FIZIČKO-TEHNIČKA MERENJA: ELEKTRIČNA KOLA NEOPHODNA ZA RAD SENZORA, ŠUM U SENZORIMA I KOLIMA

Transcript

1 : ELEKTRIČNA KOLA NEOPHODNA ZA RAD SENZORA, ŠUM U SENZORIMA I KOLIMA

2 UVOD Signal koji generiše senzor je ili suviše slab ( ~ μv) ili sadrži šum ili sadrži neželjene komponente (DC nivo) ili nije u odgovarajućoj formi koju zahteva sistem za akviziciju (acquisition ACQ), ili poseduje više navedenih karakteristika. Potrebno je prilagoditi signal ACQ sistemu signal conditioning. Signal conditioning circuit ili Interface circuit (IC). Ulazna impedansa jedna od najvažnijih karakteristika IC. Za određivanje amplitudsko-frekvencijske karakteristike neophodno je uzeti u obzir i izlazne karakteristike senzora. Z 1 R jrc 0 E E sin 2 ft, Z R 0 out 1 V V sin 2 ft, V f in c 0 max E f / f R 1 R R 2 RC (1 %) f f 7 c c

3 UVOD Detaljnije ekvivalentno kolo ulaznog dela IC: e o offset voltage DC komponenta na ulazu koja postoji i kada je izlaz senzora 0. i o bias current struja koju generiše IC. Veoma nepoželjna kod senzora sa visokom izlaznom impedansom ili IC sa visokom ulaznom impedansom, jer može stvoriti visok napon na ulazu IC-a, npr. za piezoelektrični senzor 1 GΩ x 1 na = 1 V. e n i i n napon i struja šuma. Pojačavači većina pasivnih senzora proizvodi slab signal reda μv i pa, a za obradu su neophodni signali reda V i ma. Pojačavači, osim povećanja nivo izlaznog signala senzora koriste se i za prilagođavanje impedanse, povećanje SNR-a, filtriranje signala i razdvajanje izlaza i ulaza.

4 OPERACIONI POJAČAVAČI Osobine operacionih pojačavača (OP): visoka ulazna impedansa MΩ ili GΩ, mala izlazna impedansa reda Ω, zanemaljiv e o (μv) i i o (pa), veliko pojačanje A OL (open loop gain) , veliki CMRR (common mode rejection ratio) db, mali unutrašnji šum, širok frekvencijski opseg, neosetljivost na varijaciju napona napajanja, dugotrajna stabilnost karakteristika, itd.

5 OPERACIONI POJAČAVAČI Operacioni pojačavači se retko koriste u open loop konfiguraciji zbog nestabilnosti, odnosno za malu vrednost ulaznog napona izlaz OP-a ulazi u zasićenje, a zbog velikog A OL (10 5 ) drift od 10 μv izaziva varijaciju izlaznog napona od 1 V. Slew rate brzina kojom OP može da isprati naglu promenu ulaza (do 500 mv/μs). Gain bandwidth product (GBW) frekvencija f 1 na kojoj je pojačanje OP jednako 1. Pojačenje OP-a se redukuje povratnom spregom (negativnom), dok se propusni opseg povećava. Neinvertujući pojačavač: A = 1 + R 2 /R 1. Frekvencijski opseg je A puta povećan u odnosu na open loop gain. Limitirajući faktor svakog OP-a je f 1, i poželjno je da f 1 bude bar 100 puta veći od propusnog opsega primene posmatranog pojačava. Kod realnih OP-a javlja se naponski ofset (e o ) i polarizaciona struja (i b ) o čemu se mora voditi računa, jer se na izlazu javlja napon: V out = A(e o + R ekv i o ), koji se mora kompenzovati, R ekv ekvivalentna ulazna otpornost.

