Lucrare 1 final

Laborator BAZELE SISTEMELOR DE ACHIZIŢII DE DATE Lucrarea 1

1

Lucrarea de laborator 1

CIRCUITE PENTRU CONDIŢIONAREA SEMNALELOR I. SCOPUL LUCRĂRII:

Scopul acestei lucrări este de a studia principalele tipuri de circuite electronice utilizate pentru condiţionarea semnalelor. Se vor studia: amplificatoare de instrumentaţie, amplificatoare de izolare, amplificatoare logaritmice şi antilogaritmice, redresoare de precizie. II. NOŢIUNI TEORETICE

2. Circuite de condiţionare a semnalelor

Măsurarea electrică a informaţiilor referitoare la procesele fizice, în scopul memorării şi

redării, pentru control sau comunicaţie, se realizează prin transformarea mărimilor fizice în mărimi electrice utilizând traductoare şi apoi prin prelucrarea acestor semnale prin tehnici analogice sau numerice.

Prelucrarea numerică a semnalelor se realizează prin transformarea semnalelor analogice în semnale numerice folosind un sistem de achiziţie de date. Un astfel de sistem de achiziţie de date controlat de calculator este reprezentat în Fig. 2.1. În multe aplicaţii, la plăcile de achiziţie de uz general sunt conectaţi mai mulţi senzori de diferite tipuri care produc semnale de forme şi domenii diferite. Pentru a fi aplicate la intrările plăcilor de achiziţie, acestor semnale li se face întâi o procesare primară (condiţionare) cu ajutorul unor circuite numite circuite de condiţionare a semnalelor.

Circuitele de condiţionare a semnalelor realizează prelucrarea analogică a semnalelor furnizate de traductoare, în scopul achiziţiei. Acest gen de procesare include funcţii ca: amplificarea şi/sau atenuarea semnalelor, filtrare, izolare electrică (separare galvanică), conversii curent-tensiune, alimentarea punţilor şi liniarizare, etc.

Fig. 2.1 Sistem de achiziţie de date controlat de calculator

2.1. Amplificatoare de instrumentaţie (AI)

Dacă pentru aplicaţii diverse de amplificare de semnal se folosesc amplificatoare operaţionale în diverse conexiuni (inversor, neinversor, diferenţial, integrator, etc.), sunt cazuri în care trebuiesc efectuate măsurători de precizie ale unor semnale de nivel redus, în prezenţa

Traductoare Condiţionare semnal

Placă achiziţie

PC Fenomen fizic


2

unor tensiuni de mod comun mari. Aceste situaţii impun utilizarea unor amplificatoare speciale, de mare performanţă, numite amplificatoare de instrumentaţie. Amplificatoarele de instrumentaţie (AI) sunt amplificatoare diferenţiale în buclă închisă (cu reacţie) cu amplificarea A finită, foarte precis reglabilă, cu impedanţa de intrare foarte mare (109), CMRR de valori ridicate (100 120 dB), iar ieşirea este referenţiată la masă. AI se pot realiza în diferite configuraţii, cu componente discrete şi AO sau integrate în tehnologie monolitică sau hibridă. Schema echivalentă pentru un amplificator de instrumentaţie este prezentată în figura 2.2. Parametrul CMRR (common-mode rejection ratio) - factorul de rejecţie pe mod comun este definit ca raportul dintre amplificarea diferenţială (Ad) şi amplificarea pe mod comun (Ac). La amplificatoarele de instrumentaţie realizate cu componente discrete valoarea lui depinde de performanţele amplificatoarelor operaţionale utilizate şi de împerecherea rezistoarelor.

Figura 2.2. Amplificator de instrumentaţie – schemă echivalentă

Schema unui amplificator de instrumentaţie cu trei amplificatoare operaţionale este prezentată în figura 2.3. Etajul de intrare realizat cu AO1 şi AO2 este un amplificator cu intrare diferenţială ce asigură o impedanţă mare de intrare şi un câştig de tensiune de (1 + 2R2/P1), reglabil din potenţiometrul P1. Etajul realizat cu AO3 este un amplificator diferenţial ce realizează o amplificare de –R4/R3 şi face conversia de la modul diferenţial la modul single-ended (cu referinţă faţă de masă). Amplificarea totală a amplificatorului de instrumentaţie din figura 2.3. este:

)P

R21(

R

R

U

UA

1

2

3

4

i

o (2.1)

Figura 2.3 Amplificator de instrumentaţie cu 3 AO.


