira signalot od setilata vo frekvencija pred da se izvr{i prenosot. Konverzijata od analogen napon vo frekvencija bara precizno merewe so komercijalni frekvenciski broja~i. Nekoi setila imaat potreba od frekvenciski signal za modulacija, na primer rezonantnoto siliciumsko mehani~ko setilo raboti so osnovni

Str.17


frevencii od kHz do MHz i moè da obezbedi visoko nivo na ~uvstvitelnost pri mereweto. Vo slu~aj koga imame pove}e setila upotrebeni zaedno, analogniot vlez moè da bide multipleksiran so cel namaluvawe na potrebniot kabel. So toa se reducira kompleksnosta i brojot na interkonekciski kabli, a so toa i tro{ocite. Ovoj sistem moè da se upotrebi za procesirawe signali od golema grupa na setila,. iako baraweto za golema brzina na seriskoto procesirawe moè da naloì koristewe na drugi uredi. Na slikata 9 e prikaàn interfejs so preobrazuva~ na napon vo frekvencija.

Vlez

Setilo Preobrazuva~

Frekventen izlez

Sl. 9 Interfejs so preobrazuva~ na napon vo frekvencija

4.3 DIGITALNI TEHNIKI

Digitalnite elementi bi moèle da se podelat vo tri grupi: gejtovi, flip-flopovi, i funkcionalni logi~ki elementi.

Digitalnite elementi i tehniki ne mora da se poistovetuvaat so digitalnite smeta~i i elektronski elementi. Tie {iroko se koristat vo industrijata za prekinuvawe, smetawe i upravuvawe. So napredokot na integriranite kola neophodno e samo osnovno znaewe za razbirawe i koristewe na digitalnite tehniki. Problemot se reducira na izbor na soodvetni IC logi~ki komponenti i izbor na kolo za da se ispolni dadena zada~a.

Logi~kite gejtovi selektivno propu{taat daden vlezen signal zavisno od namenata. Postojat tri osnovni logi~ki gejta AND, OR i NOT (slika 31).kako i nivni komplementni NAND, NOR (slika 32)..

Slika 31 AND RDL(I) gejt - a) logika; b) izvedba v) {ematsko ozna~uvawe

R

A

B

CD1

5V

D2

A

V R

BC

AB C

a) b) v)

Str.18


Slika 32 OR RDL NOT(ILI) gejt - a) logika; b) izvedba v) {ematsko ozna~uvawe g) (invertor)

R

A

B

CD1

5V

D2

a) b) v) g)

A

B

V R

CAB C

A

A

A

A

Flip Flopovite se osnovni elementi na digitalnite ma{ini. Osnovna funkcija kaj niv e da storiraat (pamtat) eden bit binarna informacija na logi~ko nivo 1 ili 0. No moàt da izvr{uvaat niza zada~i kako {to e broeweto i multipleksiraweto. Za op{ta upotreba poekonomi~no e da se koristat IC namesto gejtovi i flip flop diskretni komponenti.

SR flip flopot e prikaàn na slika 33a.

D - tip flip flop e daden na slika 33b. Slika 33 a) flip-flop; b) flip-flopSR D

S Q

R Qvlezovi izlezi

S R0 00 11 01 1

QQ01NU

D Q

T Qvlezovi izlezi

QQD

T01

a) b)

Koderi - dekoderi

Koderite sluàt za pretvorawe na analogna koli~ina vo digitalen kod. Dodeka dekoderite imaat obratna funkcija. Na slika 34 e prikaàn eden koder na agolot.

Slika 34 Koder na agolotsvetlina foto}elii

1001

1111

Multiplekseri - demultiplekseri

Multiplekserot e selektor. Toj gi selektira podatocite od paralelni vlezovi i gi vodi na seriski izlez. Demultiplekserot

Str.19


e distributer - obraten sistem na multiplekserot. Kru`niot prekinuva~ na slika 35a,b moè da sluì kako multiplekser i demultiplekser.

Slika 35 a) multiplekser; b) demultiplekser; v) elektronski multiplekser

vlezovi

izlez

izlezivlez

a) b) v)

S Q

R Qselektor

kanal 1

kanal 2

izlez

Primer za eden elektronski multiplekser so SR flip flop e daden na slika 35v.