6 KOLA SA OPERACIONIM POJAČAVAČIMA Voltage follower omogućava konverziju visoke impedanse na nisku. Pojačanje je blisko jedan. Omogućava razdvajanje senzora sa ostatkom IC. Diferencijalni pojačavač: A = R 2 /R 1. Instrumentacioni pojačavač: za pojačavanje izlaznog signala niskog naponskog nivoa (μv), pojačanje se podešava sa R a, sa R a 0.1 % CMRR preko 60 db. A 1 2R R R a R 3 2

7 KOLA SA OPERACIONIM POJAČAVAČIMA Strujno-naposki konvertor (transimpedansni pojačavač). Vout ir Naponsko-strujni konvertor. i out R2 RR 1 3 v in uz uslov R R R R R

8 KOLA SA OPERACIONIM POJAČAVAČIMA Strujni pojačavač. i out RR 1 3 RR 2 4 i in uz uslov R R R R R Pojačavač naelektrisanja poseban tip OP-a sa malom i b. Koristi se kada je potrebno generisati veoma nizak izlazni signal sa senzora (pc) u adekvatan naponski nivo (piezoelektrični i piroelektrični pretvarači, kvantni detektori, kapacitivni senzori, itd). V out Q C Parazitna otpornost kondenzatora r mora biti značajno veća od impedanse kondenzatora na niskim učestanostima. Pojačanje reda 1V/pC. Rase and fall time reda 5 ns.

9 POBUDNA (AKTIVACIONA KOLA) Aktivni senzori zahtevaju spoljašnju energiju za ispravan rad: termistori i RTD, senzori pritiska (piezoelektrični, kapacitivni,...), senzori pomeraja (elektromagnetni, optički,...), itd. Energija se senzoru može preneti u različitim oblicima: konstantan napon, konstantna struja, impulsna struja, svetlost, radiaktivno zračenje, itd. Neophodno je da aktivacioni signal ima zadovoljavajuću tačnost i stabilnost. U suprotnom izlazni napon može varirati iako je merna veličina konstantna.

10 STRUJNI GENERATORI Karakteristike: što veća izlazna otpornost kako otpornost senzora ne bi dovela do promene nominalne struje, voltage compliance maksimalni napon koje se može generisati na ulazu senzora, a da se ne promeni struja strujnog generatora. Tipovi unipolarnih strujnih generatora sink (struja teče u strujni generator) i source (struja teče iz strujnog generator). Strujna ogledala sa i bez multiplikacije.

11 STRUJNI GENERATORI Bipolarni strujni generatori senzor se vezuje u kolo povratne sprege. Kada je potrebna mala struja mogu se koristiti integrisane naponske reference. i out 2.5 V R S

12 NAPONSKE REFERENCE Elektronska kola koja na izlazu daju konstantan napon i koji se neznatno menja sa varijacijom napona napajana reference, varijacijom temperature, starenja, itd. Za aplikacije kod kojih je cena komponentni limitirajući faktor koristi se Zener dioda. strujno-naponska karakteristika Zener diode Zener dioda se inverzno polariše. Veoma mala struja curenja za napone manje od V Z. Kada se inverzni napon približi V Z struja naglo raste, što može rezultovati pregrevanjem i destrukciom Zener diode. U cilju ograničavanja strujne kroz Zener diode, redno se vezuje PTC termistor. Zener diode kao naponska referenca

13 NAPONSKE REFERENCE V Z opada sa porastom temperature. Tempreraturna kompenzacija promene izlaznog napona kod direktno polarisane diode napon opada sa porastom termperature. Najčešće integrisane naponske reference: 1.25, 2.5, 4.096, 5 i 10 V.

14 OSCILATORI Bazirani su na pozitivnoj povratnoj sprezi. Square-wave oscilatori: sa logičnim kolima, sa operacionim pojačavačima. f 1 4RC ln 2 f 1 ln 1 R R R4C 1 R

15 OSCILATORI Sinusni oscilatori sa RC ili LC kolom. Wien ov oscilator. Potrebno pojačanje je 3. Automatska regulacija pojačanja. LC oscilator. f 1 2 RC

16 VITSTONOV MOST Vitstonov most (Wheastone) veoma popularno kolo u mernoj tehnici, jer je izlazni signal direktno srazmeran promeni impedanse jedne od grana mosta. Izlazni napon mosta: V out Z1 Z3 Z Z Z Z V REF V Z Osetljivost mosta u funkciji pojedinačnih impedansi: Z V V, out 2 out 1 2 REF 2 1 Z1 Z2 Z2 Z1 Z2 V Z V Z V, Z out 4 out 3 2 REF 2 3 Z3 Z4 Z4 Z3 Z4 Ukupna osetljivost mosta u funkciji promena impedansi: Vout Z Z ZZ Z Z Z Z V Z Z Z Z REF Z V V REF REF