3

Un alt amplificator de instrumentaţie realizat cu două amplificatoare operaţionale este prezentat în figura 2.4. Dacă R1/R2 = R4/R3 (în practică se utilizează R1=R4 şi R2=R3 ), câştigul acestui AI se poate regla din rezistorul Rg şi este:

idg

4

3

4ido U

R

R2

R

R1UU

(2.2)

Dacă R1=R2=R3=R4 =R, atunci câştigul amplificatorului devine:

gid

o

R

R12

U

UA (2.3)

Comparativ cu amplificatorul de instrumentaţie cu 3 AO, AI cu 2 AO are factorul de rejecţie pe mod comun mai mic (aproximativ 80 dB pentru o toleranţă a rezistoarelor de 1%).

Figura 2.4 Amplificator de instrumentaţie cu 2 AO.

În continuare sunt prezentate câteva amplificatoare de instrumentaţie integrate monolitice produse de firma Analog Devices: AD521, AD620, AD622, AD627, etc.

2.2 Amplificatoare de izolare

Amplificatoarele de izolare sunt amplificatoare de semnal care realizează o separare galvanică între intrare, ieşire şi sursele de alimentare. El este folosit în situaţiile care necesită o separare galvanică a sursei de semnal faţă de celelalte blocuri de măsurare, inclusiv faţă de sursele de alimentare, pentru realizarea protecţiei componentelor sistemului de achiziţie şi control şi a personalului de exploatare faţă de tensiunile de mod comun ridicate (zeci, sute de volţi) ce pot să apară în cadrul procesului fizic unde sunt amplasate traductoarele de intrare. Un alt domeniu de aplicaţie al amplificatoarelor de izolare este medicina (la aparatura biomedicală), unde pacientul trebuie protejat de supratensiunile care pot apare. Alt avantaj al utilizării amplificatoarelor de izolare este întreruperea buclelor de masă din circuitul de cuplare a sursei de semnal, şi deci reducerea perturbaţiilor care apar la intrare. Structura de principiu a unui amplificator de izolare este prezentată în Figura 2.5. Printre parametrii specifici amplificatoarelor de izolare sunt: - tensiunea de izolaţie – este tensiunea care poate apare continuu în bariera de izolaţie (între

500V şi 3000V); - rezistenţa de izolaţie – de ordinul 1012 şi capacitatea de izolaţie; - IMRR (isolation mode rejection ratios) – factor de rejecţie a modului de izolaţie – exprimă

modul în care tensiunea de izolaţie influenţează tensiunea de ieşire (120 160 dB).


4

Figura 2.5 Schema echivalentă a amplificatorului de izolare

Expresia tensiunii la ieşirea unui amplificator de izolare este:

IMRR

U

CMRR

UUAU izCM

ddout

(2.4)

La amplificatoarele de izolare actuale, izolarea se poate realiza prin cuplaj inductiv (prin transformator) sau prin cuplaj optic. Amplificatoarele de izolare optice au liniaritatea mai slabă decât cele cu cuplaj inductiv, însă se pot obţine tensiuni de izolare mai ridicate (1 2,5kV pentru optocuploare sau 102 103 kV în cazul folosirii unui cablu optic) şi o bandă de lucru mai mare. Transferul semnalului de la amplificatorul de intrare la amplificatorul de ieşire în cazul folosirii cuplajului optic se poate face prin modulaţia de impulsuri în durată sau prin modulaţia în intensitate luminoasă. O schemă de amplificator de izolare care utilizează modulaţia în intensitate luminoasă şi conţine două optocuploare identice este prezentată în figura 2.6 .

Figura 2.6 Amplificator de izolare cu cuplaj optic

Caracteristica de transfer a unui optocuplor este neliniară, de forma IC = kID . Pentru a

liniariza caracteristica de transfer globală a amplificatorului de izolare se folosesc două optocuploare identice. Optocuplorulul OC1 este folosit la izolarea galvanică dintre amplificatorul de intrare şi cel de ieşire, iar optocuplorul OC2 este inclus în bucla de reacţie negativă a amplificatorului de intrare, pentru liniarizarea caracteristicii de transfer a amplificatorului. Rezultă relaţiile:


5

1C

1

i

i1 R

E

R

UI , (2.5)

2C

2

F

o2 R

E

R

UI

Cum diodele electroluminiscente ale celor două optocuploare sunt legate în serie, sunt străbătute de aceeaşi curenţi şi deci rezultă:

I1 = I2 (2.6) Din relaţiile 2.5 şi 2.6. se obţine pentru tensiunea de ieşire expresia:

2C

2

1C

1Fi

i

Fo R

E

R

ERU

R

RU (2.7)

Dacă tensiunile de alimentare E1 şi E2 sunt egale ca valoare şi RC1= RC2, Uo devine:

ii

Fo U

R

RU (2.8)

Exemple de amplificatoare de izolare integrate produse de firma Burr-Brown: Iso100, Iso130 (optic), BB3656 (magnetic), etc.