(S/H) kola - ovie kola zemaat i privremeno ~uvaat vrednost na nekoj analogen signal za natamo{no procesirawe, kako vo digitalnite multimeri. Najprost primer e daden na slika 36a.

Sli~no moè da se napravi so koristewe FET prekinuva~ na slika 36b.

Slika 36 a) odbira~ ( ); b) kolo ( )sampler sample-hold S/H

vi vo

vo

vi

t

V

vi

vo

C

FET

prekinuva~

vo

samplemode

vi

t

V

a) b)

Koga FET e provoden Vi go polni kondenzatorot, a V0 go prati vlezot. Koga ne e provoden, C ne moè da se prazni zaradi mnogu golemata vlezna impedansa na operacioniot poja~uva~. Taka go ~uva sempliraniot napon.

Broja~i Elektronskite broja~i osven vo laboratorija se koristat kako komponenti vo instrumentite, kako primer vo analogno/digitalnite konvertori.

Analogno/digitalni konvertori

Digitalna vo analogna i analogna vo digitalna konverzija sluì za interfejs pome|u analognite i digitalnite elementi. Postoi {irok spektar so razni performansi kako standardni paketi od

Str.20


mnogu proizveduva~i. Rezolucijata zavisi od brojot na upotrebenite bitovi.

Najmnogu gi ima so 8 i 12 bita.

Slika 37 a) konvertor; b) konvertorD/A A/DVref

Vo

RfR/8

R/4

R/2

R

1

0

1

1

a) b)

impulsen~asovnik

S/H

D/A konvertor

n - bitenbroja~

izlezkomparator

analogensignal

...V2

V1

Start

V2

V1

t

Na slika 37a e daden eden sobira~ koj sluì kako digitalno-analogen konvertor.

Kaj analogno digitalnite konvertori se koristi sukcesivna aproksimacija kako na slika 37b.

Postojat i alternativni na~ini na A/D konverzija koja moè da go poednostavi i podobri sistemot i performansite. Na slika 14 a) e prikaàn senzorski sistem so kapacitivno setilo C , kade e

koristen A/D konvertor, koj kako vlez koristi analogen napon, {to ja komplicira izrabotkata. C i C pretstavuvaat parazitni

kapacitivnosti na priklu~nite kabli.

x

1p 2p

Kapacitivnosetilo

Setilo

Referentnosetilo

NaponMikrokont- roler

Mikrokont- roler

16 bitna to~nost

16 bitna linearnost

Period

Kontrola

Elektri~no kolo

Kapacitivenperiodi~enkonvertor

Offset

A/Dkonvertor

Sl. 14 Mo`ni primeri a) konvencionalen b) A/D konvertorot e implementiran vo mikrokontrolerot

Str.21


Promenata na kapacitivniot signal vo napon ne e lesno i bara voveduvawe dodatni prenosni parametri. Mnogu od tradicionalnite vnatre{ni funkcii na A/D konvertorite moàt da bidat spoeni so onie od drugite potsistemi so mnogu niska cena. Na primer: zemaweto odbiroci, kvantizacijata i digitalnoto filtrirawe moàt lesno da bidat implementirani vo DSP ili mikrokontrolerot, toa e prikaàno na sl. 14 b). Kapacitivniot konvertor moè da bide implementiran so relaksicionen oscilator, ~ija perioda varira linearno so vrednosta na setilata, i taka toj generira periodi~no moduliran izlezen signal. Ovoj signal na oscilatorot se koristi i za napojuvawe na setilata, i taka nikakov oddelen generator na napojuvawe i sinhroniziran detektor ne e potreben. Mikrokontrolerot ili DSP se dobro opremeni da merat frekvencija ili vremenski interval so koristewe vnatre{ni broja~i. Frekvenciski i periodi~en modulator moàt lesno da bidat realizirani. Sporedeno so frekvenciskata modulacija, periodnata modulacija, dava prednost koga e koristena avtokalibracija so {to efektot na vremensko docnewe e eliminiran. Ova se dolì na faktot deka avtokalibracijata gi otstranuva efektite na site dodatni gre{ki, vklu~uvaj}i go i vremenskoto docnewe. Sporedeno so alternativata na impulsno-{irinskata modulacija, periodnata modulacija ima prednost vo odnos na efektot na vremenskata konstanta na izleznoto kolo, {to e prikaàno na slika 15. Poradi toa vo se razgleduva periodnata modulacija. Sekoja perioda ili grupa periodi se merat. Za identifikacija potreben e period koj e pokratok od drugite. Ako pri merewe na ovie signali mikrokontrolerot ima vnatre{en ~asovnik toj moè da ja digitalizira dolìnata na periodot so koristewe na asinhroni impulsi, {to e prikaàno na slika 16. Denes, brzinata na zemawe na odbiroci na ovie broja~i e vo opseg od 0.1 do 1 μs. Kvantizacioniot {um dobien so digitalizacijata e proporcionalen so brzinata na primerokot, a obratno proporcionalen so periodot Tx. Sl.15

