Wzmacniacze operacyjne

Parametry wejściowe:

Input Offset Voltage (Voi) - napięcie, które musi być podane do jednego z wejść aby uzyskać zerowe napięcie wyjściowe. Dla idealnego wzmacniacza wejściowe przesunięcie napięcia wynosi zero.

Input Biass Current (Ib) - wejściowy prąd polaryzujący, w przypadku wzmacniaczy operacyjnych jest to zwykle bardzo mały prąd rzędu nA. W przypadku idealnym prąd Ib jest równy na dwóch wejściach.

Input Offset Current (Ios) - wejściowy prąd niezrównoważenia. Jest to różnica pomiędzy prądami polaryzującymi płynącymi na dwóch wejściach, gdy napięcie wyjściowe wynosi zero.

Input Voltage Range (Vcm) - przedział napięć wejściowych mierzony względem masy.

Input Resistance (Zi) - rezystancja wejściowa wzmacniacza.

Parametry wyjściowe:

Output Resistance (Zoi) - rezystancja wyjściowa.

Output Short-Circuit Current (Iosc) - maksymalny prąd uzyskiwany z wyjścia.

Output Voltage Swing (Vomax) - maksymalna wartość napięcia wyjściowego bez nasycenia lub obcinania.

Parametry dynamiczne:

Open-Loop Vaoltage Gain (Aol) - współczynnik wzmocnienia z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego.

Large Signal Voltage Gain(Av) - wzmocnienie napięciowe dla dużych sygnałów wejściowych.

Slew Rate (SR) - szybkość reakcji czy tez stromość zbocza, parametr szczególnie istotny dla elementów pracujących w „szybkich” układach.

Zastosowanie:

Prostownik liniowy.

Ogranicznik napięcia.

Komparator.

Generator przebiegu prostokątnego.

Filtry aktywne RC.

Rodzaje:

Wzmacniacz odwracający

Nie pobiera prądu, więc I płynący przez obydwa rezystory jest identyczny. Potencjały obu wejść są jednakowe (bo U+ = U-), skąd wynika, że oba wejścia wzmacniacza operacyjnego są na potencjale masy. Dlatego napięcie rezystorowe R1 jest równe -UWE, a na rezystorze R2 jest równe UWY.

Wzmacniacz nieodwracający

Wzmacniacz sumujący

Wzmacniacz odejmujący

(wzór uproszczony dla R1=R3 oraz R2=R4)

Wzmacniacz potencjometryczny

Wzmacniacz różniczkujący

Wzmacniacz całkujący

Wzmacniacz instrumentalny

Mikrokontrolery:

Zintegrowany układ scalony w wiele użytecznych komponentów, zdolny do zapamiętania instrukcji, które odzwierciedlają zadania użytkownika.

Zadania:

Przetwarzanie do postaci cyfrowej za pomocą ADC.

Zapewnienie interfejsu komunikacyjnego z czujnikiem inteligentnym.

Kompensacja nieliniowości przetwarzania czujnika.

Proste analizowanie i obróbka danych pomiarowych.

Wykonywanie procedur awaryjnych poprzez przerwania.

Sterowanie pomiarem.

Magazynowanie danych.

Przetworniki ADC (drabinka R-2R)

Rezystancja pomiędzy A-G wynosi R. Rezystancja pomiędzy B-G, C-G, D-G również wynosi R. Klucz S3 - najbardziej znaczący (MSB), S0 - najmniej znaczący (LSB). Przy pokazanych ustawieniach 1101 prąd płynący przez RF wynosi 13i.

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

Przetworniki ADC typu „Flash”

Komparator jako 1-bitowy ADC

2-bitowy

N-bitowy „flash ADC” zawiera 2^N rezystorów i 2^N-1 komparatorów

Zależności czasowe przetwornika ADC typy „Flash”

Przetwornik ADC z pojedynczym całkowaniem:

N - liczba zliczeń w liczniku CTR w czasie ładowania kondensatora.

fwzr - częstotliwość sygnału taktującego licznik CTR

Pomiar zależy od wartości elementów RC.

Przetwornik ADC z podwójnym całkowaniem:

Napięcie mierzone VIN przez czas T podłączone jest do wejścia przetwornika. Po naładowaniu napięcie na kondensatorze wynosi:

Napięcie na kondensatorze jest proporcjonalne do średniej wartości VIN w czasie T. Po czasie T podane zostaje napięcie -VREF i kondensator naładowuje się z nachyleniem VREF/RC.

Dokładność konwersji nie zależy od wartości RC i częstotliwości sygnału generatora!!

Właściwy wybór czasu T pozwala wyeliminować wpływ szumów pochodzących np. od częstotliwości 50 Hz.

