4. SKLOPOI ANALOGNE OBADE SIGNALA 4. ANALOGNI SKLOPOI U DIGITALNOM MJENOM SUSTAU Opća utav akvizicije podataka je prikaza a lici 4... iše ezora je preko odgovarajućih klopova za obradu igala, klopova za prijeo igala, multiplekera i A/D kovertera povezao a račualo, kojim e vrši kotrola procea mjereja i aaliza rezultata mjereja. Slika 4... Tipiči cetralizirai mjeri utav Sigali iz ezora u u pravilu, ike razie. To zači da je eophodo, prije ego što e prijeďe a pretvorbu i digitalu obradu igala, izvršiti pojačaje igala u cilju oiguraja većeg diamičkog pojaa odoo većeg odoa igal/šum. Nako pojačaja igala iz ezora do potrebog razie, vrši e pretvorba igala iz aalogog u digitali oblik. Daljja obrada i prijeoa igala obavljaju e u digitalom obliku. U digitalim mjerim utavima, važu ulogu vrše kodicioeri igala koji u mještei izmeďu ezora i jediice akvizicije igala (DAQ board-a), ili izmeďu ezora i digitalog itrumeta. Tok igala u takvim utavima je prikaza a lici 4...
Slika 4.. Tok igala u mjerom utavu U kodicioerima e uglavom vrši aaloga obrada igala koja obuhvaća ljedeće fukcije: PrilagoĎeje impedaciji ezora za makimali i odo igal/šum, Pojačaje ili prigušeje igala za optimalu prilagodbu ulazu A/D kovertera, Filtriraje igala i metji iz eželjeog frekvecijkog pojaa, Frekvecijka ekvolizacija frekvecijke karakteritike ezora, Električa izolacija mjerog itrumeta od mjereog procea pomoću izolacijkog pojačala ili galvaka izolacija pomoću traformatora. Liearizacija prijeoe fukcije igala Poeba je klaa klopova elieare aaloge obrade igala kojima e, po potrebi, vrši kvadriraje, ipravljaje, itegriraje i deriviraje. Obrada igala je defiiraa kao potupak obrade igala ili fukcija koje preoe iformacije o taju ili karakteritikama fizičkog utava. Oa e daa ajčešće izvodi u digitaloj domei. Tipiči utav digitale obrade igala komuicira vajkim vijetom prikupljajem iformacija pomoću ezora i digitalizirajem tih iformacija kako bi e mogle obraditi. U utavima digitale obrade igala ajprije e vrše različite pretvorbe igala. Koriti e pretvorba aalogog igala u drugi aalogi igal, zatim pretvorba aalogog igala u digitali igal (A/D) i pretvorba digitalog igala u aalogi igal (D/A). Aalogo-aaloga pretvorba uključuje i apoko-truju pretvorbu, kao i trujo-apoku pretvorbu. TakoĎer e korite i /F pretvarači kojima e pretvara apo u frekveciju i obrato. 4. MJENA POJAČALA 4.. Operacijko pojačalo Operacijko pojačalo (OP) pojačava apo a ulazu kako bi e dobio veći apo izlaza. Omjer izlazog i ulazog apoa predtavlja apoko pojačaje. Na lici 4.. je prikazao idealo operacijko pojačalo. Idealo je oo operacijko pojačalo koje ima bekoačo apoko pojačaje, bekoačo širok propui opeg, bekoaču ulazu impedaciju i izlazu impedaciju jedaku uli. Takvo idealo operacijko pojačalo e potoji, ali ga koritimo u pojedotavljeoj aalizi ekih elektroičkih klopova.
Z Z iz d ul izl A I d d iz I iz Slika 4.. Idealo operacijko pojačalo Operacijko pojačalo pojačava apo d koji je jedak razlici apoa a pozitivom i egativom ulazu. eala operacijka pojačala imaju koačo pojačaje A i projektiraa u tako da pojačaje opada poratom frekvecije kao vioko-propui filtri prvog ili višeg reda. U lučaju da OP predtavlja filtar prvog reda jegova prijeoa fukcija A() izoi: iz( ) A A A( ) d ( ) ( T ) ( ) g gdje je A pojačaje itomjerog apoa, kompleka frekvecija ( + j), g graiča kruža frekvecija pojačaja, a T vremeka kotata T=/ g. Za vaki pomak u frekveciji od jede dekade apo opade za faktor, pri čemu e pretpotavlja da e amplituda ulazog igala održava kotatom. U Bodeovom prikazu (lika 4..3) to zači pad od db po dekadi a frekvecijkoj karakteritici magitude frekvecijkog odziva. Operacijka pojačala e gotovo uvijek korite ekim oblikom povrate veze. azmotrimo liku 4.. koja predtavlja pojačalo povratom pregom. rijedi odo ulaza i izlaza: iz A( ) A( )( B( )) d ul iz gdje pojačaje A() predtavlja odziv otvoree petlje, B() predtavlja povratu pregu. Ukupa prijeoa fukcija iz / ul jedaka je: G( ) iz ul ( ) A( ) ( ) A( ) B( ) Uvedimo i ozaku za faktor povrate veze F: F = + A()B(). 3
d A() ul iz B() Slika 4.. Pojačalo povratom pregom (poj izvora apajaja ije prikaza) Najčešće e u povratoj vezi korite otporici, kao a lici 4... Tada je B() = β = /( + )). Slika 4..3 uporeďuje frekvecijki odziv otvoree petlje i frekvecijki odziv zatvoree petlje za β =. Slika 4..3 Frekvecijka karakteritika pojačala Ako ozačimo kotati prijeo povrate veze B() = iz prethode jedadžbe povrate veze, dobije e: A iz ( ) T ( ) A ul T A A T A 4
Faktor povrate veze je ada jedak: F = + A. aža u dva zaključka u lučaju da je faktor povrate veze veliki (F>>): iz ul ( ) ( F ) ( ) T F ' ) Itomjero pojačaje je odreďeo vrijedošću: / ) Gorja graiča frekvecija e povećava za faktor povrate veze ' g = F g g Primijetimo da e kod pojačala a like 4.. e može potići pojačaje maje od (db). To e dobije kada je otporik = (tada ije potreba). d A() ul B()= iz Slika 4..3 Primjea operacijko pojačala za dobivaje apokog lijedila (eg. buffera) jediičim pojačajem. Problem tabilot povrate veze Ukoliko faktor povrate veze a ekoj frekveciji potae jedak uli ukupo pojačaje teži bekoačoj vrijedoti i tada može atati amopobudo ociliraje. Uvjet ociliraje F =, zači da je tada G() = -, odoo ociliraje ataje a frekveciji gdje je a) faza od G() jedaka 8 tupjeva i magituda G() jedaka /. ealo operacijko pojačalo ima tipiči frekvecijki odziv prikaza a lici 4..7. Primijetimo da e faza mijeja za više od 8 tupjeva. Ovo pojačalo će uvijek biti tabilo, jer čak i ako e primijei povrata veza jediičim pojačajem, faza G(f) je maja od 8 tupjeva i to za izo koji e običo aziva faza pričuva. 5
Slika 4..5 Tipiči frekvecijki odziv otvoree petlje operacijkog pojačala ozačea je faza pričuva u primjei jediičim pojačajem Iako prethodo opiao pojačalo je apoluto tabilo za va pojačaja, problem može atati ako e a pojačalo poji kapacitivi teret. Tada odziv pojačala odreďuje i dodati pol kojeg uzrokuju erijki izlazi otpor pojačala i kapacitivi teret. Problem je ilutrira a lici 4..6. Slika 4..6 Slijedilo kapacitivim teretom (a) Sklop (b) Model izlazim otporom c) Model povrate veze dodatim polom. Dodati pol majuje fazu pričuvu. Na lici 4..7 prikaza je kokomiči odziv pojačala koje je opterećeo kapacitetom od pf, što uzrokuje malu fazu pričuvu od o. Iako ije atupilo ociliraje,trazijeti odziv pokazuje veliko vrijeme mirivaja. 6
