Wzmacniacz sumujący

jeżeli R1=R2=R' to

Wzmacniacz odejmujący

napięcie na wejściu nieodwracającym:
;

taki sam potencjał ma wejście odwracające U₋ .Przez R₁ i R₂ płynie ten sam prąd I; z tym, że napięcie U₋ = U₊ ≠ 0, toteż należy je wziąć pod uwagę? przy obliczeniach:

R₂U₊ − R₂U₁ = R₁U_wy − R₁U₊

R₁U_wy = (R₁ + R₂)U₊ − R₂U₁

Jak widać napięcie wyjściowe jest równe różnicy napięć wejściowych. Jeżeli dodatkowo R4 = R2 oraz R3 = R1, to wyrażenie uprości się do postaci:

Wzmacniacz potencjometryczny

Prąd przepływający przez R2 przepływa także przez R1 i jego natężenie wynosi:

Dodatkowo widać, że U_R4 = −U_R2 = −IR₂ bo U_ − U_R2 − U_R4 = 0.

Prąd ten wpływa do węzła dzielnika napięcia i z pierwszego prawa Kirchoffa:

I + I₃ =I₄ => I₃ = I₄ − I

Ostatecznie napięcie wyjściowe równe sumie napięć na rezystorach R₃ i R₄:

u_wy = U_R3 + U_R4 = I₃R₃ + I₄R₄ = (I₄ − I)R₃ + I₄R₄

Podstawiając wszystkie dane do wyrażenia na u_wy otrzymujemy:

Wzmacniacz różniczkujący

Wzmacniacz całkujący

Róznice między komparatorem i wzmacniaczem operacyjnym:

*komparatory są zazwyczaj układami o większej szybkości działania niż wzmacniacze,

*poziomy napięcia wyjściowego w komparatorach są dostosowane do wymagań typowych układów cyfrowych np. TTL, zaś wzmacniacze operacyjne dysponują szerokim zakresem napięcia wyjściowego obu znaków,

*komparatory mają zazwyczaj szersze niż wzmacniacze zakres napięcia wejściowego,

*wejściowe napięcia niezrównoważenia oraz jego współczynnik cieplny są na ogół większe w komparatorach niż we wzmacniaczach, kompensacja tego napięcia w komparatorach organizowana jest zazwyczaj wewnątrz układu,

*komparatory, a szczególnie ten o dużej szybkości działania mają mniejsze rezystancje wejściowe a większe wejściowe prądy polaryzujące niż wzmacniacze.

*komparator pracuje w stanie odcięcia lub nasycenia na wyjściu podczas gdy wzmacniacz operacyjny pracuje zwykle z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego na liniowej części charakterystyki przejściowej (nie wchodzi w nasycenie).

Wzorce napięcia elektrycznego.

• „Band-gap V_BEII V_BEI mają współczynniki temperaturowe o przeciwnym znaku Vout = Vbei+λ(Vbei — Vbei)

• „Buried-zener” Vout = R2/(R1+R2) (1 + R4/R3) * Vz

• “XFET” - Zawiera dwa tranzystory polowe. Jeden ma dodatkowe domieszki w celu pod­wyższenia napięcia nasycenia. Przez dwa dreny JFET płynie ten sam prąd. Różnica napięć nasy­cenia jest wzmacniania.

Vout = ∆V_P((R₁+R₂+R₃)/R₁) + I_PT A_T * R₃

V_p - różnica napięcia nasycenia pomiędzy dwoma FET, IPT

A_T- prąd korekcyjny o dodatnim współczynniku temperaturowym.

Porównanie wzorców napięcia

Ze względu na metodę działania wyróżnia się dwie podstawowe metody pracy: metoda bezpośrednia metoda kompensacyjna

Flash -( metoda bezpośrednia)działa na zasadzie bezpośredniego i zazwyczaj jednoczesnego porównania wartości napięcia wejściowego z szeregiem napięć odniesienia reprezentujących poszczególne poziomy kwantowania za pomocą szeregu komparatorów analogowych. Przetworniki tego typu stosowane są wszędzie tam gdzie wymagana jest bardzo duża częstotliwość próbkowania i jednocześnie nie jest wymagana bardzo duża dokładność przetwarzania (najczęściej nie większa niż 8- lub 9- bitowa) N-bitowy flash ADC zawiera 2N rezystorów i 2N − 1 komparatorów.