17 VITSTONOV MOST Samo susedne impedanse mosta moraju da budu iste da bi se postigla temperaturna kompenzacija. To je slučaj kada se koriste merne trake. Otpornik R 1 za nulovanje mosta. instrumentacioni pojačavač Međutim, u praksi su česti slučajevi kada se samo jedna impedansa koristi za merenje: Vout Z1, nominalne impedanse svih grana mosta su jednake V 4Z REF 1 Vitstonov most se koristi za kola sa mernim trakama, piezorezistivnim pretvaračima pritiska, termistorima, kapacitivnim pretvaračima, itd.

18 VITSTONOV MOST Merenje promene otpornosti pomoću Vitstonovog mosta: neuravnotežen most najčešća konfiguracija, izlazni napon mosta je nelinerna funkcija Δ. Za Δ < 0.05 može se koristiti linearna zavisnost. uravnotežen most npr. R 3 i R V fotootpornici. Promena merne veličine dovodi do promene R V menja se i izlazni napon mosta, pojačavačem i kontrolnim kolom se reguliše intenzitet LED koja menja R 3 i vraća most u ravnotežu. Izlazni signal je napon/struja kojom se napaja LED. uravnotežen most realizacija pomoću strujnog generatora I. Inicialno most je uravnotežen: R 1 R 4 = R 3 (R 2 + R 5 ). Strujom I promena izlaznog napona usled promene otpornosti R 2 za δr 2 se kompenzuje: δr 2 = I(R 3 R 5 /E). Bolja linearnost.

19 TEMPERATURNA KOMPENZACIJA VITSTONOVOG MOSTA U slučaju kada se u mostu koristi sam jedan otpronik za merenje neke fizičke veličine, dok su ostale 3 fiksna (odnosno nakon nulovanja mosta se ne menjaju), potrebno je kompenzovati promenu mernog otpornika sa temperaturom (osim ukoliko se most ne koristi za merenje temperature). Nekoliko rešenja: pomoću NTC otprornika (uobičajeno je da je temperaturni koeficijent mernog otpornika pozitivan). temperaturno kontrolisanog naponskog izvora (dioda ili tranzistori), strujnog generatora.

20 PRENOS ANALOGNOG SIGNALA NA DALJINU Dvožilno - Prenos pomoću strujnog signala struja ne zavisi od otpornosti žica (dužine). Standard 4 20 ma. Senzor se napaja pomoću strujne petlje. Moguća indikacija i prekida veze. Četvorožilno kada je potrebno meriti malu otpornost. Strujni generator ima veliku izlaznu otpornost, i 0 = const. Takođe, i voltmetar ima veliku ulaznu otpornost, struja kroz priključke = 0. V x R i x 0

21 PRENOS ANALOGNOG SIGNALA NA DALJINU Šestožilno kada se u merenju koristi Vitstonov most, a neophodna je temperaturna kompenzacija. Otpornost dugih žica može biti prevelika u odnosu na otpornost mosta, što izaziva variranje napona napajanja mosta sa promenom temperature. Još jednim parom žica, neprekidno se prati napon napajanja mosta. Trožilno jeftinije rešenje povezivanja udaljenog otpronika u Vitstonov most. Kroz žicu C ne teče struja.

22 DIGITALNO ANALOGNI KONVERTORI (DAC) Konvertuju digitalni broj (b n-1 b n-2...b 2 b 1 b 0 ) u kontinualni napon. Najčešće se koriste za upravljanje aktuatorima. Izlazni napon DAC: V out = V ref (b n-1 2 n-1 + b n-2 2 n b b b )/2 n. DAC sa R-2R mrežom. Može i sa strujnim ogledalima. generisanje sinusoide pomoću DAC, na izlaz RC filtar

23 ODABIRANJE SIGNALA Fourier-ova transformacija (FT) predstavljanje signala sumom sinusoida. F( f ) f ( t) e dt F( k) f ( i) e i0 j2 ft N 1 j2 ki / N F( k) F( k) e j arg( F ( k)) gde je F(k) amplituda, a arg(f(k)) faza FT.