Slika 4..7 Skokomiči odziv pojačala (lijedila) koje je opterećeo kapacitetom od pf, Ukoliko e još poveća kapacitivi teret može doći do ociliraja. Problem kapacitivog opterećeja javlja e kod pajaja izlaza pojačala a dulje kablove koji imaju začaja kapacitet. Primjerice koakijali kabel G58/U ima kapacitet pf/m. 4.. ealo operacijko pojačalo - topologija i ograičeja izvedbe ProizvoĎači operacijkog pojačala pecificiraju: offet-apo ulaza, ulazu truju, faktor potikivaja apajaja (PS), faktor potikivaja zajedičkog igala - CMM, harmoička izobličeja, lewrate i ekvivaleti ulazi šum, što pokazuje koliko e realo operacijko pojačalo razlikuje od idealog. Tablica 4.. Karakteritike tipičih operacijkih pojačala Parametar Tip I Tip II Tip III Tip I Tip Jediica off.5.5 podeiv m t.c. off -7 5.3 µ/k I bia 8-5 p 5 p p A I of f - p 5 p 4 p A Iput oie 4 5 5 /Hz -. -.5 pa/hz A 5 5 5 5 7 - i 6 - CM 9 8-7 4 db PS 96 8-9 7 db f t -4 4.3 3 MHz Slew-rate.5 3-5.5 4 /µs off. I bia : I off. t.c. : A : i : CM: PS: ulazi apoki pomak (offet apo) ulaza truja ulazi truji pomak (offet ulazih truja) temperaturi koeficijet promjee apokog pomaka (drift) itomjero pojačaje ulazi otpor potikivaje zajedičkog igala (commo mode rejectio ratio) potikivaje igala iz apajaja (power upply rejectio) 7
f t : lew-rate: širia pojaa pri jediičom pojačaju makimala vrijedot d iz /dt. Na lici 4..8 je model realog operacijkog pojačala. Svaki od ulaza ima itomjeri truji izvor IB koji je poveza jim. Itomjeri apoki izvor, koji predtavlja offet o, veza je erijki jedim ulazom. Impedacija e pojavljuje izmeďu dva ulaza, Zdiff, te izmeďu ulaza i mae Zcm. Ove impedacije e običo aprokimiramo paralelim pojem otporika i kodezatora. Zcm predtavlja grešku zbog ulazog apoa redje vrijedoti. Kao dodatak itomjerim i apokim trujim izvorima potoje mali izmjeiči izvori koji predtavljaju izvor šuma. Izlaza traa modela je takoďer ije ideala. Prvo, izlaza impedacija e dodaje erijki apokom izvoru. Pojačaje je koačo, a izlazi apo i truje realog pojačala u ograičee. Slika 4..8 Kaije ćemo pokazati da je offet apoa ajčešće rezultat razlike u apoima izmeďu baze i emitera ulazog diferecijalog pojačala. Koriik običo može podeiti da ovaj offet bude ula i to pomoću vajkog poteciometra. Ovakvo podešavaje može biti efikao jedio a odreďeoj temperaturi, jer e offet apo mijeja u fukciji temperature. Kao poljedica tvarih karakteritika trazitora, baza truja ulazih trazitora takoďer mijeja prijeoa igala, pa ukoliko potoji razlika otpora a koji u pojei pozitivi i egativi ulaz, takoďer ataje offet apoa. Ulaze truje e kao i ulazi offet apoa mijejaju kao fukcija od temperature. Potoje dvije vrte šuma u klopovima koja korite operacioe pojačalo. Prema prvoj vrti e odoimo kao prema "metji". To je šum koji potječe iz izvora koji iu u vezi a tvarim klopovima. Takvi izvori šuma uključuju i šumove mae i apoa apajaja koji u atali u drugim klopovima utava, elektromagetke metje, kotakti luk u mehaičkim prekidačima i prelazi procea zbog prekidaja u reaktivim klopovima. Ovaj vajki šum četo e može miimizirati pravilim projektirajem ureďaja, Drugi tip šuma je šum koji je veza za am klop. Nauprot metji (prvi tip šuma), ovaj šum e e može u potpuoti odtraiti jer je uzrokova kompoetama uutar pojačala. Najbolje što e može potići je miimiziraje šuma u odreďeoj širii pojaa koji a zaima. 8
U uštii potoje tri izvora šuma koje treba razmatrati kod operacioog pojačala: ulazi apo šuma i truje šuma a oba ulaza. Od operacijkog pojačala očekuje e da pojača amo igal izmeďu dva ulaza d, a da e vrši pojačaje zajedičkog igala cm. Ako Ad ozačimo pojačaje igala izmeďu ivertirajućeg i eivertirajućeg ulaza, a Acm pojačaje zajedičkog igala, faktor potikivaja zajedičkog igala CM (Commo Mode ejectio atio) e defiira kao: A A d cm iz d iz cm A CM log( A d cm ) d cm Slika 4..9 iz iz Nedovolja faktor potikivaja zajedičkog igala proizvodi grešku u izlazom apou proporcioala zajedičkom igalu a ulazu. Slika 4.. Simetričo i eimetričo voďeje igala Četo je potrebo mjeriti veoma mali igal u priuta zajedički igal velike vrijedoti. U tim lučajevima potikivaje zajedičkog igala je važa zahtjev. Tada e korite poebe izvedbe pojačala pozate pod imeom itrumetacijko pojačalo. To je pecijalizirai oblik operacijkog pojačala kojem e igal dovodi a plu i miu ulaze kao kod imetričog voďeja igala a lici 4... Simetričo voďeje igala e koriti u okolii velikim metjama. Oklop kabela je uzemlje i štiti kabel od kapacitivo preeeih metji. Kroz jega e protječe truja igala. Sigal e preoi imetričom paricom i pretpotavka je da e igal magetke metje podjedako preže 9
a plu i miu vodič. Itrumetacijkom pojačalu je igal metje zajedički igal a plu i miu ulazu, pa e o treba što više potiuti. Zbog toga je potikivaje zajedičkog igala (CM) jeda od ajvažijih parametara itrumetacijkog pojačala. Neimetričo voďeje igala je zato ojetljivije a magetke metje, a dodato ataju problemi jer truja igala teče i kroz oklop vodiča. Kroz oklop vodiča (mau) protječu i truje koje ataju zbog iduciraja truje u "petlji mae". Stadarda izvedba operacijkog pojačala Slika 4.. Temelja kofiguraciju operacijkog pojačala Slika 4.. prikazuje tadardu kofiguraciju operacijkog pojačala. To je trotupajko pojačalo. Prvi tupaj čii diferecijalo pojačalo ( Q i Q ). Drugi tupaj (Q3 ) vrši dodato apoko pojačaje i pomak itomjere razie. Treći tupaj je apoko Slijedilo (Q4,Q5,Q6 ) koje treba oigurati mali izlazi otpor i željeu izlazu truju. Izlazi trazitori u pojei u puh-pull vezi klae B ili AB. Slika 4..3a) prikazuje izlaz u B-klai, a lika 4..3a) prikazuje izlaz u AB-klai. Slika 4..4 prikazuje izobličeja preklapaja (eg. croover ditortio) kod oba poja. Diode D I D oiguravaju predapo izlazih trazitora, otprilike +/-.6, čime e majuju izobličeja preklapaja. Slika 4..3 Izlazi tupaj tipa Puh-pull za (a) klop B-klae i (b) klop AB-klae Mali otporik 3 u emiteru izlazog puh-pull klopa AB klae oigurava termičku tabilot klopa. Prijetimo e da je termički koeficijeta promjee apoa BE približo -. m/ C. To zači da bi e
bez otpora 3 zagrijavajem povećavala truja izlazog trazitora. Umetajem otpora 3, povećajem truje povećava e pad apoa a jemu a time opada apo BE, i tabilizira radi predapo trazitora. Slika 4..4 Izlazi oblik apoa pojačala u klai B i AB, prikazaih a lici 4..3. Ulazi diferecijali klop Ulazo diferecijalo pojačalo e četo izvodi kao a lici 4..5. Satoji e od elemeata: Ulazi diferecijali par trazitora Q i Q. Strujo zrcalo izvedeo trazitorima Q3 i Q4. Struji izvor I bia, poje a emitere diferecijalog para. Slika 4..5 a) Ulazo diferecijalo pojačalo klop b) Statička prijeoa karakteritika (izlazi apoa v a poju kolektora trazitora Q i Q4) za ulazu diferecijalu promjeu apoa. Slika 4..5 b) prikazuje tatičku prijeou karakteritiku v i+ kada je uzemlje v i-. Idealo bi bilo očekivati da liearo područje pojačaja bude cetrirao oko vrijedoti v i+ =, što ije lučaj. Kažemo da potoji apoki pomak (eg. offet). azlog tatičkog offeta je u eupareoti trazitora Q/Q i Q3/Q4.