• Podstawową zaletą takich przetworników jest szybkość działania

• wada małą rozdzielczośćią oraz dokładnością

Kompensacyjny Czas konwersji zależy od napięcia wejściowego.

Rozdzielczosc = maksymalne_napiecie/2n−1

SAR(sukcesywna aproksymacja) Algorytm działania układu sterującego polega na ustawianiu (wartość "1") kolejnych bitów słowa danych dla przetwornika C/A poczynając od najważniejszego bitu słowa (MSB) i w przypadku kiedy napięcie wejściowe będzie mniejsze od napięcia odniesienia z przetwornika C/A to dany bit słowa danych jest kasowany (wartość "0") w przeciwnym wypadku jest pozostawiany (wartość "1") i realizowana jest kolejna iteracja algorytmu aż do osiągnięcia ostatniego bitu słowa danych (LSB).

• częstotliwość próbkowania jest znacząco mniejsza od uzyskiwanej w przetwornikach o przetwarzaniu bezpośrednim

• rozdzielczości przetwornika, szybkości pracy przetwornika C/A zależy od wielkości słowa danych

• Szybsza konwersja ni» w przetworniku kompensacyjnym

Pojedyncze całkowanie Vin = N_Vref/fwzr_RCN- liczba zliczeń w liczniku CTR w czasie ładowania kondensatora, fwzr- częstotliwości sygnału taktującego licznik CTR. Pomiar zależy od wartości elementów RC!!!

Podwójnie całkujący Z układu sterującego wysyłany jest impuls, który otwiera klucz W2 i zamyka klucz W1. Do wejścia integratora doprowadzone jest napięcie Ux. Na wyjściu integratora otrzymujemy napięcie liniowo narastające. Czas narastania tego napięcia wynosi 20 ms (czas ten odmierzany jest poprzez licznik lub poprzez układ sterujący). Po upływie 20 ms z układu sterującego wysyłany jest kolejny impuls, który otwiera W1 i zamyka W2. Do integratora doprowadzone jest teraz napięcie wzorcowe o biegunowości przeciwnej do napięcia. Licznik cały czas zlicza impulsy z generatora zegarowego. Pojemność licznika jest tak dobrana, że maksymalną liczbę impulsów zlicza w ciągu 20ms. Kiedy napięcie wejściowe z integratora osiągnie wartość zero przerzutnik zmienia stan na przeciwny. Blokuje bramkę i kończy się zliczanie impulsów. Napięcie mierzone VIN przez czas T podłączone jest do wejścia przetwornika. Po naładowaniu napięcie na kondensatorze wynosi:

UC = 1/RC*całka od 0 do T VIN dt

Napięcie na kondensatorze jest proporcjonalne do średniej wartości VIN w czasie T. Po czasie T podane zostaje napięcie −VREF i kondensator rozładowuje się z nachyleniem EF/RC . Dokładność konwersji nie

zależy od wartości RC i częstotliwości sygnału generatora!! Zaletą tego przetwornika jest łatwość usuwania zakłóceń sieciowych.

bezpośredniego porównania ("flash" i "half-flash"):

zalety: najszybsza metoda przetwarzania A/C, b. mały czas apertury, tani,

wady: mała rozdzielczość, mała odporność na zakłócenia,

metoda kompensacji wagowej:

zalety: dokładny, w miarę szybki,

wady: wolno odpowiada na duże skoki Uwej, nie odporny na zakłócenia,

metoda jednokrotnego całkowania:

zalety: bardzo prosta budowa,

wady: nieduża dokładność,

metoda dwukrotnego całkowania:

zalety: przetwarzanie wartości średniej sygnału wejściowego, duża dokładność, odporność na zakłócenia, wady: wolny,

metoda delta-sigma:

zalety: szybki, dokładny, łatwy w produkcji, tani, (optymalny, najczęściej produkowany)