24 ODABIRANJE SIGNALA FT - Nemogućnost kompaktnog predstavljanja naglih promena u signalu Gibbs-ov efekat.

25 ODABIRANJE SIGNALA Odabiranje signala replicira spektar signala.

26 ODABIRANJE SIGNALA Nyquist-ov kriterijum frekvencija odabiranja mora biti bar dva puta veća od najveće frekvencije u signalu.

27 ODABIRANJE SIGNALA Aliasing preslikavanje komponente signala sa frekvencije f s /2 + Δf na frekvenciju f s /2 - Δf. Rešenje pre odabiranja neophodno je iz signala eliminisati sve frekvencijske komponente veće od f s /2 antialiasing filtar.

28 KVANTIZACIJA ODBIRAKA Greška kvantizacije. 3 bita 5 bita 256 nivoa 8 nivoa 4 nivoa 2 nivoa

29 KVANTIZACIJA ODBIRAKA Prevođenje signala iz analognog u digitalni oblik.

30 ANALOGNO DIGITALNI KONVERTORI (ADC) U najvećem broju slučajeva, izlazni signal senzora je kontinualan. Nakon kondicioniranja, potrebno ga je prevesti u binarni broj kako bi se mogla vršiti dalja obrada (mikrokontroler, PLC, računar) i odlučivanje. Broj bita određuje rezoluciju, ali i cenu konverzije. Većem broju bita odgovara i veća tačnost: 8 bita 0.4 %, 10 bita 0.1 %, 12 bita %. Takođe, i brzina konverzije određuje cenu. Najbrži, ali i najskuplji flash konvertori. Međutim, retko se koriste u merenjima neelektričnih veličina, jer su u pitanju sporije promene. Za flash ADC do 10 GSPS (Giga-Samples Per Second).

31 ANALOGNO DIGITALNI KONVERTORI (ADC) ADC sa suksecivnim aproksimacijama. Do 1 MSPS, do 16 bita, svaki bit se testira počev od MSB, svaka konverzija isto traje. Ulazni napon se ne sme menjati u toku konverzije S&H (sample and hold)kolo.

32 ANALOGNO DIGITALNI KONVERTORI (ADC) V/F konvertori (naponsko-frekvencijski) precizni, otporni na šum jer se vrši intergracija ulaznog napona, odnosno frekvencija je srazmerna srednjoj vrednosti napona u toku trajanja konverzije. Na bazi multibratora. Struje i a i i b nisu jednake i zavise od V in. Pola periode se kondenzator puni, a pola periode prazni. Međutim, brzina punjenja i pražnjenja zavisi od stuja i a i i b, što određuje i frekvenciju. Pogodnije je za prenos na daljinu. Na kontinualni naponski signal se superponira šum.

33 ANALOGNO DIGITALNI KONVERTORI (ADC) Charge-balance AD konvertor. Mogu generisati frekvencije do 1 MHz. Frekvencija one-shot impulsa je srazmerna vrednosti signala. Sastoje se od integracione i reset faze. Neosetljiv na šuma, jer integracija računa srednju vrednost.

34 ANALOGNO DIGITALNI KONVERTORI (ADC) Integraciona faza: kondenzator se prazni strujom I in = V in / R in, kada izlazni napon na operacionom pojačavaču padne na 0.6 V generiše se kratkotrajni impuls i prekidač se prebacuje u levi položaj, napon ΔV zavisi od ulaznog napona V in. Reset faza: kondenzator se puni strujom i I in u toku vremena koje je unapred određeno t os. nakon t os prekidač se vraća u desni položaj i ponovo počine integraciona faza. V V I C C in in in in T1 Rin T1 V i I C V t in in os tos in 1 os 1 os os Iin 1 1 T t R it 1 os in os in V i I C i I i T t T t t I f V in in in

35 ANALOGNO DIGITALNI KONVERTORI (ADC) AD konvertor sa dvostrukim nagibom (dual slope): sporiji od drugih tipova ADC, jednostavan za realizaciju, odlikuje ga niska cena, a dobra preciznost, imun na šum, jer se vrši integracija ulaznog signala (srednja vrednost šuma = 0), koristi se kada se ne zahteva velika brzina konverzije, za 12 bita oko 20 ms.