Napoki pomak (oltage Offet) Napoki pomak (eg. voltage offet) e može ugraditi u hemu idealog OP kao ekvivaleti itomjeri apoki geerator o, poje u eriju a + ulaz. Primjer pecifikacije pomaka za OP LM74 je da a lici 4..6. Slika 4..6 Specifikacija apokog pomaka za OP LM74. Pomak je izraže u primjeama velikim pojačajem, kao što prikazuje lika 4..7. Izlazi apo je jedak = ( i + o ) (4.5) Ukoliko e korit LM74, pomakom -m, izlazi apo može imati pomak -. Slika 4..7 Pojačalo geeratorom apokog pomaka o. Promjea apokog pomaka zbog promjee temperature (oltage Offet Drift) Aalizirajmo utjecaj temperature a odziv diferecijalog para prikazaog a lici 4..8. Prvo defiiramo apoki offet izrazom: o = BE - BE Kod trazitora, apo BE i truja kolektora u odreďei izrazima: BE kt IC BE l( ), I kt kt C IS ( e ) ISe q I S gdje je I S truja zaićeja, koja je takoďer ovia o temperaturi. q q BE
Slika 4..8 Sklop za aalizu ovioti apokog pomaka o temperaturi Promjea apoa BE temeperaturom jedaka je: d BE dt k I C l( ) q I S kt qi S dis BE dt T Pa promjea pomaka temperaturom izoi: d dt o d dt BE d dt BE BE T BE kt qi S di S dt kt qi S kt qi Kod upareih trazitora, I S = I S truji drift je ula pa e dobije:: d o dt BE T BE T o Za OP LM74, koji ima makimali pomak od 4 m pri oboj temperaturi, dobije e drift pomaka: d o 4m 3 / K dt 3K Ova vrijedot je koziteta vrijedošću iz pecifikaije OP. Na lici 4..9 prikazaa u dva klopa kojima e može majiti apoki pomak. S Slika 4..9 Kompezacija apokog pomaka (a) pomoću klopova uutar OP (b)pomoću djelitelja apoa kojim e apoom apajaja poištava pomak 3
Ulaza truja i ulazi truji pomak (Iput Bia ad Iput Offet Curret) Bipolari trazitori imaju začaju ulazu truju koja takoďer ima pomak po temperaturi. Obje veličie e daju u pecifikaciji OP. U kritičim primjeama gdje e zahtijeva zaemariva ulaza truja preporučuje e upotreba OP čiji diferecijali par je apravlje od FET (MOS) trazitora. Diferecijali ulazi otpor U pecifikacji e daje i vrijedot ulazog diferecijalog otpora (lika 5.. ). Slew ate faktor lijeđeja Slika 4.. OP ulazim diferecijalim otporom Slew rate (faktor lijeďeja) je veličia koja opiuje koju makimalu promjeu apoa u vremeu dv/dt može lijediti izlaz OP. Ograičeje uglavom ataje zbog ograičeih truja kojima e mogu abijati kodezatori u OP. Prije je pokazaa uobičaje ači (lika 4..) kompezacije frekvecijkog odziva tako da e otvari domiati pol pomoću kodezatora C c koji je poje a kolektor diferecijalog para, što zači da e može abijati makimalom trujom od I bia. Druga traa kodezatora je pojea a apoku raziu izlaza. U tom lučaju je vremeka promjea apoa limitiraa kapacitetom i trujom dv/dt = I bia / C c rijedot lew-rate e mora biti ita za pozitivu i egativu promjeu apoa, jer diferecijali par i drugi elemeti OP uglavom e pokazuju imetričo poašaje. Slika 4.. Sklop za odreďivaje lew-rate OP. 4
Uz lew-rate e četo pecificira poja potpue age - FPBW (eg. full power badwidth). Itereira a do koje frekvecije možemo očekivati potpui prijeo age, bez lew-rate ograičeja. ezu lew-rate i FPBW dobijemo razmatrajem iuog apoa izlaza: v = co(ft). Makimala promjea ovog apoa u vremeu izoi dv/dt max = f Ovdje je ikazaa veza lew-rate, frekvecije i makimalog apoa, što zači da je FPBW = Slew-rate / Primjer: OP po pecifikaciji ima lew-rate./u. Do koje frekvecije će e vršiti prijeo age pri kojem vrši izlazi apo izoi? FPBW =. * 6 / = 59Hz. 4..3 Primjea operacijkih pojačala U opiu primjee pretpotavit ćemo da u operacijka pojačala ideala. Neivertirajude pojačalo i apoko ljedilo Sklop eivertirajućeg pojačala je aalizira u prethodoj ekciji. Najmaja vrijedot pojačaja je. U tom lučaju aziva e apoko ljedilo. Ivertirajude pojačalo Ivertirajuće pojačalo mijeja predzak i veličiu ulazog igala. Ivertiraje zahtijeva da apo a eivertirajućem ulazu bude ula volti (tj da je poje a mau). Pojačaje ivertirajućeg pojačala jedako je odou otpora izmeďu ivertirajućeg ulaza i izlazog priključka i otpora izmeďu ulaza i ivertirajućeg ulaza. Aalizu ekvivaletog klopova ivertirajućeg pojačala vrši e temeljem čijeice da truje i ul i i f moraju biti jedake, jer je apo virtualo jedak apou (u ovom lučaju jedak uli), pa u OP e teče truja. Prema tom pricipu virtuale ule vrijedi: ul / ul = - izl / f, odakle lijedi izraz za pojačaje. G = - f / ul Ulaza impedacija je praktičo jedaka otporu ul. Sklop za zbrajaje Slika 4... Ivertirajuće pojačalo Na lici 4.. je prikaza je klop pojačala za zbrajaje dva igala. Po pricipu virtuale ule i izjedačavajem ulazih truja i truje povrate veze dobije e 5
iz f a a f b b Sklop za oduzimaje diferecijalo pojačalo Slika 4.. Zbrajalo U ovom klopu e korit ivertirajući i eivertirajući ulaz.prema pricipu uperpozicije dobije e: Slika 4.. Diferecijalo pojačalo U pecijalom lučaju kada je = 3 i = 4 dobije e da je izlazi apo proporcioala razlici ulazih apoa: o ( ) U idealom lučaju pojačalo ima bekoačo potikivaje zajedičkog igala (CM->). U praki, vrijedot otpora e razlikuje, što rezultira koačom vrijedošću CM, kojeg e može procijeiti ljedećim razmatrajem: Uzet ćemo da odtupaje od ideale vrijedoti otpora i (i =,...,4) izoi i, ( i = i ( + i ), gdje je i omiala vrijedot od i ). Nadalje, = 3, = 4, i i <<. CM je omjer pojačaja zajedičkog igala Ac i pojačaja razlike igala Ad. Za diferecijali igal, vrijedi = - = d /, i pojačaje izoi : A d o d Za zajedički igal vrijedi = = c, i pojačaje izoi: o A c c 4 3 ( 4 3 ) ( ) 3 4 6