Przetworniki cyfrowo-analogowe

Z REZYSTORAMI WAŻONYMI Układ działa w sposób następujący jeżeli Y-ty bit jest równy l, to Y-ty przełącznik zostanie przyłączony do źródła napięcia odniesienia LI], i przez odpowiadający mu rezystor popłynie prąd o wartości:
I_i= (U_R)/(R*2^i-1) . Wzmacniacz operacyjny pracuje w układzie sumującego przetwornika prąd-napięcie. Do węzła A wpływa prąd I będący sumą prądów I₁, I₂,...,I_n:
I=a₁(U_R)/R+a₂(U_R)/2R+...+a_n(U_R)/2^n-1

Poważną wadą układu jest natomiast stosowanie rezystorów różniących się od siebie znacznie wartością rezystancji. Na przykład, dla przetwornika 10-bitowego przy założeniu, że R1 =100ohm, trzeba zastosować rezystor R10=2^10-1*R1=51,2 Kohm. Wada ta czyni podany układ niepraktycznym dla technologii układów scalonych oraz kosztownym i mało dokładnym przy realizacji dyskretnej (zwłaszcza dla długiego słowa a1, a2... an)

Z DRABINKĄ REZYSTOROWĄ R-2R DCA0800

Układ działa w ten sposób, że zmiana położenia dowolnego przełącznika powoduje zmiany prądu wpływającego do węzła sumacyjnego wzmacniacza operacyjnego o wartość odpowiadającą wadze bitu sterującego dany przełącznik. Wzmacniacz operacyjny pracuje jako przetwornik prądnapięcie i zamienia prąd wypływający z drabinki na napięcie wyjściowe Ze względu na łatwość wykonania drabinka R-2R jest często stosowana w układach scalonych.

Rezystancja między A-G wynosi R.

Rezystancja między B-G, C-G, D-G również wynosi R.

Klucz S₃-najbardziej znaczący (MSB), S_O-najmniej znaczący (LSB).

Przy pokazanych ustawieniach 1101 prąd płynący przez Rp wynosi 13i.

Rezystory R i 2R możliwe do wykonania z większą precyzją niż R, 2R, 4R, 8R itd.

Sygnały zakłócające przedostają się do układów el. przez jego gniazdo sieciowe albo przez zaciski lub gniazda sygnałowe wejściowe i wyjściowe. Źródła sygnałów zakłócających mogą sprzęgać się pojemnościowo (elektrostatyczne) z przewodami łączącymi elementy układu , magnetycznie z zamkniętymi pętlami lub elektromagnetycznie. Zakłócenia mogą występować również z powodu złego uziemienia i ekranowania oraz w niektórych przypadkach róznicy temperatur.

Wpływ sprzężenia zwrotnego na szumy i zakłócenia

Za pomocą ujemnego sprzężenia zwrotnego można zredukować pojawiające się na jego wyjściu niepożądane sygnały jak szumy powstają w wyniku niedokładności układu. Szumowe własności układu opisuje współczynnik szumów:

F=A_we*N_wy/(A_wy*N_we)

Obwód złożony ze wzmacniacza korekcyjnego (k') wzmacniającego sygnał wejściowy uzyskujemy wzmocnienie efektywne sygnału wejściowego k^sprz = k^'k ^sprz. /(1­­­­-β^sprz. k^sprz. k^' )

We wzmacniaczu wzmocnienie efektywne wynosi: k_N^sprz.= k ^sprz. /(1­­­­-β^sprz. k^sprz. k^' )

Współczynnik szumów wynosi wtedy: F=1+(N/k^'N_WE)

W przypadku ujemnego sprzężenia zwrotnego, by uzyskać by uzyskać identyczne wzmocnienie układu z korekcją i układu bez korekcji, wzmocnienie wzmacniacza korekcyjnego powinno być k'>1, dzięki czemu uzyska się współczynnik szumów mniejszy niż dl układu bez korekcji: (F=1+N/NWE). Gdy zastosowane będzie dodatnie sprzężenie zwrotne należy użyć tłumika w miejsce wzmacniacza korekcyjnego, (czyli 0 < k' < 1), ale wtedy współczynnik szumów ulegnie zwiększeniu. Powyższe rozważania sugerują, że w złożonych układach elektronicznych powinno się stosować jedną wspólną pętle silnego ujemnego sprzężenia zwrotn