SenzorskisignalAsinhroniimpulsi za zemawe primeroci

Frekvenciskapodelba

A/D konverzija so asinhron sistem za zemawe primeroci

Str.22


Za da se namali kvantizacioniot {um, se koristi vnatre{en frekvenciski razdeluva~ koj se koristi za razdeluvawe ili za reducirawe na izleznata frekvencija so faktor 120 ili 1024.

Sl. 16 Periodi~na modulacija: Detektiraniot signal nema vlijanie od efektot na vremenska konstanta na izleznoto kolo

Interfejsi i merni tehniki za inteligentnite senzorski sistemi Vo inteligentnite senzorski sistemi se integriraat funkciite na setilata i nivnite interfejsi. Ova vklu~uva poja~uvawe i obrabotka na signalot, A/D konverzija, interfejsing i obrabotka na podatoci. Isto taka, se dodavaat i funkcii od povisoko nivo, kako {to se: samotestirawe, avtomatska kalibracija, procenka na podatoci i identifikacija. Vo mnogu fizi~ki i hemiski setila {irina na informaciskiot kanal e prili~no mala, mnogu pomala otkolku vo elektronskiot del na sistemot. Ova ovozmoùva da se koristi ednostaven elektronski sistem koj }e poddrùva mnogu setila so cel da izvr{uva mnogukratno merewe. Pokraj toa moè da se iskoristi raspoloìvata {irina na vremenskiot band na elektronskiot del, za da se podobri sistemskata to~nost, doverlivosta i dolgoro~nata stabilnost ili pomala disipacija na mo}nost. Tuka }e se razgledaat mo`nite tehniki na merewe, sistemskite podobruvawa i na~inite za implementirawe na ovie tehniki vo kola na interfejsi za inteligentni senzorski sistemi. ]e bidat prikaàni napredni tehniki na merewe, kako {to se tehnikite za namaluvawe na {um i interferencija, dinami~ko povrzuvawe na elementite i avtokalibracija, koi moàt da gi re{at tradicionalnite problemi na elektronskite kola kako: offset, {um, interferencija i dolgoro~en drift. Kako {to e kaàno generalno kaj setilata se javuva problemot na vkrstena ~uvstvitelnost, t.e. pokraj nivnata ~uvstvitelnost na mernata golemina tie isto taka pokaùvaat nepoèlna ~uvstvitelnost za drugi fizi~ki golemini. Pokraj baraniot elektri~en izlezen signal, tie isto taka davaat parazitni elektri~ni efekti, signal na {um. Na slikata 10 e pretstavena mo`na hardverska konfiguracija na senzorski sistem vo koja se upotrebeni razli~ni komponenti kako mikrokontroleri, personalni kompjuteri i interfejsi za setila.

Str.23


Raspolagaweto so memorija na mikrokontrolerot dava mo`nost za sobirawe na podatoci vo podolg period od pove}e setila. Ova ja ovozmoùva realizacijata na nekolku va`ni sistemski funkcii, kako {to se avtokalibracija, samotestirawe, kompenzacija i filtrirawe na nesakani signali i efekti. A/D konverzijata moè da bide izvedena vo mikrokontrolerot. Interfejsot sodrì elektronika za razli~ni vidovi na setila. Mo`no e soedinuvawe na funkciite na setilata i negoviot interfejs i nivno implementirawe vo ednostaven ~ip, koj rezultira vo t.n. inteligentno setilo. Na toj na~in }e se zgolemi brzinata na obrabotka i }e se namali cenata. Za da se ovozmoì ova mnogu e va`no da se prepoznaat glavnite karakteristiki i problemi na najkoristenite setila i senzorski sistemi. Kako primer }e se dade prikaz na senzorski sistem so visoka to~nost vo {irok dinami~ki opseg vo koj parazitnite efekti se reducirani.

