II Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna EKOLOGIA W ELEKTRONICE Przemysłowy Instytut Elektroniki Warszawa, 5-6.12.2002 PROEKOLOGICZNE METODY KONDYCJONOWANIA SYGNAŁÓW POMIAROCH Paweł STUDZIŃSKI Przemysłowy Instytut Elektroniki, 00-241 Warszawa, ul. Długa 44/50, tel. (22) 8315221 Przetworniki analogowo-cyfrowe z reguły współpracują ze źródłami sygnałów za pośrednictwem obwodów kondycjonowania. Przedstawiono przykłady torów pomiarowych z przetwornikami sigma-delta. Zastosowanie przetworników sigmadelta w torach pomiarowych umożliwia redukcję podzespołów elektronicznych dzięki czemu tory pomiarowe są bardziej przyjazne dla otoczenia. 1. WPROWADZENIE Typowy przyrząd lub system pomiarowy do pomiaru wielkości elektrycznych składa się z układu kondycjonowania, przetwornika analogowo-cyfrowego i sterownika. W przypadku pomiaru wielkości nieelektrycznych do wejścia przyrządu dołączony jest czujnik pomiarowy np. termopara lub termorezystor przy pomiarach temperatury. Zadaniem układu kondycjonowania jest dopasowanie parametrów mierzonego sygnału do sygnału wejściowego przetwornika analogowo-cyfrowego. Podstawowym członem układu kondycjonowania jest wzmacniacz prądu stałego, który niejednokrotnie jest układem programowalnym. Nowa rodzina analogowo-cyfrowych przetworników sigma-delta charakteryzuje się bardzo dobrymi parametrami metrologicznymi, w porównaniu do dotychczas stosowanych przetworników [7-10]. Do istotnych zalet tych układów należy zaliczyć możliwość programowania podstawowych parametrów przetworników takich jak częstotliwość powtarzania pomiarów oraz zakres mierzonych sygnałów. Częstotliwość powtarzania pomiarów może być wybierana od kilku Hz do kilku khz, a granice dopuszczalnych zakresów pomiarowych mogą się zmieniać ponad stukrotnie. Ponadto przetworniki te, w porównaniu do przetworników całkujących, charakteryzują się znacznie lepszymi właściwościami tłumienia zakłóceń. Impedancja wejściowa przetworników sigma-delta ma charakter pojemnościowy, a niewielki prąd wejściowy wynika z charakteru pracy mo- 106
dulatora. W wielu rozwiązaniach wejście przetworników jest poprzedzone wzmacniaczem buforującym. Wymienione zalety przetworników sigma-delta umożliwiają budowę torów pomiarowych o znacznej dokładności, które charakteryzują się uproszczoną strukturą układów kondycjonowania. W części pierwszej referatu omówiono wybrane właściwości przetworników sigma-delta. W części drugiej opisano charakterystyczne przykłady torów pomiarowych zbudowanych przy wykorzystaniu przetworników sigmadelta. Dokonano również porównania tych torów pomiarowych z klasycznymi rozwiązaniami bazującymi na wykorzystaniu typowych przetworników a/c. Przedstawiono wnioski dotyczące proekologicznego projektowania obwodów kondycjonowania przyrządów lub systemów pomiarowych. 2. BRANE WŁASNOŚCI PRZETWORNIKÓW SIGMA- DELTA W odróżnieniu od przetworników całkujących, w przetwornikach z nadpróbkowaniem wysoką dokładność przetwarzania uzyskuje się nie za pomocą precyzyjnych elementów analogowych lecz głównie dzięki zastosowaniu filtracji i ciągłej kalibracji sygnałów cyfrowych, a więc procesów dogodnych do realizacji w technice półprzewodnikowej [1-3]. Rozdzielczość przetwornika sigma-delta jest zależna od częstotliwości powtarzania pomiarów i od wzmocnienia wzmacniacza programowalnego z układu tego przetwornika. Wszystkie dostępne przetworniki są wyposażone w układy modulatorów, których działanie