Wzmacniacz fazoczuły

Detekcja fazoczuła jest jedną z metod pomiarowych, która jest stosowana do pomiaru słabych sygnałów w obecności szumów. Technika ta jest wykorzystywana przez wzmacniacz fazoczuły, którego schemat przedstawiony jest na rys.1.5. Wzmacniacz fazoczuły składa się ze wzmacniacza prądu zmiennego AC (alternating current), miksera, filtru dolnoprzepustowego, wzmacniacza prądu stałego DC (direct current) oraz przesuwnika fazy. Sygnał spektroskopowy wchodząc do wzmacniacza fazoczułego trafia na wzmacniacz AC, a następnie do miksera. Podobnie sygnał referencyjny po przejściu przez przesuwnik fazy trafia również do miksera. Mikser jest to urządzenie, które wykonuje operację mnożenia sygnału referencyjnego z sygnałem spektroskopowym. Tuż za mikserem znajduje się filtr dolnoprzepustowy. Filtr ten przepuszcza jedynie składową stałą prądu, dlatego na wyjściu filtru otrzymujemy sygnał prądu stałego Przy takiej detekcji wszystkie szumy o częstościach różnych od częstości modulacji ω są również usuwane przez ten filtr

One Wire

Oryginalnie, skonstruowany przez firmę DALLAS SEMICONDUCTOR, interfejs 1-Wire (One Wire) przeznaczony był do komunikacji na bardzo małe odległości. Został opracowany w celu podłączenia układu peryferyjnego do mikrokontrolera z użyciem tylko jednego wyprowadzenia. Podobnie jak w większości interfejsów szeregowych, również i w 1-Wire transmisja przebiega w konfiguracji master - slave. Zarówno port układu master jak i układu slave, są liniami dwukierunkowymi. Wykonuje cztery podstawowe operacje „write `1'” „write `0'” reset, read. Dane przesyłane są synchronicznie z prędkością od bliskiej 0 do 16,3 kbps w trybie standard oraz do 115 kbps w trybie overdrive. układy wyposażone w interfejs 1-Wire, wyliczają sumę kontrolną na podstawie słowa jednobajtowego - oznacza się ją jako CRC8

Generalnie stosowane rozwiązania można podzielić na trzy podstawowe techniki:

• przesyłanie prądu zasilania gdy napięcie przekracza 3,5V,

• przesyłanie zasilania, gdy linia jest w stanie wysokim z wykorzystaniem pojemności oraz diody blokującej,

• przesyłanie prądu zasilającego, poprzez załączenie małej rezystancji zasilającej w momencie, gdy nie jest aktywna transmisja danych.

Zig Bee - to protokół łączności bezprzewodowej. Standard ten, którego oficjalna nazwa brzmi IEEE 802.15.4, ma zapewnić wymianę danych w paśmie 2,4 GHz między tanimi urządzeniami elektronicznymi. Jego prędkość transmisji wynosi 250 Kbit/s - czterokrotnie mniej niż w specyfikacji Bluetooth. Z kolei maksymalny zasięg to 75 do nawet 300 metrów, czyli około trzykrotnie więcej. Bateria trzyma około roku , stosuje się go do czujników.

Pomiar wilgotności

Wilgotność powietrza, gazów i ciał stałych (litych i sypkich) jest często mierzoną wielkością fizyczną. Wilgotność charakteryzuje jakość materiałów, przebieg procesów technologicznych i biologicznych, środowisko i jego wpływ na starzenie się produktów (np. spożywczych) i materiałów. Wilgotność bezwzględna (absolute humidity) - jest to masa m. pary wodnej przypadająca na jednostkę objętości V:
Wilgotność względna (relative humidity RH) - jest stosunkiem ciśnienia pary wodnej w danej temperaturze do ciśnienia nasyconej pary wodnej w tej temperaturze