36 ANALOGNO DIGITALNI KONVERTORI (ADC) Obično se predpostavlja da je V in > 0, ako to nije slučaj dodaje se još jedan invertor. Signalom START počinje konverzija i kondenzator se puni naponom V in tačno definisano vreme T. Izlazni napon iznosi: T 1 T V V dt V, gde je V srednja vrednost ulaznog napona. R C in in in in in R 0 incin Nakon T prekidač se prebacuje na V REF i kondenzator se prazni do 0. Vreme pražnjenja: V 1 REF t V R C in in in U toku vremenskog intervala Δt u brojaču se akumulira vrednost koja odgovara ulaznom naponu. Kondenzator se pre početka nove konverzije kratko spaja, a zatim signal START ponovo započinje ciklus.

37 ANALOGNO DIGITALNI KONVERTORI (ADC) Proširivanje rezolucije ADC. Dat je ADC sa 8 bita, a potrebno 12. Proširivanje rezolucije se koristi kada brzina konverzije nije kritiča. Za ADC sa 8 bita i opseg 5 V, LSB = 19.6 mv. D in c V V V A Za A = 255 i V D,max = 19.6 mv rezolucija LSB 77 μv, kao ADC od 16 bita. Realno je max 12 bita.

38 SIGMA - DELTA (ΣΔ) AD KONVERTOR Koristi se za konverziju sporo promenljivih signala (KSPS). Visoka rezolucija i preko 20 bita. Odličan SNR dobro potiskuje šum za signal predstavlja lowpass filtar, a za šum highpass filtar, izlaz se zatim filtrira i dobija se odgovarajući digitalni broj. Frekvencija impulsa na izlazu komparatora je M (64, 128, 256,...) puta veća od frekvencije odabiranja na izlazu AD konvertora. Odlikuje ga nista cena. Razlika ulaznog signala i izalaza iz D/A (Δ) se intergrali (Σ). Izlaz integratora se poredi sa 0 i komparator generiše povorku impulsa koja se vodi na digitalni filtar.

39 SIGMA - DELTA (ΣΔ) AD KONVERTOR Neka je na ulazu pozitivan napon V in > 0. Kada je Q = 1, kondenzator se prazni (napon na izlazu OP-a se smanjuje) strujom (V + V in )/R. Kada je Q = 0 kondenzator se puni strujom (V V in )/R, odnosno broj 0 na izlazu je veći od broja 1, jer duže traje punjenje od pražnjenja kondenzatora. Neka je na ulazu negativan napon V in < 0. Kada je Q = 1, kondenzator se prazni (napon na izlazu OP-a se smanjuje) strujom (V V in )/R. Kada je Q = 0 kondenzator se puni strujom (V + V in )/R, odnosno broj 1 na izlazu je veći od broja 0.

40 FILTRI Filtri su električna kola kojima se ukalanjaju, odnosno značajno oslabljuju, neželjene frekvencijske komponente u signalu. Analogni filtri realizuje se pomoću električnih kola, dele se na pasivne (sadže R, L i C elemente) i aktivne (sadrže operacione pojačavače). Digitalni obrada signala se vrši nakon AD konverzije pomoću mikrokontrolera ili PC-a. Pasivni RC filtri: lowpass prvog i drugog reda. f 1 2 RC f 2 1 R R C C

41 FILTRI Pasivni RC filtri: high-pass, band-pass i T-twin rejection filter.

42 FILTRI Aktivni low-pass filtri. v in R C vout 1/ RC v s 1/ RC in v out Realna karatkeristika vout R1 1/ R1C v R s 1/ R C in 2 1 C R 1 R 2 anti-aliasing ispred ADC. v in v out

43 FILTRI Aktivni high-pass filtri. v in vout s v ( s 1/ RC) in C v out Aktivni band-pass filter. vout R1 s / R1C 1 v R s R C s R C in 1/ 1/ C 1 R 1 R v in C 2 R 2 v out vout R1 s v R s 1/ R C in 2 2 R 1 C R 2 v in vout f RC f 1 2 RC 2 2