2.3 Amplificatoare logaritmice şi antilogaritmice

În aplicaţiile practice de măsură şi control se folosesc adesea traductoare cu o caracteristică neliniară. Prelucrarea semnalelor de la aceste traductoare cu amplificatoare liniare clasice nu elimină neliniaritatea. O metodă pentru liniarizarea caracteristicii acestor traductoare constă în folosirea unor circuite de prelucrare a semnalului cu neliniaritate complementară. Un exemplu de acest tip este compensarea neliniarităţii de tip exponenţial a termistoarelor, a traductoarelor optice, etc. prin folosirea unor amplificatoare logaritmice. Amplificatoarele logaritmice şi exponenţiale (antilogaritmice) utilizează caracteristica exponenţială a diodelor semiconductoare şi a tranzistoarelor:

T

BEBEU

U

cskT

qU

csc eIeII (2.9)

unde Ics este curentul de saturaţie al tranzistorului, q – sarcina electronului, T – temperatura absolută a joncţiunii, k - constanta lui Boltzman, UT - tensiunea termică (UT = kT/q).

Schemele de principiu pentru un amplificator cu caracteristică de transfer logaritmică utilizează o diodă sau un tranzistor în reacţia negativă a unui amplificator operaţional (Figura 2.7).

a) b)

Figura 2.7 Amplificatoare cu caracteristică logaritmică. Expresia tensiunii la ieşirea amplificatoarelor logaritmice din figura 2. 7 este:


6

cs

iT

cs

cTbeo RI

UlnU

I

IlnUUU (2.10)

Pentru obţinerea unei caracteristici exponenţiale, dioda sau tranzistorul se conectează în circuitul de intrare. Un amplificator cu caracteristică exponenţială are schema de principiu din figura 2.8. Pentru acest amplificator expresia tensiunii la ieşire este:

T

iCSCo U

UexpRIRIU (2.11)

a) b)

Figura 2.8 Schema de principiu a amplificatoarelor exponenţiale (antilogaritmice). Obs.: funcţia de transfer logaritmică se obţine pentru curenţi mici de intrare, (în domeniul: 1mA zeci nA).

Cum se poate observa din relaţiile 2.10 şi 2.11, aceste scheme introduc erori care provin din dependenţa de temperatură a mărimilor UT şi Ics, iar domeniul de variaţie al tensiunii de ieşire este restrâns. Pentru eliminarea acestor erori în practică se folosesc amplificatoare logaritmice şi exponenţiale compensate cu temperatura. Eliminarea influenţei curenţilor reziduali asupra caracteristicii de transfer se realizează prin utilizarea a două tranzistoare împerechiate şi cuplate termic, iar compensarea variaţiei tensiunii termice cu temperatura se realizează prin introducerea în schemă a unui termistor cu coeficient de temperatură pozitiv. O schemă de amplificator logaritmic compensat termic este prezentată în figura 2.9.

Figura 2.9 Amplificator logaritmic compensat termic

Scriind relaţiile pentru tensiunea de ieşire rezultă:

1be2beT2

To uu

RR

RU

(2.12)

de unde rezultă că

1cs

2cs

1r

4iT

T

2o I

I

RU

RUlnU

R

R1U (2.13)


7

Dacă Q1 şi Q2 sunt împerechiate şi cuplate termic (rezultate mai bune se obţin dacă în locul celor două tranzistoare npn se folosesc arii de tranzistoare) atunci Ics1= Ics2 şi relaţia (2.13) devine:

1r

4iT

T

2o RU

RUlnU

R

R1U (2.14)

Amplificatoarele logaritmice monolitice au performanţe mai bune decât cele realizate cu componente discrete. Ele pot fi configurate extern să opereze ca amplificatoare logaritmice sau amplificatoare exponenţiale. Exemple de amplificatoare logaritmice monolitice produse de firma Analog Devices: AD 755, AD 759.

Amplificatoarele logaritmice au ca domenii de utilizare: sisteme de automatizare, în special în domeniul aplicaţiilor nucleare. Datorită funcţiei lor de transfer, aceste amplificatoare realizează o comprimare de dinamică a semnalelor, având un domeniu dinamic foarte mare la intrare.

2.4. Redresoare de precizie Redresoarele de precizie sunt tot circuite neliniare realizate cu diode şi AO, ce pot redresa cu precizie semnale alternative cu amplitudini reduse. Dioda este inclusă în reacţia negativă a amplificatorului operaţional, care realizează compensarea căderii de tensiune pe diodă, ceea ce va face ca circuitul să redreseze şi tensiuni cu amplitudine foarte mică, de ordinul milivolţilor. Principiul de realizare a redresorului de precizie monoalternanţă este prezentat în figura 2.10. Pe alternanţa negativă, dioda este polarizată direct şi circuitul asigură la ieşire pe o tensiune egală cu cea de intrare (repetor). Dezavantajul schemei este că pe alternanţa pozitivă dioda este blocată, ceea ce duce la întreruperea reacţiei negative şi la saturarea ieşirii operaţionalului.