gdzie: P_w - ciśnienie pary wodnej nienasyconej P_s - ciśnienie pary nasyconej. Do pomiaru wilgotności gazu są m.in. stosowane czujniki pojemnościowe. Dielektrykiem między okładkami kondensatora jest specjalna masa plastyczna, która adsorbuje parę wodną w stopniu zależnym od wilgotności gazu. Pojawienie się w dielektryku wody o stałej dielektrycznej ε = 80 wpływa na pojemność kondensatora. Czujnik ma kształt płytki z odpowiednio mocowanymi wyprowadzeniami. Do wzorcowania wilgotnościomierzy gazu stosuje się punkty stałe. Są to sole rozpuszczone w wodzie, mające taką właściwość, że w atmosferze ponad roztworem istnieje ściśle określona wilgotność w szerokim zakresie temperatury. SHTxx jest pojedynczym układem scalonym, który wyznacza wilgotność względną i temperaturę w pełni skalibrowanym cyfrowym wyjściu. Urządzenia zawiera pojemnościowy polimer wyczuwający wilgotność względną i czujnik temperatury. STH 71 chraktreryzuje jakość sygnału, szybki czas reakcji oraz nieczułość na zewnętrzne zakłócenia. Każdy czujnik STHxx jest indywidualnie kalibrowany zgodnie z międzynarodowymi standardami. SHTxx może być zasilany napięciem od 2.4 do 5.5V. W ćwiczeniu napięcie to wynosi 5V. Zasilanie (VDD, GND) może być połączone z kondensatorem 100 nF. Szeregowy interfejs SHT71 jest zoptymalizowany pod kątem transmisji danych z czujnika i poboru energii. Transmisja jest kompatybilna z interfejsem I²C. Aby skompensować nie liniowy charakter pomiaru wilgotności oraz utrzymać pełną dokładność mierzonej wilgotności zalecana jest konwersja odczytu za pomocą wzoru: RH_lin=C₁+C₂*SO_RH+C₃*SO_RH² , SO_RH - oznacza wartość odczytaną z przetwornika (12 bit). Dla temperatur znacząco różnych od 25 ° C (~ 77 ° F) współczynnik temperaturowy czujnika wilgotności względnej powinien zostać rozważony: Rh_true=(To_C-25)*(t₁+t₂*SO_RH)+RH_lin W przypadku temperatury uzyskuje się liniowy charakter przetwarzania. Używając wzoru jesteśmy wstanie wyznaczyć temperaturę:

T= d₁+d₂*SO_T

Pomiar temperatury

Temperatura - odzwierciedla średnią energie kinetyczna w badanej materii. Najczęściej używanym czujnikiem jest termopara (niskie koszty, szeroki zakres temperatur). Tworzona jest przez połączenie różnych metali. Złącze takie produkuje małe napięcie, które jest funkcja temperatury

e - ładunek elektronu,

kB - stała Boltzmanna

N1,N2 - koncentracje elektronów swobodnych

A1, A2 - praca wyjścia elektronów z metalu

Porównanie czujników różnych typów:

Typ czujnika	NTC Termistor	RTD	Termopara	Czujnik I.C.
Parametr	R(T)	R(T)	V(T	V(T)I(T)
Zal	Duże zm. R(T)	Liniowy	Sze. zak. T	Liniowy
Wady	Nielin	Małe zm R(T)	Nielin.	Ogr. zakrR

Pomiar naprężeń

Tensometr drutowy (bonded metallic) jest zbudowany z cienkiego drutu (0,01 mm) o dużej rezystywności naklejonego na taśmę materiału izolacyjnego. Z reguły materiałem na drut jest konstanta (mały współczynnik termiczny). Dostępne rezystancje 30-3000Ω

Własności kleju:

• wierne przenoszenie deformacji badanej powierzchni,

• odporność na oddziaływanie środowiska,

• odporność na działanie wysokiej temperatury.

Podstawowy parametr tensometrów- czułość GF (dla drutowych około 2)

Małe zmiany rezystancji wymagają metod mostkowych. Ilość elementów aktywnych w mostku zwiększa czułość układu (2 aktywne x2 4 aktywne x4) Do wzmocnienia sygnału, kalibracji i kompensacji termicznych wpływów stosuje się układ ze wzmacniaczem

---