Tussen sensor en (computer)syteem

Presentatie over: "Tussen sensor en (computer)syteem"— Transcript van de presentatie:

1 Tussen sensor en (computer)syteem
Van Analoog  Digitaal Van Digitaal  Analoog Sensorelektronica

2 Analog  Digital Conversion
Properties: Resolution & precision number of bits Conversion time max. sample frequency Price

3 Precision Aantal bits Aantal ‘stappen’ Nauwkeurigheid 8 10 12 14 16384
0.006% 16 65536 0.0015%

4 Precision Meneer, mijn computer is 16 bits en mijn
Aantal bits Aantal ‘stappen’ Nauwkeurigheid 8 256 0.4 % 10 1024 0.1 % 12 4096 0.025 % 14 16383 0.006 % 16 65536 % Meneer, mijn computer is 16 bits en mijn ADC maar 12 bits. Hoe nu verder?

5 Laagst mogelijke sample frequentie: 2 samples per periode
Sample frequency Aliasing Laagst mogelijke sample frequentie: 2 samples per periode

6 Analoog  Digitaal Conversion
Principes Successive Approximation Flash ADC Sigma-Delta ADC

7 Sample & Hold Amplifier

8

9 Successive Approximation

10 Flash ADC Hoeveel comparatoren zijn er nodig voor een 10-bits ADC? 5
3,5 2,5 1,5 0,5 2 1 + - Hoeveel comparatoren zijn er nodig voor een 10-bits ADC?

11 Sigma-Delta ADC

12 Sigma-Delta modulator

13

14 SigmA Delta Converter type HI7190
Sample frequency: 10MHz, , 24 - Bit, High Precision, 22 - Bits Resolution

15 Resolution and Bandwith

16 Digitaal  Analoog (DAC)
DAC met R – 2R weerstanden Pulsbreedte modulatie (PWM)

17 Wet van Ohm V = I * R I = V / R

18 Operational Amplifier

19 Optelschakeling OpAmp
IR = ? IR = ? 1 k 1 k 1 V 2 k 0 Volt IR = ? Bereken Vo

20 Optelschakeling OpAmp
1 mA 1 V 1.5 mA 2 k 0 Volt 0.5 mA -1.5 V

21 DAC 1 Ropamp = 1 k I8k = I1k = Itotaal = Bereken V0 =
LSB = onderste of bovenste weerstand? DAC 4 V 1 IR = ? 0 V (virtueel) IR = ?

22 Waarom is deze methode niet nauwkeurig?
DAC Ropamp = 1 k I8k = 0,5 mA I1k = 4 mA Itotaal = 4,5 mA V0 = -4,5 V LSB = bovenste weerstand 4 V 1 IR = ? 0 V (virtueel) IR = ? Waarom is deze methode niet nauwkeurig?

23 DAC met R-2R netwerk

24 Pulse Width Modulation
Digital Analog Converter Toepassing: servo-motorregeling Modulation frequency Duty Cycle = verhouding hoog/laag

25 Pulse Width Modulation
Digital Analog Converter Toepassing: servomotorregeling Volt Volt Volt Modulation frequency > 600 Hz (hangt van de traagheid van de motoras) Duty Cycle = verhouding hoog/laag

26 Sensors & Data Acquisition Systems
Amplifiers & Analog Filters Sample & Hold ADC

27 Transducers Sensors Small Signals Signal Conditioning Wiring/Grounding
Phenomena  ADC Transducers Sensors Small Signals Signal Conditioning Wiring/Grounding

28 Voorbeeld van een sensor: rekstrookje
R = weerstand = soortelijke weerstand L = lengte A = doorsende

29 Strain Gauge

30 Applications Force sensors Spiro meters Truck weigh stations
Position sensors

31 Force to Voltage: Weatstone Bridge Circuit
R1= R2= RG1= RG2 = 1000 ; RG MAX= 10 ; VEX = 5 V

32 Strain Gauge (Rekstrookje)
Dummy Gauge:Temperature compensation

33 Intermezzo on Cascaded Resistors
Vin Vout R1 R2

34 Intermezzo on Cascaded Resistors
Vin Vout R1 R2

35 Force to Voltage: Weatstone Bridge Circuit
In rust: R1= R2= RG1= RG2 = 1000 ; RG MAX= 10 ; VEX = 5 V

36 Assignment: Calculate the differential input voltage for the ADC
In rust: R1= R2= RG1= RG2 = 1000 ; RG MAX= 10 ; VEX =Vin= 5 V