umożliwia również uzyskiwanie efektu wzmacniania mierzonych sygnałów. Dlatego na schemacie zastępczym takich przetworników przedstawiane są wzmacniacze wejściowe, których wyjście jest połączone z wejściem właściwego układu przetwornika. Współczynniki wzmocnienia takich wzmacniaczy mogą być z reguły wybierane w granicach od 1do 128V/V, przy czym dopuszczalne wartości wzmocnienia są zawarte w układzie dwójkowym. Wzmacniacze te charakteryzują się rezystancją wejściową rzędu 1GΩ przy pojemności wejściowej rzędu 10 pf. Wartość prądu wejściowego jest rzędu 10pA. Wejścia sygnałowe i referencyjne przetwornika są wejściami różnicowymi, przy czym dopuszczalne granice zmian sygnałów są określone wartościami napięć zasilania przetwornika. Dzięki temu przetworniki sigma-delta umożliwiają pomiary stosunku dwóch napięć. Częstotliwość bieguna filtru Tablica 1. Wartości skuteczne szumów przetworników HI 7190 Szerokość Wartość skuteczna szumów odniesiona do wejścia [µv] pasma G=1 G=2 G=4 G=8 G=16 G=32 G=64 G=128-3dB 10 Hz 2,62 Hz 0,435 0,246 0,134 0,126 0,066 0,134 0,070 0,060 25 Hz 6,55 Hz 0,604 0,336 0,226 0,246 0,237 0,212 0,220 0,209 50 Hz 13,1 Hz 0,903 0,447 0,341 0,529 0,258 0,442 0,224 0,364 100 Hz 26,2 Hz 2,50 1,05 0,628 0,786 0,406 0,672 0,414 0,496 500 Hz 131Hz 19,4 7,61 14,7 2,54 1,40 2,22 3,40 4,79 1 khz 262Hz 96,7 32,6 18,4 11,0 5,16 10,2 4,97 5,63 2 khz 524Hz 579 198 109 62,8 33,8 108 55,2 24,5 107
Szumy kompletnego układu przetwornika sigma-delta są zależne od częstotliwości powtarzania pomiarów i od współczynnika wzmocnienia wzmacniacza [7-10]. Dla przykładu w tablicy 1 przedstawiono szumy przetwornika HI 7191 firmy Harris. W tablicy tej, obok wartości szumów podano także szerokość pasma przenoszenia f p dla poszczególnych częstotliwości powtarzania pomiarów. Właściwości dynamiczne przetwornika sigma-delta są zależne od jego transmitancji. Transmitancja przetwornika zależy od parametrów filtru cyfrowego. Zazwyczaj w przetwornikach sigma-delta są stosowane filtry cyfrowe o charakterystyce wyrażonej funkcją sinc n [7-10]. W praktyce producenci przetworników sigma-delta ograniczają się do podania wykresu charakterystyki tłumienia filtru cyfrowego -rys.1. W przypadku przetworników sigma-delta charakterystyka tłumienia przetwornika jest równa charakterystyce jego filtru cyfrowego. Współczynnik tłumienia zakłóceń szeregowych przetworników sigma-delta jest co najmniej 30-40 db większy od wartości tego parametru dla przetworników całkujących. W tablicy 2 zamieszczono wybrane parametry przetworników sigma-delta o dużej i średniej rozdzielczości. 0-20 f N + - f p Tłumienie (db) -40-60 -80-100 -120 fp f 2f 3f 4f N N N N Częstotliwość (Hz) Rys. 1 Charakterystyka tłumienia filtru cyfrowego przetwornika HI 7190. Tablica 2. Wybrane parametry przetworników analogowo-cyfrowych typu sigma-delta Producent Analog Devices Burr- Brown Harris Typ AD7710 AD7703 AD7701 AD 7715 ADS1210 ADS1211 HI7190 HI7191 Częstotliwość powtarzania pomiarów Skuteczna rozdzielczość 108 Błąd nieliniowości Wzmocnienie wzmacniacza (Hz) (bity) (ppm) (V/V) 10-1000 0,1-10 0,1-10 10-500 2,4 16000 2,4-16000 10-2000 10-2000 22,5 20 16 16 23 23 23,5 20 15 3 15 15 30 30 15 7 1-128 1 1 1-128 1 16 1-16 1-128 1-128 Maxim MAX 1400 50-4800 18 15 1-128 Przedstawiona w tablicy skuteczna rozdzielczość przetworników jest określona przy niskich częstotliwościach powtarzania pomiarów i przy wzmocnieniu wzmacniacza równym jedności.