Sl. 10 Mo`n

a konfiguracija na inteligenten senzorski sistem

Kompjuter

Mikrokontroler

Interfejs

SetiloInteligentnosetilo

Setilo

Minimum sistem

Parazitski efekti kaj setilata Najgolem interes vo praksa e fokusiran na senzorskite sistemi so relativno mal fizi~ki band, pomalku od 10 kHz. Me|utoa i pri vakvo ograni~uvawe treba da se re{at pove}e problemi. Ovie problemi poteknuvaat od kompleksnosta na fizi~ko-elektri~nite efekti i potrebata da se dobie selektivno i to~no merewe na specifi~nite golemini vo prisustvo na mnogu parazitski efekti i signali na pre~ki. Ponatamu vo tekstot se diskutiraat tie problemi i metodite za nivno re{avawe. - Pakuvawe

Str.24


Za skoro site mikrosetilni elementi pakuvaweto e eden od problemite vo izrabotkata, na primer: za ispolnuvawe na osnovnata funkcija kontaktot pome|u setiloto i fizi~kata ili hemiskata sredina mora da e po mo`nost dobar, no od druga strana blizok kontakt moè da e pri~ina za degradacija ili o{tetuvawe na setilata. Vo inteligentnite senzorski sistemi ne samo setilnite elementi, tuku i ostatokot od senzorskiot sistem treba da bide dobro za{titen, Na primer: kaj inteligentnite temperaturni setila, ~ipot moè da bide pakuvan vo hermeti~ki zatvoreno metalno ku}i{te. Za hemiskite setila pote{ko e da se razvie tehnika na pakuvawe, predhodna preobrazba na hemiskata merna golemina vo fizi~ka moè da go re{i problemot so pakuvawe. - Vlijanie na kablite i impedansata na vod So dvoportno merewe moè da se otstrani impedansata na priklu~nite vodovi i kabelskoto vlijanie vrz mereweto. Na slikata 11 a) e prikaàna 4-vodna tehnika za merewe kaj setilo so mala impedansa Z . Vo ovoj slu~aj seriskite impedansi

Z ,…,Z na priklu~nite kabli nema da imaat efekti na mereniot

napon V . Primenata na ovaa tehnika ima potreba od interfejsen

~ip koj ja dava eksitacionata struja i merewata na naponot na Z ,

koristej}i struen izvor so visoka impedansa i vlezen zasiluva~ so visoka impedansa.

x

1s 4s

sense

x

Na slikata 11 b) e prikaàna dvo-vodna tehnika na merewe visoko-omska setilna admitansa Y so eksitacionen napon V i struja

I niz Y . Impedansite Y i Y na priklu~nite kabli nemaat

vlijanie vrz mereweto. So ovaa tehnika e mo`no merewe na mali setilni kapacitivnosti C , duri i koga priklu~nite kabli koi se

koristat imaat parazitni kapacitivnosti C i C , so red na

golemina pogolema od C . Implementacijata na ovie tehniki ima

potreba od interfejsen ~ip za naponsko napojuvawe so i merewe na strujata niz Y , so koristewe na naponski izvor so niska

impedansa i vlezen zasiluva~ so niska impedansa.

x force

sense x 1p 2p

x

1p 2p

x

x

l. 11 Dva slu~aja na dvo-portno merewe a) setila so niska

s a vrednost na Y

Svrednost na Z x

b) setila so ni k x

Str.25


- Parazitni efekti kaj setilata

~uvstvitelnost t.e.

ekolku tipi~ni setila i nivnite parazitni elektri~ni

t

etilata go imaat problemot na vkrstenaS

pokraj nivnata ~uvstvitelnost na merenata golemina, tie isto taka pokaùvaat i nepoèlna ~uvstvitelnost za drugi fizi~ki golemini, kako {to e:

temperaturata, mehani~ki vibracii itn.