37 Assignment: Calculate the differential input voltage for the ADC
In rust: R1= R2= RG1= RG2 = 1000 ; RG MAX= 10 ; VEX =Vin= 5 V

38 Sensor, Amplifier & ADC Amplifier Weatstone bridge + A ADC - mV/bit?

39 Assignment: Specify the gain of the amplifier
Input range of the ADC = 5 V The ADC = 12 bit

40 The ideal Amplifier 1. Gain--infinite 2. Input impedance--infinite
3. Output impedance—zero 4. Bandwidth--infinite

41 Assignment: Design the amplifier
Voor Weatstone bridge: versterker met differentiële ingangen nodig. Dus geen van beide signaalingangen mag met de aarde worden verbonden

42 ADC Sensor Vsensor VADC
Algemene beschrijving van een systeem bestaande uit en sensor, aangesloten op een ADC ADC Sensor Rsensor Vsensor VADC RADC

43 Measurement errors - t.g.v. mismatch sensor-output-ADC-input- resistance t.g.v. aardlussen t.g.v. te lage “CMRR”

44 Sensor output resistance
Strain Gauge Vs = 50 mV; Rs = 1000  Thermocouple Rs < 20  pH Electrode Rs = 100 M

45 Rsensor RADC Error (%) 10 k 1 M 1 1 k 100 k 2 100  3 50 k 4
Assignment: Determine the measurement error as a result of the mismatch sensor-resistance and the ADC input-resistance Rsensor RADC Error (%) 10 k 1 M 1 1 k 100 k 2 100  3 50 k Sevo motor potmeter ADC PIC’s 16F876 4

46 Rsensor RADC Error (%) 10 k 1 M 1 1% 1 k 100 k 2 100  3 1‰ 50 k
Assignment: Determine the measurement error as a result of the mismatch sensor-resistance and the ADC input-resistance Rsensor RADC Error (%) 10 k 1 M 1 1% 1 k 100 k 2 100  3 1‰ 50 k Sevo motor potmeter ADC PIC’s 16F876 4 500%

47 Measurement error t.g.v. mismatch sensor-output-ADC input- resistance
Stel: 10 bits ADC - Wat is de resolutie? Bij welke van de 4 sensoren is de fout > 1 bit? Zijn de berekende errors absoluut of relatief? Hoe kunnen deze fouten opgelost worden? Hardwarematig ….? Softwarematig …..?

48 Measurement error t.g.v. mismatch sensor-output-ADC input- resistance
Stel: 10 bits ADC - Wat is de resolutie? 1 : 1024 De berekende errors zijn relatief? Hoe kunnen deze fouten opgelost worden? Softwarematig Ja!

49 Bij welke van de 4 sensoren is de fout > 1 bit?
Rsensor RADC Error (%) 10 k 1 M 1 1% = 3 bits 1 k 100 k 2 100  3 1‰ = 1 bit 50 k Sevo motor potmeter ADC PIC’s 16F876 4 500%

50 Measurement errors - t.g.v. mismatch sensor-output-ADC input- resistance t.g.v. aardlussen t.g.v. te lage “CMRR”

51 Ground-Referenced Floating Signal Source

52 Grounded Measurement System

53 Floating / Differential Input Measurement System

54 Grounded Signal source Grounded Measurement System  aardlus

55 Grounded Signal Source Floating Measurement System

56 Floating Source/ Floating Measurement System
R1 = R2 (10k < R < 100k)

57 Instrumentation Amp.

58 Common mode & Differential mode
5 V A = 200 2.525 V 2.475 V 5.0 V Common mode = 2.5 V Differential mode = 50 mV

59 Common Mode Rejection Ratio (CMRR)Beter 20 log
ingangsbereik ADC = 0 – 5 Volt; Versterkingsfactor 200; 12 bits ADC Eis: fout mag max. 1 bit zijn. 12 bits ADC  1 : 4096; 1 LSB = 5000 mV/4096 =  1,25 mV. Bij ingang versterker is dit 1,25/200 = 6,25 V CMRR (dB) = 20 log (Differential mode/ Common Mode) = 20 log ( 6,25 V / 10V)  100 dB. (factor 10000) 20 dB = factor 10

60 Toepassing Unshielded Twisted Pair EMS

61 No comment