3. WSPÓŁPRACA PRZETWORNIKÓW SIGMA - DELTA Z OBWODAMI WEJŚCIOMI TORÓW POMIAROCH Istotne zalety przetworników sigma-delta stwarzają nowe możliwości współpracy tych przetworników z obwodami wejściowymi torów pomiarowych. Jednym z podstawowych aspektów współpracy jest możliwość wykorzystania wzmacniacza przetwornika sigma-delta w charakterze wzmacniacza wejściowego toru pomiarowego [5, 6 ]. Poniżej przedstawiono charakterystyczne przykłady współpracy przetworników sigmadelta z obwodami wejściowymi torów pomiarowych. Omówiono przykłady torów pomiarowych wykorzystujące mostki pomiarowe. Omówiono także tory pomiarowe przeznaczone do pomiaru temperatury. 3.1. Tory pomiarowe współpracujące z mostkami pomiarowymi Współczesne półprzewodnikowe przetworniki pomiarowe z reguły pracują w układzie mostkowym. Rezystancje gałęzi mostka nie przekraczają wartości 1kΩ. W wielu zastosowaniach, zwłaszcza w przemyśle, struktura układu pomiarowego jest rozproszona i wówczas rezystancje doprowadzeń pomiędzy przetwornikiem, a resztą układu mogą być rzędu 10Ω. Przy zasilaniu napięciowym mostka rezystancja przewodów doprowadzających zasilanie może istotnie ograniczyć dokładność pomiaru przetwornika. Aby ograniczyć wpływ rezystancji doprowadzeń r L na dokładność pomiaru są stosowane mostki pracujące w układzie Kelvina rys. 2. W mostkach tych napięcie zasilania jest doprowadzone za pomocą dwóch wzmacniaczy prądu stałego A1 i A2, które pracują w układzie bufora. Przy tym gałąź sprzężenia zwrotnego każdego ze wzmacniaczy dołączona jest wprost do obciążenia. Dzięki temu napięcie zasilania mostka nie zależy od rezystancji przewodów doprowadzeń. r L A1 + - V B r L R1 R2 A IN1+ R4 R3 r L A IN1- a/c r L A2 - + p3 Rys. 2. Mostek pomiarowy w układzie Kelvina Jak już wspomniano przetworniki sigma delta umożliwiają pomiary stosunku dwóch napięć. Wykorzystując napięcie zasilające na zaciskach mostka jako napięcie referencyjne przetwornika sigma-delta można pominąć wpływ zmian tego napięcia na dokładność pomiaru toru pomiarowego. Na rys. 3a przedstawiono przykład takiego układu, 109
który wykorzystuje przetwornik sigma-delta typu AD7730 [11]. Na uwagę zasługuje fakt wykorzystania napięcia zasilania przetwornika sigma-delta do zasilania mostka. Jest to istotną zaletą omawianego przetwornika. Należy podkreślić, że omawiany tor pomiarowy zawiera tylko dwa istotne elementy: mostek pomiarowy i przetwornik a/c. (a) +5V R1 R2 R4 R3 r L r L AV DD DV DD +V REF -V REF AD7730 A IN1+ AIN1- AGND (b) +5V T1 R1 R4 T2 R2 R3 +V REF -V REF A IN1+ A IN1- DV DD AD7730 T3 T4 ACX G ACX AGND DGND p4 Rys. 3. Mostki pomiarowe współpracujące z przetwornikiem sigma-delta typu AD7730: a) mostek zasilany napięciem stałym, b)mostek zasilany napięciem zmiennym Układy mostków pomiarowych przedstawione na rys. 2 i rys. 3a są zasilane ze stałego napięcia. Aby ograniczyć wpływ szkodliwych sił termoelektrycznych oraz napięcia ofsetu na dokładność pomiaru mostki pomiarowe są zasilane napięciem w kształcie fali prostokątnej, której składowa stała jest równa zeru. Na rys. 3b przedstawiono przykład takiego toru pomiarowego, zbudowanego przy wykorzystaniu przetwornika AD7730 110