Predzak od i ije pozat pa uzimamo apolute vrijedoti i, što daje CM: A CMM A c d / i i Primjer: Odredimo CM pojačala koje ima pojačaje i toleraciju otpora od %. Prema prethodom izrazu CM = / (4x.) = 5. To zači da zajedičkog igala daje iti apo kao 4m diferecijalog igala. Struji pojačalo I I o u f S Slika 4..3. Strujo pojačalo Pretvarač truje u apo Mogi pretvarači daju truji izlaz, tj. izlaz ima veliki izlazi otpor. To u primjerice foto-diode, eki temperaturi ezori i raze vrte bioloških odi. Proizvedea truja je četo vrlo mala (reda A), pa je potreba obrada igala prije ego što e igal može mjeriti odreďeom točošću. rši e trujoapoka koverzija klopom a like 4..6. Idealo, ako je, tada je izlazi apo klopa jedak ulazoj truji pomožeoj otporom povrate veze: o = I u f Slika 4..4. Pretvarač truje u apo 7
Pretvarač apoa u truju Slika 4..5. Pretvarač apoa u truju 4..4 Itrumetacijko pojačalo Itrumetacijko pojačalo (IP) je u uštii precizo diferecijalo pojačalo kojem u važe ljedeće karakteritike:. elika ulaza impedacija - miimizira ulazu truju tako da e majuje opterećeje mjerog mjeta,. Mala ulaza itomjera truja (truja cureja eg.leakage curret), 3. eliko potikivaje zajedičkog igala (CM), 4. Balairai (imetriči) diferecijali ulazi, 5. Temperaturo tabile karakteritike, 6. Pojačaje e običo odreďuje izborom amo jedog vajkog otporika (od trae koriika), 7. Neimetriči izlaz. S ciljem da e oiguraju željee oobie, običo u ve kompoete oim otpora uutar kućišta itrumetacijkog pojačala. Karakteritike itrumetacijkog pojačala u opiae jegovim pecifikacijama. Neke pecifikacije u amo za odreďee tipove i iu zajedičke za ve IP-e. Druge u veoma bite kada e zahtijeva precizo pojačaje u realim uvjetima. Jedadžba pojačaja: Pojačaje IP-a je odreďeo povezivajem pia iterim otporicima ili vajkim otporicima. Specifikacija odoa izmeďu željeog pojačaja i pojačaja IP-a zove e jedadžba pojačaja. Opeg pojačaja: Ova pecifikacija opiuje opeg pojačaja koji proizvoďač propiuje za propia rad. U praki maje pojačaje može majiti tabilot dok veće pojačaje pojačava razia šuma i drifta. Tehike projektiraja: Itrumetacijko pojačala e temelji a IC operacijkim pojačalima. Najjedotavija kofiguracija IP je prikazaa a lici 4..6. Koriti dva operacijka pojačala jediičim pojačajem, a teret je "plivajući". Ulaza impedacija je velika. Glavi edotatak je emogućot podešavaja pojačaja. 8
Slika 4..6. Ideja izvedbe diferecijalog pojačala pomoću dva OP U cilju elimiiraja prethodog edotatka može e korititi ljedeća hema a like 4..7: Prema pricipu virtuale ule a ulazu diferecijalog pojačala : ai pa truja kroz poteciometar a izoi: I a Na izlazu apo U o izoi o o A ( B ( a) I )( ) a Slika 4..7. Jedotavo itrumetacijko pojačalo Ovdje imamo mogućot da promjeom amo jedog parametra - poteciometra a - mijejamo pojačaje pojačala. Da bi dobili aimetriča izlaz, uzemljeim teretom, koriti e klop a lici 4..8. U odou a prethodi klop, dodao je diferecijalo pojačalo, koje pojačava apo U o i daje aimetriča izlaz. 9
Slika 4..8. Itrumetacijko pojačalo i pojedotavljei prikaz piovima za igal i apajaje Ovdje mo dobili ve oo što je tražeo: veliku ulazu impedaciju, mogućot podešavaja pojačaja jedim otporikom kao i to da je opterećeje jedim krajem vezao a mau. Zapravo, ovaj klop ije išta drugo ego diferecijalo pojačalo koje a ulazima ima dva predpojačala velikom ulazom impedacijom. 4..5 Izolacijka pojačala U razim lučajevima može e dogoditi da a ezor doďe viok apo (pr., 38, 5,,.5K,.5K) i a taj ači može atati oštećeje ureďaja. Oim toga, točka gdje e uzemljuje ezor i točka gdje e uzemljuje pojačalo iu ite jer izmeďu jih potoji mali otpor. Na jemu e tvara apo koji može doveti do zaićeja pojačala ili čak do uišteja ulazih klopova. Zbog toga e korite izolacijka pojačala koje imaju oobiu galvakog odvajaja ulaza od izlaza. Galvakom izolacijom štiti e ljude od trujog udara. Slika 4..Izolacijko pojačalo Potreba izolacijka karakteritika pojačala ajčešće e otvaruje traformatorkom izolacijom ili opto-elektroičkom izolacijom. Prijeo igala kroz izolacijko pojačalo može e otvarivati a više ačia, ažalot uvijek začajom eliearošću. Za potrebe precize itrumetacije, eliearot prijeoa igala e majuje uvoďejem egative povrate prege ili tehike modulacije igala. Nelieara karakteritika klopova za pregu izobličava amplitudu, ali e i frekveciju, tako da e četo koriti frekvecijka ili impulo-širika modulacija. Modulacija je uža ako e želi preijeti i itomjero pojačaje. Oova fukcioala hema izolacijkog pojačala prikazaa je a lici 4... Izlazi igal iz operacijkog pojačala A je modulira, pa e preoi preko izolacijke barijere izoliraim klopom za pregu, a zatim e demodulira dovodi a izlaz ovom referecom uzemljeja. ačuke operacije ad ulazim igalom izvršee u a ulazoj trai.
Slika 4... Pricipijela hema galvakog odvajaja traformatorkom pregom i modulacijom Traformatorko izolacijko pojačalo Traformatorka izolacijka pojačala u pecijalo kotruiraa pojačala kod kojih e potoji galvaka veza ulaza izlazom, iti izvorom za apajaje. Ta veza e otvaruje elektromagetkom pregom. U tu vrhu e korite viokofrekvecijki traformatori malih dimezija, što majuje parazite kapaciteti izmeďu primarog i ekudarog amotaja, a time i kapacitivu pregu. Na ižim frekvecijama jedia potojeća veza je kapacitiva budući da je vrijedot impedacije izolacije reda Ω pf. Na lici 4..3 je imboličo prikazao ozačavaje bloka izolacijkog pojačala. Prikazae u i tipiče vrijedoti parazitih kapaciteta i makimalo dozvoljee vrijedoti apoa izmeďu pojediih ekcija. Slika 4..3. Traformatorko izolacijko pojačalo Zbog vrlo velike impedacije izmeďu ulaza pojačala i mae, tim e pojačalom mogu otvariti faktori potikivaja za igal mreže od 5 Hz reda čak 6 db, a zbog male kapaciteti i vodljivoti izmeďu ulazih priključaka i zemlje, teku male truje, reda μa, kada e izmeďu ulazih priključica i zemlje priključi apo od frekvecije 5 Hz. To je vrlo važo za primjeu u medicikim ureďajima. rlo dobra izolacija izmeďu ulazih i izlazih krajeva, a takoďer prema zemlji omogućava ovom pojačalu da izdrži apo 4 Kef ili u impulima do 8K.