44 FILTRI Digitalni filtri - realizuju se pomoću mikrokontrolera ili PC-a. Predhodno je potrebno digitalizovati signal pomoću AD konvertora. Ulazna serija x(n) pretvara se u izlaznu seriju y(n). FIR (Finite Impulse Response): y(n) = ax(n) + bx(n-1) ne zavisi od predhodnog izlaza. IIR (Infinite Impulse Response): y(n) = cx(n) + dy(n-1) zavisi od predhodnog izlaza. Opisuju se Z tranformacijom. z -1 operator pomeranja: z -1 x(n) = x(n-1). Prednosti: moguće je dizajnirati filtar sa ravnijom karakteristikom u passband-u i bržim prelazom u stopband. Jednostavna i jeftina rekonfiguracija. Mane: sporiji za izvršavanje veliki broj članova u funkciji prenosa.

45 Digitalni filtri Nakon digitalizacije signala vrši se softversko filtriranje: Razdvajanje dva ili više signala, Restauracija signala nakon degradacije.

46 Digitalni filtri Informacija može biti sadržana u vremenu nivo u rezervoaru. Informacija može biti sadržana u frekvenciji broj obrtaja osovine motora. karakteristike filtra u vremenskom domenu karakteristike filtra u frekvencijskom domenu

47 Digitalni filtri Realizacija high-pass filtra polazeći od low-pass filtra. vremenski domen frekvencijski domen spektralna inverzija vremenska inverzija

48 Digitalni filtri Realizacija band-pass i band-stop filtra korišćenjem high-pass i low-pass filtra.

49 Digitalni filtri Dizajn Matlab funkcija fdatool.

50 Digitalni filtri Alati za obradu signala: Matlab, LabVIEW, Open source Scilab, Octave, Sage,... Platforme: DSP - digital signal processor, PC, PC sa NVIDIA grafičkom karticom, mobilni telefoni sa/bez TEGRA chipset-om,... OpenCV for Tegra Demo

51 ŠUM U SENZORIMA I KOLIMA Šum neželjen signal koji izaziva grešku prilikom tumačenja izlaznog signala senzora. Ne može se potpuno otkloniti, ali se njegov uticaj može značajno umanjiti. Postoje dva tipa šuma: šum koji nastaje u samom kolu senzora unutrašnji (inherentni), šum koji se sumira na izlazni signal senzora u toku prenosa informacije prenosni šum. Inherentni šum: AD konverzija unosi kvantizacioni šum. Za signal čiji pun opseg 5 V, 10-bitni - ADC prozivodi šum od ~ 5 mv, dok 16-bitni ADC unosi šum od ~ 77 μv. Međutim, max. izlazni signal senzora je često mnogo manji od 5 V, neophodan pojačavač, unosi se dodatni šum, pa nema smisla koristi 16 bitni ADC, ako je šum na ulazu ~ 300 μv. Termalni (Johnson) šum posledica neuređenog, termalnog kretanja nosilaca. Brzina nosilaca pored komponente koja potiče od drifta (primenjenog električnog polja), sadrži i slučajnu komponentu čija je srednja brzina 0. Efektivna vrednost napona termalnog šuma na otporniku R iznosi: e 2 n 4kTRf

52 ŠUM U SENZORIMA I KOLIMA gde je k = 1.38 x J/K, Boltzmanova konstanta, T [K] temperatura otpornika i Δf frekvencijski opseg od interesa. Na sobnoj temperaturi: en 0.13 R[ ] nv/ Hz. Kod velikih otpornosti može predstavljati problem, npr. kod piezoelektričnih pretvarača R = 50 GΩ i propusnog opsega Δf = 100 Hz, e n 0.3 mv. Smanjenje termalnog šuma može se postići redukovanjem propusnog opsega. sačma šum (shot noise) najčešće se javlja u poluprovodnicima, kada je prolazak nosilaca slučajan, odnosno nije moguće tačno utvrditi kada nosilac stiže na elektrodu. Efektivna vrednost struje sačma šuma iznosi: gde je I DC jednosmerna vrednost struje. i 2qI f 1/f šum javlja se u poluprovodnicima i na spojevima dva različita metala, usled postojanja nečistoća (trap), nastaju dodatni energetski nivoi, koji zadržavaju nosioce određeno vreme. Kako su svi izvori šuma međusobno nekorelisani, ukupan šum se dobija kao kvadratni koren sume efektivnih vrednosti svih detektovanih izvora šuma. 2 sn DC