Przetwornik ADC typu SAR:

Nowoczesny 1 MSPS SAR z 8-kanałowym multiplekserem AD7908 (8-bit) AD7918 (10-bit) AD7928 (12-bit).

Wpływ nieliniowości:

Przetwornik ADC sigma-delta:

Jeśli potrzebujemy przetwornik sigma-delta drugiego rzędu, wystarczy dodać jeszcze jeden integrator włączony szeregowo względem poprzedniego, oraz ponownie zsumować.

Połączenie mostka z ADC:

RS-232:

Przesyłanie danych point-to-point, asynchroniczne, w trybie duplex.

W minimalnej konfiguracji wystarcza przewody: TD, RD, Ground.

RTS - zezwolenie na nadawanie.

CTS - zakaz nadawania.

Wyprowadzenia urządzenia DTE (komputer)

Wyprowadzenia urządzenia DTE (modem)

Połączenie urządzenia DTE z DCE

Poziomy napięć w standardzie RS-232

Zwiększenie wartości napięć i zastosowanie napięć o zmiennej polaryzacji pozwala zwiększyć odporność sygnału na zakłócenia (zwiększyć maksymalną odległość transmisji).

Parametry transmisji danych

9600-8-N-1

prędkość transmisji: 300, 600, 1200, 2400, 4800, 96001 19200,...,115200 bit/s

długość pola danych: 5,7,8

kontrola poprawności transmisji: E-even, O-odd, N-no parity.

Kontrola przepływu informacji

sprzętowa - sygnały RTS/CTS - urządzenie, które nie może chwilowo odebrać danych dezaktywuje sygnał CTS

programowa - protokół XON/XOFF - urządzenie, które nie może odebrać danych wysyła specjalny znak sterujący.

One-Wire (Dallas Semiconductor)

Komunikacja możliwa pomiędzy jednym układem „Master” i wieloma elementami „Slave”

Komunikacja odbywa się przy wykorzystaniu jednego przewodu i przewodu masy. Każdemu urządzeniu slave nadano unikalny numer na etapie produkcji. Możliwe jest zasilanie urządzenia slave poprzez ten sam przewód. Maksymalna odległość pomiędzy masterem a slavem to 300m. Po magistrali mogą być przesyłane rozkazy, dane. Układy posiadają wewnętrzny zegar synchronizowany zboczem opadającym generowanym przez mastera.

Cztery podstawowe operacje 1-wire

time slot - (szczelina czasowa) czas, który zajmuje 1 bit w komunikacji.

Cztery podstawowe operacje graficzne

I²C (uogólniony Two-Wire)

I2C pierwotnie zaprojektowane przez Phillipsa jako interfejs do wymiany danych między układami scalonymi z użyciem małej liczby wyprowadzeń.

Brak ograniczeń na połączenia i złącza (z reguły ścieżki na PCB).

Proste procedury do rozpoczęcia i zakończenia transmisji.

Każde urządzenie na szynie identyfikowane przez swój unikalny adres.

Urządzenie „Master” dostarcza sygnału zegarowego niezależnie od kierunku transmisji.

Transmisja dwukierunkowa, synchroniczna, halfdupleks.

Podłączenie urządzeń do magistrali

Adres ustawiany sprzętowo

Typy adresowania (10-bitowy tylko w I2C)

Żaden adres układu adresowanego 7-bitowo nie zaczyna się 111XXXX więc żaden nie zareaguje na taką kombinację.

Zapis i odczyt do/z układu „slave”

ZigBee (IEEE 802.15.4) - standard bezprzewodowy

Częstotliwość fali nośnej ZigBee oraz częstość transmisji

Warstwy protokołu ZigBee

Zastosowania ZigBee

Modulacja z rozpraszaniem widma - kluczowanie bezpośrednie

Źródła, modelowanie szumów w układach elektronicznych

szumy termiczne, cieplne: pojawiają ię w każdym medium, w którym następuje wydzielanie się energii. Wartość skuteczna napięcia szumów termicznych

szumy wybuchowe, Schottky'ego: spowodowane losowa liczbą ładunku przechodzącą przez bariery potencjału. Wartość skuteczna prądu
Idc - średni prąd przepływający przez barierę, q - ładunek elementarny.

Szumy niskiej częstotliwości

Stosunek SNR w przetworniku ADC

Dodanie szumu może poprawić DNL.

Detektor fazoczuły

Metoda pomiaru słabych sygnałów w obecności szumu

• modulowanie wzbudzenia lub parametrów pomiarowych

• obserwowany sygnał będzie zawierał składową zmodulowaną o tej samej częstotliwości

ωmod i fazę qsig

Wyrażenie zawiera składowa stałą, która niesie informacje o różnicy faz. Szumy o wszystkich częstotliwościach różnych od ωmod zostaną odcięte przez filtr dolnoprzepustowy.

---