Tipiča fukcioala blok hema traformatorkog izolacijkog pojačala prikazaa je a lici 4..4. Ulazi igal e pojačava u itrumetacijkom pojačalu i tako pojačai apo fazo modulira igal vioke frekvecije ( KHz), dobive iz oovog ocilatora frevecije KHz. Modulirai igal e elektromagetkom pregom preoi preko izolacijke barijere u izlazi dio izolacijkog pojačala do fazog demodulatora koji za demodulaciju koriti igal oovog ocilatora. Polije demodulacije e filtriraju viši harmoici atali u ovom proceu. Izlazi igal e dobiva preko izlazog pojačala, čime e otavlja mogućot podešavaja izlaze razie i impedacije. Slika 4..4 Traformatorki izoliraa pojačala Napajaje pojačala, modulatora i demodulatora vrši e ipravljeim apoom ocilatora a ulazoj i izlazoj trai izolacijkog pojačala, metodom DC/DC pretvorbe. Traformator T je feriti (ima male dimezije) i luži za izolaciju koriog igala, dok traformator T luži za izolaciju apajaja. Pri obradi igala izolacijikim pojačalom ataju greške zbog ljedećih faktora: eliearot prijeoe karakteritike - poebo u proceu modulacije/demodulacije, etabilot pojačaja - ajčešće uzrokovaa tarejem elemeata i karakteritikama traformatora., termički drift-a, ograiče frekvecijki opeg - zbog primijejee modulacije, Optoelektroičko izolacijko pojačalo Optoelektroičku pregu izmeďu ulaza i izlaza otvaruje opto-prežik prikaza a lici 4..5. Ulazo pojačalo pobuďuje LED diodu, koja geerira vjetlo. Svjetlot e preoi kroz izolacijku barijeru do
fototrazitora, gdje e promjee iteziteta vijetloti pretvaraju u promjee truje odoo apoa. Na ovaj e ači može otvariti dobra izolacija ( pf) i dobar koeficijet potikivaja ( 6 db) kao i kod traformatorke prege. MeĎutim, ovaj klop uzrokuje veća elieara izobličeja oko (.5%), veći offet apoa i mogo veći šum. Šum uglavom ataje zbog ejedake emiije vijetloti LED diode. Zbog toga e optoelektroičko izolacijko pojačalo primjejuje za velike igale, gdje šum maje dolazi do izražaja. Optoizolatori e izvode kao kombiacija LED diode i fototrazitora, ili LED diode i fotodiode. Jeftiiji u u odou a traformatorki izoliraa pojačala. Tehika digitale pretvorbe Slika 4..5 Opto-prežik Izoliraje izvora aalogih igala može e izvršiti i potupkom aalogo/digitale pretvorbe igala, prijeoom digitalog igala preko optoizolatora, a zatim rekotrukcijom početog igala preko digitalo/aaloge pretvorbe (lika 4..6). Digitali igal e preoi preko optoizolatora u paralelom ili erijkom formatu, što ovii od ačia A/D pretvorbe. Ukoliko je igal dat kao paraleli, prevodi e u erijki pomoću pomičog regitra i velikom brziom preoi kroz optoizolator. Ovakav potupak je ekoomiča, pogotovu kod višekaalih mjerih utava, kada e igali multiplekerom dovode a jeda A/D koverter i jeda izolacijki tupaj. Slika 4..6 Opto-izolacija digitalih igala Tehika impulo-širike modulacije Na lici 4..7 prikazaa je metoda impulo-širike modulacije koja e koriti pri opto-elektroičkoj izolaciji izvora aalogog igala. Ocilator radi a tabiloj frekveciji f, koja je takta frekvecija za klop mootabilog multivibratora. Širia impula multivibratora modulira e promjeom jegove vremeke kotate t ulazim apoom u prema relaciji t=k u, gdje je k- odgovarajuća kotata. 3
Digitali igal e jedotavo preoi preko optoizolatora, a zatim e itegrirajem i filtrirajem viših harmoika rekotruira origiali ulazi igal, kao što e vidi a dijagramu valih oblika apoa. Slika 4..7 4
4.3 Frekvecijki elektivi klopovi i aktivi filtri Začaju ulogu u obradi aalogog igala vrše filtri koji e realiziraju kao paivi ili aktivi filtri. Predot upotrebe paivih filtara u: vioka liearot širok poja trujog i apokog opterećeja e zahtijevaju poebo apajaje. Nedotaci primjee paivih filtara u: teško je ipuiti zahtjeve kotate vrijedoti ulaze i izlaze impedacije četo je veličia iduktiviteta i kodezatora prevelika za realizaciju iduktiviteti vrše začajo zračeje a okole klopove Prema amjei filtre dijelom a iko propue, vioko propue, pojae filtre i pojae brae ili uie filtre (eg. otch filter), a prema razii izolacije pojaa propuštaja dijele e a filtre prvog, drugog i višeg reda. Filtri prvog reda imaju elektivot koja opada 6dB/okt ili db/dekadi, a filtri -tog reda imaju elektivot koja opada x 6dB/okt ili x db/dekadi. Običo e filtri višeg reda izgraďuju od više ekcija prvog i drugog reda. Prema karakteritici promjee agiba iz pojaa propuštaja uglavom e filtri dijele a tri grupe: Butterworthovi filtri: zadovoljavaju kriterij makimalo rave amplitude karakteritike, a a graičoj frekveciji odziv im opada 3dB. Chebyhevi filtri: imaju ajtrmiji prijelaz iz pojaa propuštaja (lika 4.3.). Potoji više klaa odziva koje e razlikuju po razii valovaja magitude:. db,,5 db, db,.. Beelovi filtri: imaju odziv ajmajom promjeom grupog kašjeja i brz trazijeti odziv Slika 4.3. Frekvecijki odziv i grupo kašjeje za tri tipa filtara Dikuija vih tipova filtara adilazi ovaj tekt, toga e ovdje izoi primjer defiicije Butheworthovih filtara. Temelja je prijeoa fukcija ikopropuog filtra je: H ( ) (4.3.) B ( ) N 5
6 gdje je =/ ormiraa kompleka frekvecija, je graiča frekvecija filtra, B N je Butterworth-ov poliom N-tog tupja, primjerice: 5 4 3 5 4 3 4 3 3,848,765 3,36 5,36 5,36 3,36,7654,848,63 3,44,63 B B B B B (4.3.) Amplituda karakteritika Butterworthova filtra -tog reda je defiiraa izrazom: H / ) ( (4.3.3) Prijeoe fukcije ikopropuog filtra, graičom frekvecijom, dobiju e uptitucijom: ) / ( ) ( H H NP, (4.3.4) Prijeoe fukcije viokopropuog filtra graičom frekvecijom dobiju e uptitucijom: ) / ( ) ( H H P, (4.3.5) Prijeoe fukcije za pojai proput H PP ( ) i pojau brau H PB ( ) dobiju e uptitucijom: ) ( ) ( B H H PP, (4.3.6) ) ( ) ( B H H PB (4.3.7) gdje je B širia pojaa filtra, a cetral frekvecija. Kod aalogih filtara, cetrala frekvecija je jedaka geometrijkoj redii graičih frekvecija d i g, tj. d g d g B, (4.3.8) Primjer: Za prototip prvog reda H ) (, dobiju e NP, P, PP i PB filtri: H LP ) (, ) ( H P, ) ( B B H PP, ) ( B H PB ed filtara tipa pojaog proputa i brae je uvijek dvotruko veći od reda prototipa. Kao što je pokazao izrazom 4.3., poliomi višeg reda u opiai i umoškom polioma prvog i drugog reda, pa e filtri višeg reda e mogu dobiti kakadom vezom filtara prvog i drugog reda. Filtri prvog i drugog reda e jedotavo realiziraju pomoću operacijkih pojačala a ači da e za elemete povrate veze koriti mreža otporika i kodezatora. Nikopropui filtar prvog reda i itegrator Nikopropui filter prvog reda e dobije ako e koriti ivertrajuće pojačalo e elemetima Z = i Z = C, kako pokazuje lika 4.3.a) Prijeoa fukcija tog filtra izoi: C Z Z H ul iz ) (, ) ( C H (4.3.)