l. 12 Primeri na ekvivalentno elektri~no kolo modelirano so S

nkomponenti :a)-d) ednostavni elementi :e) kompleksni setila Za taa cel se upotrebuvaat dopolnitelni setila koi

vozmoùvaat kompenzacija na vkrstuva~kiot efekt. oNa primer, koristewe na dopolnitelni temperaturni setila za kompenzacija na temperaturnata ~uvstvitelnost. Kako dodatok na ova setilata pokaùvaat parazitni elektri~ni efekti koi moàt da imaat fizi~ko, hemisko i elektri~no poteklo. Na primer: vo kapacitivno setilo za vla`nost se pojavuva struja zaradi parazitnata otpornost R p , na setiloto so kapacitet C x

slika 12 a). Voobi~aeno proizvoditelite ne davaat informacija za ovaa t.n. parazitna otpornost. oradi toa koga se izrabotuvaa elektronski merni kola za kapacitetot C x , treba da se zeme vo

predvid najnepovolnata vrednost na otpornosta R p . Upotrebata na

edna od slednite postapki moè da gi re{i ovie problemi: -Koristewe povisoka frekvencija na vozbudniot signal }e rezultira so namaluvawe na relativnoto vlijanie na R p .

P

Str.26


-Koga se koristi sinusoiden eksitacionen signal, so pomo{ na analizator moè odvoeno da se merat vrednostite na C x i R . No

efektot na

C R

o

p

koristeweto na sinusni signali }e ja zgolemi sloènosta na sistemot i potro{uva~kata na energija. -Vo slu~aj na eksitacionen pravoagolen signal, mo`no e vr{ewe serija od merewa so razli~ni frekvencii na eksitacionata struja. Algoritmot na procesirawe na merenite rezultati, zna~ajno }e go namali efektot na parazitnite otpornici. Ovaa metoda bara pove}e vreme, no moè da bide realizirana so ednostavni elektronski kola. -Prazneweto na poln kondenzator kolku {to e mo`no pobrzo }e ja reducira disipacijata na mo}nost i so toa i relativniot efekt na t.n. parazitna otpornost. Koga otporni~koto setilo e priklu~eno na dolg kabelski vod vo elektronski signalen procesor, kabelskite kapacitivnosti }e predizvikaat parazitna kapacitivnost C p . Ovoj problem moè da

bide re{en so edna od slednite tehniki na merewe: -Koristewe na niskofrekventen eksitacionen signal }e go namali relativniot efekt na C p . Reduciraweto na

niskofrekventen {um i interferencija, }e bide vozmo`no so zgolemuvawe na frekvencijata. -Koga se koristi sinusen eksitaciski signal, so pomo{ na analizator moè odelno da se merat vrednostite na i . No p p

koristeweto na sinusen signal zna~ajno }e go uslo`ni sistemot i potro{uva~kata na energija. Kaj setila koi generiraat struja kako {to se fotodetektorite, slika 12d), vlezniot napon i vleznata impedansa na elektronskiot signalen procesor treba da se {to e mo`no pomali za da se reducira efektot na parazitna otpornost. Pod e) e pretstaven pokompleksen model t.n. impedansno setilo. Moè da bide koristen za merewe elektri~ni karakteristiki na te~nost. Site elementi C p , R 1x i R 2x sodràt nekoja interesna

informacija za karakteristikite na te~nostite. Voobi~aeno elementite imaat takvi vrednosti koi moàt da bidat izdvoeni so koristewe na specijalni frekvencii, {to go komplicira mereweto. Parametrite na modelot moàt da pokaàt frekventno zavisno odnesuvawe, koe }e go napravi mereweto u{te pote{ko. Kako dodatok na ova elektri~no-hemiskiot kontakt pome|u provodnikot vo cvrsta sostojba i te~nosta }e pokaè kompleksno odnesuvawe koe }e bide modelirano so parazitna impedansa Z p .

Za vakvite impedansni setila koi moàt da se koristat za merewe na karakteristiki kako {to se: vla`nost i sodrìna na voda vmaterijalot, postoi golem interes. So impedansni setila moè da se detektira prisustvoto na mikroorganizmi vo mlekoto bez toa da se otvori. Specijalen interfejs e proektiran za da se meri sostavot na mlekoto vnatre vo {i{e so koristewe na nadvore{ni elektrodi. Za da se napravi razlika pome|u otporni~kite i kapacitivnite komponenti na

Str.27


merenata impedansa, merewata se pravat so koristewe na razli~ni eksitacioni signali i razli~ni konfiguracii na kola. Kako primer, na slikata 13 e prikaàna merena promena na otpornost na mleko vo tekot na test posle infekcija od Salmonela.