53 ŠUM U SENZORIMA I KOLIMA Pod prenosnim šumom se podrazumeva ne samo šum koji nastaje usled sprezanja spoljašnjih elektromagnetnih smetnji sa linijom kojom se signal šalje, već i drugi izvori neravilnog rada senzora npr. gravitacija kod akcelerometara, vibracije kod piroelektričnih senzora, itd. AC kablovi mogu biti izvori šuma, visokonaposki za napajanje većih industrijskih potrošača, visokostrujni za pokretanje velikih motora. Prekidačka napajanja (khz) frekventni regulatori za upravljanje motorima. RF izvori radio i TV prenos, mobilni telefoni.

54 ŠUM U SENZORIMA I KOLIMA Načini sprezanja: zajednička provodna veza dva ili više senzora imaju zajedničku liniju kojom se signal vraća tako da struja iz jednog kola usled otpornosti zajedničko kabla menja nulti potencijal drugog kola, npr. 10 ma x 1 Ω 1 C (termopar). Između kabla i izvora šuma postoji kapacitivnost usled čega se indukuje napon na kablu. Potrebno je smanjiti međusobnu kapacitivnost, npr. udaljiti provodnik od izvora šuma. Temperature sensor V CC GND V OUT V OUT ~ 10 mv/ C V N 10 ma other transducer Common ground impedance V OT R S V S R L

55 ŠUM U SENZORIMA I KOLIMA Magnetno sprezanje promenljiva struja u provodniku koji je u blizini indukuje napon. Korišćenje upredenih parica (twisted pairs) značajno smanjuje magnetno sprezanje. I N I N V N V N V S R L V S

56 ŠUM U SENZORIMA I KOLIMA Prema načinu na koji utiče na koristan signal šum može biti aditivni ili multiplikativni. Aditivni šum ne zavisi od nivoa korisnog signala: V out = V S + e n. Multiplikativni šum zavisi od nivoa signala, utiče na funkciju prenosa senzora ili na nelinearne komponente pridruženih kola, tako da moduliše koristan signal: V out = [1 + N(t)]V S, gde je N(t) šum u funkciji vremena. Čest način uklanjanja aditivnog šuma je proizvodnja senzora u paru, pri čemu se samo jedan podvrgava uticaju fizičke veličine od interesa (diferencijalni metod). Oba senzora treba da budu postavljeni što bliže jedan drugom kako bi uticaj aditivnog šuma bio identičan. Kvalitet potiskivanja aditivnog šuma opisan je CMRR: CMRR 0.5 s s s s

57 ŠUM U SENZORIMA I KOLIMA Multiplikativni šum se može ukloniti principom deljenja. Kao i kod diferencijalne metode koriste se dva senzora pri čemu se oba podvrgavaju uticaju merne veličine, ali je intenzitet merne veličine kojom se deluje na referentni pretvarač poznat, s 0. Ako je izlazni napon funkcija merne velične f(s 1 ), tada izlaz iz referentnog senzora iznosi: V 1 N t f s 0 0 dok izlaz glavnog senzora ima sledeću vrednost: V 1 N t f s 1 1 Deljenjem predhodno dve jednačine moguće je neutralisati multiplikativni šum i odrediti mernu veličinu: V1 1 1 V 1 f s1 s1 f f s0 V0 f s 0 V 0 Predhodne dve metode ne mogu uklonitu inherentni šum, koji nastaje u samom senzoru.