Itomjero pojačaje izoi - /, prijelomom frekvecijom = / C, a agib opadaja pojačaja je db/ dekadi (Slika 4.3.). Ulaza impedacija je: Z ul = ; (4.3.) što u većii primjea potavlja doju graicu za otpor. Izlaza impedacija je vrlo malea i u većii primjea zaemariva. C C - - ul ul + iz + iz a) Slika 4.3. a) Nikopropui filtar prvog reda, b) itegrator b) Odtrai li e otporik klop e iu idealom lučaju poaša kao itegrator prijeoom fukcijom H it iz ( ), C pa u vremekoj domei ima odziv ul H it ( ) (4.3.) C v iz (t) = -(/ C) v ul (t) dt. (4.3.3) U praki ovakvi itegrator e djeluje ipravo jer vako realo pojačalo ikazuje apoki pomak, koji e ako majeg vremea itegrira u veći apo, što dovede pojačalo u zaićeje. U praki e toga itegrator uvijek izvodi otporikom paralelo kodezatoru, dakle kao iko propui filtar vrlo ikom prijelomom frekvecijom. Tada je uloga otporika je da ograiči pojačaje itomjerih igala (lika 4.3.). Slika 4.3. Amplituda karakteritika aktivog ikopropuog filtra i idealog itegratora Primjer: Treba projektirati ikopropui filtar, pojačaja, miimale ulaze impedacije k, i prijelomom frekvecijom 6 Hz. 7
Polazi e od otporika =.k; kojim e oigurava da ulaza impedacija bude veća od k. Da bi potigli pojačaje vrijedot otporika treba bit =x= k. rijedot kodezatora e odreďuje iz prijelome frekvecije 6 C = što daje vrijedot C= 4.5 F. iokopropui filtar prvog reda i derivator Kofiguracija viokopropuog filtra prvog reda prikazaa je a lici 4.3.3(a). Kodezator C je ada potavlje erijki u grau otporika, što daje prijeou fukciju. iz Z C H( ), Z C ul H( ) C (4.3.4) C Itomjero pojačaje izoi, prijelomom frekvecijom = / C. Na viokim frekvecijama pojačaje aimptotki e približava vrijedoti /. Pojačaje opada prema ižim frekvecijama agibom db/ dekadi (Slika 4.3.4). Ulaza impedacija je: Z ul = +/jc; (4.3.5) C - C - ul ul + iz + iz a) Slika 4.3.3 a) iokopropui filtar prvog reda, b) derivator b) Slika 4.3.4 Amplituda karakteritika aktivog viokopropuog filtra i idealog derivatora Za =, klop e poaša kao derivator, kojem je prijeoa fukcija jedaka iz / ul = - C. (4.3.6) pa u vremekoj domei ima odziv v iz = - C dv ul /dt. (4.3.7) U frekvecijkoj domei derivatoru odziv rate agibom db/dekadi prema višim frekvecijama (lika 4.3.4). To e e može otvariti realim operacijkom pojačalom. Običo e uvijek umeće eka vrijedot otporika kojim e ograičava porat pojačaja. 8
Može e zaključiti da e u realim klopovima e može otvariti širokopojao djelovaje derivatora ili itegratora. adi tabiloti klopova oi e zamjejuju viokopropuiom odoo ikopropuim filtrima. Jedotavi pojao-propui filtar Potavljajem kodezatora o obje grae povrate veze, kao a lici 4.3.5, dobije e pojao-propui filtar. C C - ul + iz Prijeoa fukcija klopa a lici 4.3.3 jedaka je H( ) Z Slika 4.3.3 Jedotavi pojao-propui filtar C C iz (4.3.8) ul Z C C ( C C ) C C Očito je da e ovakvom realizacijom filtra dobiva odziv jedak odzivu dva kakodo pojea filtra prvog reda. Prvi, viokopropui filtar, ima prijelomu frekveciju d = / C, a drugi, ikopropui filtar, ima prijelomu frekveciju g = / C. Ako u ove dvije frekvecije dovoljo razmakute ( d << g ) pojačaje u cetru propuštaja izoi - /. Ako u pak prijelome frekvecije blike, pojačaje i elektivot filtra opadaju. To zači da e ovakvom realizacijom e dobiva uiverzalo rješeje pojao-propuog filtra. Bolje rješeje bit će opiao u ljedećem odjeljku. Filtri drugog reda U prethodom poglavlju aalizira je odziv općeg utava koji e poaša kao ikopropui filtar drugog reda: H NP ( ) A / Q (4.3.) Butterworthov odziv e dobije kada je Q=, Beelov odziv kada je Q=,5777, a Chebyhev za Q>. Faktor A predtavlja pojačaje u pojau prpuštaja. Za viokopropui filtar itom graičom frekvecijom prijeoa fukcija izoi: H P ( ) A / Q a prijeoa fukcija pojao-propuog filtra drugog reda je: H PP / Q ( ) A / Q (4.3.) (4.3.) 9
Slika 4.3.4 Selektivot pojao-propuog filtra u fukciji Q-faktora Q-faktor ima poebo začeje za elektivot pojao-propuog filtra (lika 4.3.4). O je poveza parametrima filtra: pojaom propuštaja B i cetralim frekvecijom: Q f B f f g f d (4.3.3) Filtri drugog reda e realiziraju zato kompliciraijim mrežama povrate veze ili korištejem više pojačala u petlji povrate veze. Na lici 4.3.5 prikazaa je opća kofiguracija višetrukom povratom vezom (tzv. MFB multiple feedback filter). Slika 4.3.5 Filtri višetrukom povratom vezom (Y, Y,.., Y 5 u otpore ili kapacitive admitacije) Korištejem pricipa uperpozicije, virtuele ule, i uzimajući idealo operacijko pojačalo, dobije e prijeoa fukcija oblika: H( ) iz 3 (4.3.5) ul Y ( Y 5 Y Y Y Y 3 Y ) Y Y 4 3 4 Pomoću ove prijeoe fukcije moguće je realizirati vrlo tabile filtre u audio frekvecijkom pojau, za vrijedoti Q<. 3
Tip Sklop Prijeoa fukcija NP H NP ( ) 3CC5 ( ) C C C 3 4 3 5 P H P ( ) C C4 ( C C3 C4) C C C C 3 4 5 5 3 4 PP H PP ( ) C 4 C3 C4 C C C C 5 3 4 5 3 4 ( ) Tabliba 4.3. prikazuje proraču elemeata filtra, a temelju pecificirae prijelome frekvecije, pojačaja i Q-faktora. Niko-propui filtar ioko-propui filtar Pojao-propui filtar Izaberi C 5 k C 5 C QAk Q ( A) 3 4 C Q( A ) k 4 Qk 5 Izaberi C k C Qk( / A) C3 C C C / A 4 AQ( / A) 5 k Izaberi C 3 k C 3 Ak (Q A) k C4 C 3 5 Q k Tablica 4.3. Potupak proračua elemeata filtra Primjer: Projektiraj ikopropui filtar četvrtog reda tipa Butterworth, pojačaja i graiče frekvecije 5Hz. 3
Butterworthov filter četvrtog reda e realizira kakadom vezom dvije ekcije drugog reda. Uporedbom prototipkog odziva iz izraza (4.3.) i (4.3.): A H( ) /( Q ) A / /( Q ) /.848.7654 odaberemo: A=, A= Q=/,848=,54, Q=/,7654=,365 Zatim e projektira prva ekcija. Polazi e od : C5 = 68pF k= *PI*5*68* - = 6,4885* -5 =/(*A*k*Q) = 44 C=4*Q*Q*(A+)*C5=87,6F 3 = /(*(A+)*k*Q)= 3 4 = /(*Q*k)= 44 Zatim e račua druga ekcija. Polazi e od: C5 = 68pF k= *PI*5*68* - = 6,4885* -5 =/(*A*k*Q) = 597 C=4*Q*Q*(A+)*C5=9,8 F 3 = /(*(A+)*k*Q)= 985 4 = /(*Q*k)= 597 Sve ove vrijedoti e zatim zaokružuju a ajbližu tadardu vrijedot. 3