Vreme(~asovi)

Promena na otpornost

Elektroda 1

Elektroda 2

Sl. 13 Detekcija na mikroorganizmi vo paket od produkti od hrana so koristewe na impedansno setilo a) plasti~no {i{e so

Eksitacioni signali (napojuvawe) na setilata

kapacitivni ili nduktivni), interfejsot go dava napojuvaweto/eksitacioniot

oagolen, sinusen i impulsen signal,

ni ednonaso~ni pre~ki koi vklu~uvaat zasiluva~ki

lo.

~en odnos signal/{um.

nadvore{ni elektrodi, b) promena na otpornost vo tek na test na infekcija so Salmonela - Vo slu~aj na pasivni setila (otporni~ki, isignal. Ova im ovozmoùva na proizvoditelite na interfejsi da izberat soodveten tip i golemina na eksitacioniot signal, so cel da go napravat sistemot ednostaven i to~en i so minimalna potro{uva~ka na energija. Branovi formi: Proizvoditelite moàt da izberat me|u, na primer, ednonaso~en, pravop{to zemeno sekoj od ovie signali ima svoi prednosti i nedostatoci: -Ednonaso~niot signal e ednostaven, no toj ima problem tamu kade postojat sildrift i struen offset, nisko frekventen {um itn. Druga nepogodnost od koristeweto na dc signali moè da bide nastanuvaweto na elektrolitski efekti. Poradi ovie pri~ini ovie signali ne se upotrebuvaat. -Pravoagolen signal imaat prednost, tie moàt da se generiraat so mnogu ednostavno digitalno ko-Sinusnite signali imaat prednost bidej}i so soodvetno izraboteni filtri moàt da imaat odliKako i da e, sporedeno so pravoagolen signal, sinusniot signal nametnuva kola so zna~ajno povisoka disipacija i kompleksnost.

Str.28


-Impulsnite signali dobro odgovaraat so selektivnosta. So pravilen izbor na vremenskiot interval, korisnite signali moàt lesno da bidat razlikuvani od reflektiranite sledej}i dolg pat na prenos. Vo pogled na odnosot signal/{um, eksitacioniot signal treba da e {to e mo`no podolg. Od druga strana, nelinearnosta na setilata }e ja limitira optimalnata vrednost na eksitacijata/napojuvaweto. Za da se dobie visoka to~nost, mora da bidat prezemeni

aznovidni merewa za reducirawe ili eliminacija na razli~ni

ajni i gre{ki poradi refleksija

a se javuvaat ri tipa na gre{ki:

ajno sekoj pat koga merewata

ie gre{ki se povtorlivi vo sekoe vreme koga

t da bidat minimizirani so filtrirawe i

adicionalnite

a i nagoduvaweto se izveduvaat

o

. DIGITALEN PRENOS

rtipovi na gre{ki. - Sistematski, slu~ Vo odnos na to~nosta , kaj sistemite so mikrosetilt-slu~ajni gre{ki, predizvikani od: interferencija, {um ili promena, ovie gre{ki variraat slu~se povtoruvaat. -sistematski gre{ki, predizvikani od neto~nosta na sistem parametrite. Ovmereweto e povtoreno. -Gre{ki poradi refleksija na impulsnite napojni signali. Slu~ajnite gre{ki moàtehnikite za namaluvawe na {um i interferencija. Ima pove}e na~ini za reducirawe na sistematska gre{ka na primer so kalibrirawe i nagoduvawe. Pri trkalibracii se pravi komparacija na test setilo so drugo so povisoka to~nost. Za to~ni merewa podatocite od ovie testovi se stavaat vo kompjuterska memorija ili se ednostavno zapi{uvaat i se koristat pri mereweto. So nagoduvawe, odnesuvaweto na setiloto se menuva so cel da se nagodat karakteristikite {to e mo`no poblisku do nominalnite. Kalibracijata i nagoduvaweto se na~in za podobruvawe na to~nosta. Na primer: kalibracijatpod odredeni uslovi zemaj}i ja predvid temperaturata, naponot na napojuvawe i vremeto, koi moàt da se razlikuvaat pri razli~ni uslovi na rabota na setiloto. Sistematskite gre{ki moè da se menuvaat poradi promenite vo nadvore{nite uslovi i dolgotrajniot drift. Najdobar na~in za spravuvawe so ovie osnovni problemi e eliminacijata na vlijanijata na site parametri na promena osven onie potrebni za bazi~nite merewa. -Gre{ki poradi refleksija se slu~uvaat vo sistemite kade {to e koristen impuls za merewe, na primer: rastojanie, mehani~kdvièwe, brzina na letawe itn. Korisnite signali, koi se prenesuvaat po odredena linija se popre~eni od reflektira~ki signal .