58 ŠUM U SENZORIMA I KOLIMA Najčešći način sprezanja signala i šuma je parazitna kapacitivnost, koja uvek postoji. Npr. posmatra se piroelektrični senzor, čija se impedansa Z može predstaviti paralelnom vezom kapacitivnosti od 30 pf i otpornosti 50 GΩ. Između kabla i prolaznika (operatora) javlja se parazitna kapacitvnost C S reda 1 pf i ako se na odeći javi napon reda 1000 V, a operator se kreće brzinom 1 Hz, na izlazu se može javiti napon od oko 30 V, što je za red veličina veće od korisnog signala. Smanjenje uticaja parazitne kapacitivnosti electrical shieleding (električno širmovanje ili oklopljavljanje). Shielding ima dva zadatka: Ograničava šum u malom reonu i sprečava uticaj na okolna kola. Ako u kolu postoji šum, shielding može sprečiti da šum stigne do osetljivih komponenti.

59 ŠUM U SENZORIMA I KOLIMA Ako je (za kolo na predhodnom slajdu) C S = 2.5 pf, Z = 10 kω, e n = 100 mv na frekvenciji od f = 1.3 MHz V n = 20 mv. Iako se smatra da se šum na frekvenciji od 1.3 MHz može lako ukloniti, pn spojevi u kolima na koja se povezuje senzori, se ponašaju kao ispravljači i mogu filtrirati šum i prebaciti na niske frekvencije gde se ne može razlikovati od signala. Impedansa shield-a mora biti nula. Struja sa desnoj strani shield-a mora biti nula, jer bi tada struja proticala kroz desni deo kola i stvarala napon na potrošaču. Elektrostatički shield mora biti povezna na referentni napon u kolu. Ako je senzor uzemljen i shield mora biti uzemljen.

60 ŠUM U SENZORIMA I KOLIMA Ako se koristi shield kabl, mora biti uzemljen na strani izvora signala. Ako je shield podeljen na nekoliko segmenata, svi moraju biti međusobno povezani. Broj shield kablova mora biti jednak broju signala u sistemu. Shield-ovi se ne povezuju ukoliko signali ne dele zajednički referentni potencijal. Tada se svi shield kablovi povezuju na taj referenti potencijal.

61 ŠUM U SENZORIMA I KOLIMA Ukoliko je senzor oklopljnen shield-om i shield kabl koji vodi od njega treba povezati na shield. Shield kabl ne sme biti uzemljen na oba kraja, jer će se tada javiti potencijal između ta dva kraju, a samim tim i struja kroz shield, koja će indukovati napon u provodniku.

62 ŠUM U SENZORIMA I KOLIMA Bypass kondenzator smanjuje impedansu linije za napajanje, koja pri većim frekvencijama dolazi do izražaja. Pri niskim frekvencija bypass kondenzator smanjuje uticaj šuma. Koriste se veliki kondenzatori ~ μf. Mora se voditi računa i o njihovim karakteristikama, jer i oni sadrže parazitne R, L i C. C V CC mf Električno kolo Magnetski shield za razliku od električnog, magnetno polje prolazi kroz provodnik i mnogo je teže sprečiti uticaj magnetnog polja. Sa porastom debljine oklopa, magnetna indukcija eksponencijalno opada. U zavisnosti od frekvencije koriste se različiti materijali.

63 ŠUM U SENZORIMA I KOLIMA Magnetski shield: Kao provodnike za prenos struja većeg intenziteta koristiti upredene parice, kako bi se indukcija koju posmatrana struja stvara svela na minimum. Površinu koju opisuju provodnici treba smanjiti kako bi indukovana ems bila manja (receiver loop). Orjenitisati tako provodnik da magnetna idukcija bude paralelna sa ravni koju opisuju provodnici. Mehanički šum vibracije i efekti ubrzanja su izvori šuma u pretvaračima koji bi trebali da budu imuni na njih. Npr. iako je akcelerometar predviđen za merenje ubrzanja u pravcu x ose, ubrzanje u pravcu y ose, na rezonantnoj frekvenciji može proizvesti izlazni signal značajne amplitude. U zavisnosti od konstrukcije pretvarača, oba tipa šuma (multiplikativni i aditivni) se mogu javiti.

64 ŠUM U SENZORIMA I KOLIMA Ground loop struja kojom se napaja pojačavač stvara napon između tačaka a i b što rezultuje greškom na izlazu. Npr, i = 5 ma, R g = 0.2, V g = 1 mv, u slučaju termopara velika greška. Rešenje drugačija konfiguracija referentnog potencijala.