4.4 SENZOI I MJENI MOSTOI Motovi apajai itomjerim apoom e korite za mjereje temperature, vlažoti, ile i drugih veličia pomoću prikladih ezora. Oova truktura tzv. Wheattoe-ovog mota prikazaa je a lici 4.4.. Izvor igala za apajaje mota ima apo E i i uutarji otpor i. Uutarji otpor detektorkog klopova (mjeri itrumet ili mjeri utav) u dijagoali mota ozače je d. Zadatak detektora je idiciraje ravoteže mota ili mjereje apoa eravoteže mota. Slika 4.4. Oova truktura Wheattoe-vog mota Dva glava ačia rada mota u:. kao ul-detektor ili. kao ureďaj kojim direkto čitamo razliku apoa ili truje. Mot kod kojeg e mijejaju amo dva otporika zove e polumot, dok e kod puog mota mijejaju vi otporici. Za većiu primjea pretvarača koji korite motove, promjea jedog ili više otporika u motu, od eke počete vrijedoti, mora e mjeriti kao idikacija mjeree veličie. Slika 4.4. prikazuje mot otporicima jedakih omialih vrijedoti, ali jeda od jih () varira u ovioti od faktora (+X), gdje je X frakcioala promjea oko ule, kao fukcija mjeree veličie. Slika 4.4. Mot promjeljivim elemetom u amo jedoj grai Slika 4.4.3 Operacijko pojačalo kao moo pojačalo 33
Za mjereje apoa eravoteže mota pogodo je korititi operacijko pojačalo, kao što je prikazao je a lici 4.4.3. ajki otporici moraju biti pažljivo odabrai i da bi e dobilo makimalo potikivaje zajedičkog igala CM. Zbog toga e koriti itrumetacijko pojačalo. Za male promjee apoa, izlazi apo pojačala je proporcioala promjei otpora X. Kada je X ula, izlaz bi trebao biti ula, a greška koja e javlja poljedica je commo-mode-voltage error.. Slika 4.4.4 prikazuje oovu kofiguraciju u kojoj izolacijko pojačalo oigurava očitavaje za mot. Itomjera eergija e pretvara u vioko-frekvecijku i preže preko izolacijke barijere a ektero izolirau mrežu. Slika 4.4.4 Tipiča primjea izoliraog mjerog mota Mot pojačalom Električa hema mota pojačalom prikazaa je a lici 4.4.5. Izvor apoa je izvede kao a lici 4.4.6, da bi e oigurao mali izlazi otpor izvora E. Ovdje e radi o kofiguraciji takozvaog kvazimota kojim e potiže lieari odo izlazog apoa za promjee omialog otpora ezora u puo većem rapou vrijedot otpora, ego je to lučaj kod paivog otporičkog mota. Slika 4.4.5. Mot pojačalom Slika 4.4.6 Na lici 4.4.5 ezorki otporik potavlje je u grau povrate prege pojačala, a je ajčešće trimer. Uvjet za ravotežu mota je 3 4 Izlazi apo pojačala je i 3 3 4 ( ) Ukoliko e za klop izaberu otporici tako da je zadovolje uvjet 3 4 d oda je izlazi apo liearo ovia o promjei otpora d: 34
d i Ova kofiguracija e aziva kvazi-mot jer e može prikazati kao a lici 4.4.7. Nedotatak ove kofiguracije je da ezor ijedim krajem ije poje a mau i što e kroz ezor e može proputiti relativo veća truja, veća od truje pojačala. Slika 4.4.7 Polumot operacijkim pojačalom 35
4.5 Nelieari klopovi operacijkim pojačalima 4.5. Komparator Komparator je klop koje prihvaća dva ulaza apoa i pokazuje koji je apo veći. To je ajjedotavije klop operacijkog pojačala. Komparator može biti operacijko pojačalo u otvoreoj petlji, kao a lici 4.5.. Primijejeo operacijko pojačalo ima pojačaje 5, pozitivi apo apajaja (cc) od 5 i egativi apo apajaja(-cc) od.idikator-lampa pokazuje taje izlaza iz komparatora. Lampa je iključea kada je =, a uključea kada je, bar za dio milivolta. Napoi apajaja i pad apoa a izlazim trazitorima ograičavaju izlaz operacijkog pojačala u opeg apoa out. Slika 4..7 pokazuje izlazi apo u ovioti od razlike dva ulaza apoa ( - ). Na lici e mogu uočiti tri područja:. Područje egativog zaićeja: ( - ) < : je maji od, a iz =,. ) Liearo područje: ( ).m: je za vrlo malu vrijedot veći od, a iz e kreće od do kako ( - ) rate, 3. Područje pozitivog zaićeja ( ) >.m: je veće od za >. m, a iz =. Slika 4.5. Komparator igala 4.5. Pretvarač u apolutu vrijedot - puovali iparavljač za igale ike razie U itrumetaciji e četo koriti pretvarač bipolarog igala u jegovu apolutu vrijedot. To je atavi dio vih uiverzalih voltmetara. Upotreba klaičih diodih iparavljača u motom poju ovdje e e može korititi jer diode za lieari rad trebaju imati apo veći od.6. Ideja je da e diode potave uutar povrate veze kao što prikazuje lika 5.5.. Prvo operacijko pojačalo ima ulogu poluvalog iparavljača. Uutar jegove povrate veze diode D i D u vodljive ili u epropuo polarizirae. Kada vodi dioda D, uzima e da ima otpor ula, pa je pojačaje jadako uli, a kada vodi dioda D pojačaje je -/=-. To zači da je a izlazu poluvalo ipravlje apo. Drugo operacijko pojačalo luži kao umator v i +(-v i ili ), pa e a jegovom izlazu dobije puovalo ipravlje apo, odoo apoluta vrijedot ulazog apoa. 36
Slika 4.5. Puovali ipravljač apoa ike razie (ako e doda kodezator C, oda e a izlazu dobije redja vrijedot ipravljeog igala) Slika 4.5.3 Detektor apolute vrijedoti trujog ulaza Detektor redje vrijedoti Ukoliko u povratu vezu drugog pojačala a like 5.5. potavimo kodezator paralelo otporiku, oda drugi tupaj djeluje kao ikopropui filtar - itegrator - vremekom kotatom T= C. Impulo odziv tog filtra ima oblik ekpoecijale fukcije e -t/t. Prema teoremu kovolucije dobije e izlazi apo: tt t t T viz ( t) vul( ) e d (.) T što je vrijedot koja u vremeu "prati redju vrijedot " igala (eg. ru-time averagig). Uobičajeo e u audio tehici korite vremeke kotate od ili 5m, a ekvivaleti itegratori e azivaju "low" i "fat" itegratori. Poželjo je da vremeka kotata bude bar puta veća od ajiže frekvecije igala koji e mjeri. Slika 4.5.4 Jedotavi voltmetar detektorom redje vrijedoti Slika 5.5.4 prikazuje blok hemu jedotavog voltmetra koji koriti detektor redje vrijedoti. Takovi voltmetri e korite u "uiverzalim" jeftiim voltmetrima. Za takove itrumete e pretpotavlja upotreba za mjereje iuoidog apoa. Baždarei u da pokazuju efektivu vrijedot iuog igala, iako korite detektor redje vrijedoti; 37