[11]. Napięcie zmienne do zasilania mostka jest uzyskiwane za pomocą kluczy T1, T2, T3 i T4, które są sterowane z generatora G. Generator ten jest synchronizowany zegarem przetwornika, co umożliwia ograniczenie błędów pomiaru związanych z kształtem mierzonego sygnału. 3.2. Tory pomiarowe do pomiaru temperatury Przetworniki sigma-delta są szczególnie przydatne do pomiarów temperatury, które są wykonywane za pomocą termopar lub termorezystorów. Przetworniki te charakteryzują się dużą czułością pomiaru, dzięki czemu mogą one w większości przypadków współpracować z termoparami lub termorezystorami bez pośrednictwa wzmacniaczy wejściowych. Przy pomiarach temperatury za pomocą termopary istotną sprawą, oprócz zakresu pomiarowego, jest problem kompensacji zimnych końców termopary. W praktyce zimne końce termopary znajdują się w temperaturze różnej od zera stopni i wówczas sygnał wyjściowy z termopary jest miarą różnicy temperatury mierzonej i temperatury zimnych końców. Aby określić sygnał mierzony należy skorygować sygnał z termopary o wartość zależną od temperatury zimnych końców i od typu stosowanej termopary. W przypadku stosowania przetworników sigma-delta możliwe jest uproszczenie toru do pomiaru temperatury. Przetworniki te z reguły posiadają dwa wejścia, do których można dołączyć sygnał z termopary oraz sygnał z dodatkowego przetwornika temperatury, który jest proporcjonalny do temperatury zimnych końców termopary. Następnie wystarczy w sterowniku systemu dokonać cyfrowej obróbki wyników. Taki sposób pomiaru temperatury umożliwia łatwe przystosowanie toru pomiarowego do współpracy z różnymi termoparami. Na rys. 4 przedstawiono przykład wykorzystania przetworników serii AD77XX firmy Analog Devices do pomiarów temperatury za pomocą termopary T. Przetwornik TMP35 służy do pomiaru temperatury zimnych końców termopary. +5V TM035 A IN1+ T A IN1- A IN2+ A IN2- a/c p2 Rys. 4. Pomiar temperatury za pomocą termopary i przetwornika sigma-delta serii AD77XX Przy pomiarach temperatury za pomocą termorezystorów przetwornik pomiarowy jest z reguły zasilany ze źródła prądowego I rys. 5a. Dzięki temu możliwe jest pominięcie wpływu rezystancji doprowadzeń r L na dokładność pomiaru. Źródło prądowe I powinno się charakteryzować dobrymi parametrami. Na rys. 5b. przedstawiono tor pomiarowy do pomiaru temperatury, który współpracuje z przetwornikiem analogowo-cyfrowym sigma-delta. W układzie tym napięcie wejściowe przetwornika U T i napięcie odniesienia U F są proporcjonalne do wydajności źródła prądowego I. Dzięki temu dokład- 111
ność pomiaru nie zależy od parametrów źródła prądowego. Istotne wymagania dotyczą jedynie rezystora R F. (a) r L AIN1+ (b) +V REF I Pt 100 a/c I RF UF -VREF a/c r L Pt 100 Ut AIN1- AIN1+ AIN1- p1 Rys. 5. Pomiary temperatury za pomocą termorezystora: a) układ klasyczny, b) układ z przetwornikiem sigma-delta 4. PODSUMOWANIE Parametry metrologiczne przyrządu lub systemu pomiarowego zależą głównie od parametrów przetwornika analogowo-cyfrowego i od układu kondycjonowania. Na szczególną uwagę ze strony projektanta przyrządów pomiarowych zasługują nowoczesne przetworniki analogowo-cyfrowe typu sigma-delta. Przetworniki te charakteryzują się znacznie lepszymi parametrami w porównaniu do innych