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

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

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

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 0.0015 % Meneer, mijn computer is 16 bits en mijn ADC maar 12 bits. Hoe nu verder?

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

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

Sample & Hold Amplifier

Successive Approximation

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?

Sigma-Delta ADC

Sigma-Delta modulator

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

Resolution and Bandwith

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

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

Operational Amplifier

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

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

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

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?

DAC met R-2R netwerk

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

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

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

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

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

Strain Gauge

Applications Force sensors Spiro meters Truck weigh stations Position sensors

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

Strain Gauge (Rekstrookje) Dummy Gauge:Temperature compensation

Intermezzo on Cascaded Resistors Vin Vout R1 R2

Intermezzo on Cascaded Resistors Vin Vout R1 R2

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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%

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 …..?

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!

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%

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

Ground-Referenced Floating Signal Source

Grounded Measurement System

Floating / Differential Input Measurement System

Grounded Signal source Grounded Measurement System  aardlus

Grounded Signal Source Floating Measurement System

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

Instrumentation Amp.

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

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

Toepassing Unshielded Twisted Pair EMS

No comment