7

Str.29


-Seriski interfejs

Zaradi prednostite vo pogled na pogolemi brzini na prenos i na {um, naj~esto od elektronskiot interfejs

°S

pogolemata imunost se obrabotuvaat i prenesuvaat digitalni signali. Vo tabela 5.1 se prikaàni brzinite na prenos kaj nekoi tipovi na kabli za povrzuvawe so elektronskiot interfejs.

Kabel Maks.brzina

Bit/sek

Teìna

g/m Maks. Temperatura

par 7 MHz 3,2 80

Gumiran kabel 5 MHz 0,1 105

Koaksijalen kabel

20 MHz 48,0 75

Kompjuterskikabel

40 MHz 55,0 80

Opti~ki kabel

-monom

oden 10 GHz

00 GHz

0,13

,21

80-200

0-200 -multimoden

2

0

8

Se gleda deka e kabli se superiorni vo pogled na renesuvawe na golem obem na podatoci so golemi brzini.

~esto koristen

opti~kitpDigitalnata informacija se razmenuva pome|u setiloto i mikrokompjuterot, preku seriski ili paralelen komunikacionen vlez. Teoriski seriskiot digitalen interfejs bara samo edna ili dve ìci i e zna~ajno poeftin od paralelniot interfejs ( 8 ìci). Osven toa za seriska vrska moè da se koristat komercijalni komunikacioni uredi , odnosno telefonski kabel.

Standardite za seriski interfejs bea definirani od asocijacijata na elektronskata industrija – EIA. Najkaj kompjuterskite sistemi e standardot RS- 232, dodeka standardite RS-422 i RS-423 se koristat pri podolgi linii na prenos ili pogolemi brzini na prenos. Na sl. 5.1 e prikaàna osnovnata konfiguracija na ovie tri seriski interfejsi.

Str.30


Sl.5.1 a) RS-232 Ednoì~an b) RS-422 c) RS-423 seriski interfjs

Povorkata impulsi e generirana od standardni drajveri (primer Motorola MS1488....) i se prima od standardni priemnici ( primer Motorola MS1489....). Konektorot za RS-232 e 25 pinski D konektor vo najgolem broj liniite se kontrolni. Ovoj dosta kompliciran na~in nastanuva zaradi negovoto koristewe za razmena na informacii so modemi, printeri, crta~i, a ne samo so setila. Ova na nekoj na~in go rasipuva idealot za ednostavna eftina komunikaciona vrska za odale~eno setilo. Vo praksa prepora~anata dolìna na linijata (zavisna od optovaruvaweto) za RS-232S interfejs iznesuva okolu 100m , a maksimalnata brzina na prenos e 20 kboda (20kbit/sek vo binaren kanal ) . Neizbe`no seriskiot interfejs e proektiran za povrzuvawe na eden ured ( edno setilo ili grupa setila preku multiplekser) na eden mikrokompjuter.

Str.31


Sl. 5.2 Prikaz na instrumentaciona magistrala za op{ta namena

GPIB (IEEE488) interfejs

Proizvoditelite razvija interfejs specijalno za digitalno kontroliranite instrumenti. Komunikacionata i upravuva~ka strategija e nare~ena Instrumentacionen bas za op{ta namena (GPIB) i be{e standardizirana od strana na IEEE vo 1978 god. kako IEEE-488. Ovoj bas ovozmoùva eden procesor ( eden PS) da kontrolira 20 uredi koristejki samo eden interfejs. GPIB koristi asinhron signal za prenos na podatocite so mnogu pogolemi brzini vo odnos na RS-232 ( do 2Mbit/sek).