rijedot pokazivaja = k f v iz (t) gdje je k f = / faktor oblika jedak omjeru efektive i redje vrijedoti apolute vrijedoti iuog igala. Detektor efektive vrijedoti Ukoliko bi željeli imati detektor prave efektive vrijedoti igala tada u iza apokog djelitelja potrebe tri jediice: jediica za kvadriraje, jediica za itegriraje i jediica za odreďivaje drugog korijea. To prikazuje blok hema a lici 4.5.5. ealizacija ovih jediica u aalogoj tehici je moguća, ali je zato kuplja od ekvivaletog rješeja u kojem e koriti digitala tehika. Slika 4.5.5 oltmetar detektorom efektive vrijedoti Ograičivači apoa i limiteri Četo je potrebo ograičiti vrijedot apoa, primjerice eke vrti A/D kovertera zahtijevaju aalogu kotrolu makimalog ulazog apoa. Ograičeje e provodi i u cilju zaštite ulazih pojačala, poebo u lučaju ako mogući ulazi apo premašuje apo apajaja pojačala. Temelji elemeti koji e korite u zaštitim klopovima u zeer diode i običe diode. Na lici 4.5.6 koriti e poj dviju zeer dioda a uprotim polaritetom. Takovi poj idealo predtavlja bekoaču impedaciju kada je a diodama apoluta vrijedot apoa maja od z+.6, što je jedako zbroju zeerovog apoa i apoa propuo polarizirae diode. Pri većem apou zeer dioda vodi i idealo predtavlja otpor ula. Zbog avedeih vojtava apo a ulazu prvog klopa i a izlazu drugog klopa je limitira a vrijedot ±(z+.6). Kod eivertirajućeg pojačala je dodaa dodata zaštita paraleli protupoj dioda. Oe luže kao zaštita ulaza od preopterećeja. Zaštite diode provedu kada e aruši pricip virtuale ule, tj. kada izlazi apo e lijedi vrijedot koja e dobije u liearom režimu. Slika 4.5.6 Ograičeje apoa pomoću zeer dioda Uzmemo li da je z = i makimala truja kroz diodu 5mA, to zači da e ulaz prvog ljedila može preopteretiti apoom max = ± (I + Z ) primjerice, za =Ω i Z = dobije e max = 5. 38
+ - Slika 4.5.7 Ograičeje apoa zaštita ulaza diferecijalog pojačala. Kao diode običo e korite Shottky diode, jer imaju maji propui apo (3m). Zaštita prekoračeja diferecijalog igala je pomoću erijke veze protupojeih Zeer dioda. Slika 4.5.7 prikazuje kako e diodama pojeim a izvor apajaja štiti ulaz diferecijalog pojačal od preopterećeja. Uzmemo li da je dozvoljea truja kroz diode i ipravljač 5mA tada e ulaz može preopteretiti apoom: max = ± (I + + ) primjerice, za =Ω i + =5 dobije e max = 65. 4.6 TEHNIKE MULTIPLEKSIANJA Multiplekiraje predtavlja takvu vrtu prijeoa u kome e jeda iti utav koriti za prijeo više eoviih poruka. azlikuju e dvije vrte multiplekiraja: Multiplekiraje frekvecijkom rapodjelom. Potupkom modulacije i tralacije pektra za vaki ulazi igal u odreďei položaj a kali frekvecija dobije e širokpojai igal, kojeg e, ako prijeoa, može demodulirati odvojeo za vaki frekvecijki poja. Multiplekiraje vremekom rapodjelom kaala temelji e a teoremu uzorkovaja. Dikretizirajem vakog eoviog igala uzimaju e u točo odreďeim treucima vremea jihovi uzorci koji e u vidu impula preoe utavom. Na izlazu iz propuika ikih frekvecija iz povorke impula e rekotruira origiala kotiuirai igal. Multiplekiraje e može proveti i u digitaloj domei, i to potaje domiata tehologija, jer cijea AD kovertera potaje ve maja. Ovdje će biti opiaa tehika multiplekiraja vremekom rapodjelom koja e još koriti u idutrijkim utavima. Aalogi multipleker omogućava izbor kaala i prijeo aalogih igala od mjerih utava do klopova za pretvorbu, pri čemu e dobiva ušteda broja primijejeih kablova i klopova za obradu mjerog igala. Slika 4.6. Blok hema multiplekera 39
Blok hema multiplekera prikazaa je a lici 4.6.. Poebim kotrolim logičkim klopom odreďuje e ulaz koji e paja a izlaz. Četo e taj potupak poavlja ekvecijalo za ve kaale u jedolikim vremekim itervalima (razlikuju ekvecijali i lučajim pritup) Prva rješeja aalogog multiplekera bila u zaovaa a korišteju mehaičkih prekidača, ajčešće releja (reed relay), pri čemu je ovaj tip prekidača zadržao voju primjeu i u utavima kod kojih e e zahtijeva velika brzia uzorkovaja (do Hz) i kod kojih e traže veliki otpori izolacije kaala. Može e reći da multiplekeri relejima uoe maju grešku ego multiplekeri poluvodičkim prekidačima. Najčešće korištei preklopi elemeti u realizaciji aalogih multiplekerkih klopova u trazitori efektom polja CMOS ili JFET tehologije. Oo čime e odlikuju JFET trazitori jete velika robutot, dok u brzie preklapaja približo ite brzii rada CMOS klopova. Aalogi CMOS klop preklopke prikaza je a lici 4.6.. IO dekoder kotrolira vrata paralelo povezaih P-kaalog i N-kaalog MOSFET-a. Oba prekidača e zajedo uključuju. ezultirajući otpor izmeďu ulaza i izlaz varirati od 5 do k ovio od multiplekera, a povećava e temperaturom. Slika 4.6. Aalogi CMOS prekidi klop Na lici 4.6.3 prikaza je CMOS prekidač (gate) pripadajućim TTL pogokim klopom.. Napo igala (ulazi i izlazi) mora biti izmeďu DD i SSa. Ako je SS uzemlje, igali uvijek moraju biti pozitivi. To je uobičajei lučaj za digitale igale. Ako e prekida aalogi izmjeiči igal, eophoda je dvotruki izvor za apajaje, primjerice, DD=+5 i SS=-5. Kotroli igali moraju biti izmeďu DD i SS. Slika 4.6.3. Dvotruko apajajući CMOS 46 preklopik TTL pogoom 4
Slika 4.6.4 Sklop aalogog multiplekera upravlja logičkim dekoderom U tablici 4.6. dae u karakteritike tri tipa prekidača koji e ajčešće korite za realizaciju multiplekera. Karakteritike prekidača kod multiplekera Tip prekidača Otpor zatvoreog prekidača Slabljeje otvoreog prekidača Brzia CMOS 7dB MHz JFET 5 7dB MHz eed relej, 9dB 5Hz Tablica 4.6.. Karakteritike prekidača kod multiplekera Aalogi multiplekeri u klopovi koji vrše podjelu vremea A/D kovertera od različitih aalogih kaala. Kako je A/D koverter u mogim lučajevima ajkuplja kompoeta u akvizicijkom utavu, multiplekiraje aalogih ulaza do A/D je jeda ekoomiča pritup. Kao što je prikazao a lici 4.6.4, jeda aalogi multipleker e atoji od grupe paralelo vezaih elektroičkih prekidača vezaih za zajedičku izlazu liiju. Samo jeda prekidač je itovremeo uključe. Populare kofiguracije prekidača uključuju 4, 8 i 6 kaala koji u povezai u jedotruku ( igle-eded ) ili dvotruku (diferecijalu) kofiguraciju. Multipleker takoďer adrži klop dekoder-drajver koje dekodira ulazu biaru riječ i vraća je a odgovarajući prekidač. Ovaj klop je poveza pomoću tadardih TTL ulaza i upravlja prekidačima multiplekera pogodom kotrolom apoa. Za prikazai omokaali aalogi multipleker upotreblje je dekoder klop tipa oe-of-eight. 4