przetworników. Ponadto przetworniki te mają rozbudowane układy wejściowe, których parametry można programować. W pierwszej części referatu przeanalizowano podstawowe parametry przetworników. W dalszej części przedstawiono charakterystyczne przykłady współpracy przetworników sigma-delta z obwodami wejściowymi torów pomiarowych. Jednym z podstawowych aspektów współpracy jest możliwość wykorzystania wzmacniacza przetwornika sigma-delta w charakterze wzmacniacza wejściowego toru pomiarowego. Należy podkreślić, że jest to wzmacniacz o programowalnym wzmocnieniu. Omówiono także przykłady torów pomiarowych wykorzystujące mostki pomiarowe oraz tory pomiarowe do pomiaru temperatury. Dokonano również porównania tych torów pomiarowych z klasycznymi rozwiązaniami bazującymi na wykorzystaniu typowych przetworników analogowo-cyfrowych. Wymienione przykłady pokazują, że zastosowanie przetworników sigma-delta do budowy przyrządów lub systemów pomiarowych umożliwia uproszczenie w wielu przypadkach struktury układów kondycjonowania. Dzięki temu można zmniejszyć materiałochłonność przyrządów oraz ograniczyć zapotrzebowanie na energię elektryczną, zachowując odpowiednio wysoką dokładność pomiaru. LITERATURA 1. Candy J.C, Temes G.C.: Oversampling Delta-Sigma Data Converters. IEEE Press, New York 1992 2. Jackiewicz B.: Właściwości metrologiczne nadpróbkujących przetworników analogowocyfrowych z modulatorami sigma-delta przy pomiarach przebiegów stacjonarnych. Metrologia i systemy pomiarowe zeszyt 1, 1997 112
3. Jackiewicz B.: Rozdzielczość i liniowość pomiarowych przetworników analogowocyfrowych z nadpróbkowaniem. Materiały na III Konferencję Naukowo-Techniczną pn. MECHATRONIKA 97. Zeszyt 14, tom II. Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, 1997 4. Studziński P.: Współpraca analogowo-cyfrowych przetworników sigma-delta ze źródłami małych sygnałów napięciowych. Pomiary, Automatyka, Kontrola 1999, nr2 5. Studziński P.: Wpływ niskoczęstotliwościowych szumów wzmacniaczy wejściowych na stabilność i efektywną rozdzielczość nadpróbkujących przetworników analogowocyfrowych. Konferencja Grantowa Metrologia na usługach przemysłu. MUP 1999 6. Studziński P.: Wybrane aspekty pracy przetworników analogowo-cyfrowych sigma-delta w torach pomiarowych. III Konferencja Naukowa SP 2000, Zielona Góra 2000 7. Analog Devices: Data Converters Reference Manual 1994 8. Burr Brown: A/D Converters Mixed Signal Products 1996/1997 9. A/D converters HI 7190, HI 7191, Harris Semiconductors, USA, 1997 10. A/D converters MAX 1400, Maxim Semiconductors, USA, 1999 11. Practical design techniques for sensor signal conditioning. Materiały Seminarium firmy Analog Devices. Warszawa 1999 PRO-ECOLOGICAL METHODS OF CONDITIONING OF MEASUREMENT SIGNALS Analog to digital converters as a rule are connected with signal sources by means of conditioning circuits, which enables better fitting of impedance of signal source and measuring system. Examples of measuring input channels with sigma-delta converters are described. Application of sigma-delta converters leads for reduction of electronic components of measurement input channels. Thereby input measuring channels are more ambient friendly that older one. 113