Sl.5.3 Interfejs za basot na setiloto

GPIB ima 25 linii, 8 za podatoci, 8 za kontrola i zazemjuvawe. Sekoj ured povrzan na basot moè da pra}a ili prima podatoci, no eden ured mora da dejstvuva kako kontroler. Interfejs karticite koi se komercijalno raspoloìvi, bi moèle da sodràt Intel 8291predajnik/priemnik, 8292 GPIB kontroler i dva 8293 GPIB bas prenosnici. Ova mu dopu{ta na PS da go upravuva bus .sistemot so softver. Ovoj interfejs ovozmoùva fleksibilnost, setila moàt lesno da se dodavaat ili odstranuvaat od basot. No interfejs karticite se skapi, taka da ovoj sistem ne e za eftini aplikacii. Toj e za komunikacii do 20 m.

Str.32


8. SISTEMI ZA SOBIRAWE PODATOCI

Sobiraweto podatoci (data acquisition) e sistematsko snimawe i prikaùvawe na podatoci. Pritoa moè da bide opfatena i odredena redukcija na podatocite. Sistemot se sostoi od scanner/preobrazuva~ na merni signali, digitalen voltmetar-DVM, logi~ki kola za kontrola i printer kako na slika 38.

Slika 38 Blok {ema na sistem za sobirawe na podatoci

preobrazuva~na mernisignali

naponstrujafrekvencijaotpor

A/D logika,smeta~

izlez

±10VDC

Mikroprocesorot i drugite komponenti se prikaàni poeksplicitno na slika 39.

Mikroprocesorot ja upravuva rabotata na sistemot. Toj ima DATA-BUS za prenos na digitalni podatoci i adresen-BUS za adresirawe.

Memoriskite edinici se ROM i RAM. Parametrite vo poedinite kanali i programite moàt da se dobijat preku tastaturata. êsto se koristat verzii na vi{i jazici, kako na primer BASIC. Izlezot se dobiva na printer ili se snima so drugi periferni memoriski edinici. Za digitalna komunikacija se koristat interfejsite RS232 i IEEE - 488. IEEE - 488 moè da gi prinesuva digitalnite podatoci vo bilo koj pravec so do 20 instrumenti ~ii {to adresi gi ima.

Slika 39 Detalna blok {ema na mikroprocesorski sistem za sobirawe podatoci

µP

parametri

tastaturakontrola

printer

izbor nakanal

izleznipodatoci

preobrazuva~na signali

vlezovi

displejkontroladisplej

RAM

DVM

ROM RS-232 IEEE-488

adresen BUS

Taka e mo`no da se komunicira so sekoj instrument posebno. Mnogu novi hardverski i softverski proizvodi za sobirawe na podatoci se dobivaat sekoj den. Proizveduva~ite na distribuirani upravuva~ki sistemi ovozmoìja integracija na PC

Str.33


vo mreìte za upravuvawe, so razvoj na neophodnite paketi na interfejsi. Softverot moè da go preobrazi PC vo procesno-upravuva~ka stanica, namesto sistem za sobirawe podatoci. PC taka moè da se koristi za interaktiven nadzor, kontrola, dijagnostika, simulacija ili obuka na operatorite.

PC kako eftini kontroleri na instrumentacijata se pove}e se koristat. Se koristat interfejs kartici za da se preobrazi PC vo digitalen osciloskop, spektralen analizator, ili drugi instrumenti. Toj e isto mnogu funkcionalen za povrzuvawe na instrumentite so ~uvawe/memorirawe, pe~atewe ili prikaùvawe. Moè da se koristi kako kontroler so red moduli, kako digitalni multimeri, osciloskopi i multiplekseri. Samostojnite instrumenti se zamenuvaat so ovie moduli i pokaùvaweto odnosno instrument panelot se simulira interaktivno na ekran. So drugi zborovi modulot funkcionira kako tradicionalen instrument. Potrebnite paneli, sistem statusot i drugi podatoci se prikaùvaat simultano. Edna{ povrzani so interfejsi modulite se programabilni. I pove}e, konfiguracijata na instrumentite moè da se pamti i da se povikuva za sledni primeni, kako sobirawe podatoci, testovi na proizvodstvoto, nadzor i upravuvawe, i evaluacija i inspekcija na komponentite.

Str.34

Documents

4. PREOBRAZUVA^I NA MERNITE SIGNALItempus-19010.feit.ukim.edu.mk/html/MSMS predavanja... · 2010. 6. 4. · zna~i deka a i V V0 se so razli~ni znaci. Va i Vb mo`at da bidat pozitivni