Figura 2.10 Redresor de precizie monoalternanţă pentru alternanţa negativă

O schemă îmbunătăţită a variantei anterioare este redresorul monoalternanţă cu două diode (inversor) din figura 2.11. Pentru semialternanţa pozitivă a semnalului de intrare, D2 este deschisă şi tensiunea de ieşire este în acest caz

i1

2o U

R

RU ( Ui > 0 ) (2.15)

Pentru semialternanţa negativă a lui Ui, D2 este blocată şi tensiunea la ieşire este zero. Amplificatorul nu se mai saturează deoarece în acest caz reacţia negativă este închisă prin D1.

Pentru redresarea celeilalte alternanţe se schimbă polaritatea diodelor. Redresarea bialternanţă se poate realiza plecând de la schema din figura 2.11 la care se

mai adaugă un amplificator operaţional sumator, ce însumează şi inversează tensiunile Ui şi 2Uo1. Schema redresorului bialternanţă este prezentată în figura 2.12.


8

Figura 2.11 Redresor de precizie monoalternanţă inversor

Figura 2.12 Redresor dublă alternanţă cu ieşire faţă de masă

O altă variantă de redresor dublă alternanţă este prezentată în figura 2.13.

Figura 2.13. Redresor dublă alternanţă cu ieşire diferenţială III. DESFĂŞURAREA LUCRĂRII Partea I - Masurători practice pe machete Se identifica machetele şi se alimentează cu tensiune simetrică +12V şi –12V. 3.1 Studiul amplificatorului de instrumentaţie realizat cu 3 AO (Figura 2.3)

3.1.1. Se aplică la intrările amplificatorului de instrumentaţie un semnal diferenţial sinusoidal cu frecvenţa de 1 Khz şi amplitudinea de 100 mV. Se vizualizează pe osciloscop semnalul la intrarea şi ieşirea amplificatorului (Uin, respectiv Uout) şi se reprezintă grafic. Se reglează amplificarea (câştigul amplificatorului de instrumentaţie) din potenţiometrul P1. Pentru valoare P1min şi P1max se măsoară amplificarea şi se compară cu cea teoretică. Datele se vor trece în Tabelul 3.1.1.


9

Tabelul 3.1.1 Potenţiometrul P1 [K] min. max.

Uin [mV] Uout [V]

A=Uout/Uin A calculat

3.1.2. Se va studia rejecţia pe modul comun aplicând la intrarea amplificatorului un semnal diferenţial sinusoidal cu amplitudinea 100 mV şi frecvenţa de 1 KHz (bornele V1 şi V2), şi un

semnal de mod comun cu amplitudinea între 1V şi 7V. Se va calcula c

d

A

ACMRR .

3.1.3. Comportarea în frecvenţă a amplificatorului de instrumentaţie pentru modul diferenţial. Se aplică la intrare un semnal diferenţial sinusoidal cu amplitudinea de 100mV şi se modifică frecvenţa semnalului între 10 Hz şi 1 MHz. Se va completa Tabelul 3.1.3 (P1 la valoarea max.):

Tabelul 3.1.3 Frecv. 0 10 Hz 100Hz 500Hz 1Khz 10KHz 100KHz 200KHz 500KHz 1MHz

Uout [V] A

Se trasează graficul A=A(f). 3.2 Amplificatorul cu izolare optică

3.2.1. Se va studia funcţionarea şi comportarea în frecvenţă a amplificatorului cu izolare optică din Figura 2.6. Se aplică la intrare o tensiune sinusoidală cu amplitudinea de 100 mV şi frecvenţă variabilă şi se completează tabelul 3.2.1. (pentru amplificare maximă).

Tabelul 3.1.3 Frecv. 0 10 Hz 100Hz 500Hz 1Khz 10KHz 100KHz 200KHz 500KHz 1MHz

Uout [V] A

Se trasează graficul A=A(f). 3.2.2 Se va studia liniaritatea amplificatorului de izolare. Se aplică la intrare (Vi) o tensiune continuă ce varia între –10V şi 10V. Se măsoară tensiunea la ieşirea circuitului în punctul Vo şi se completează tabelul 3.2.1

Tabelul 3.2.1. Vin [V] -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Vo [V] v

Se va trasa graficul Vo =V0(Vin). Se compară cu caracteristica de transfer ideală şi se determină v. 3.3 Studiul amplificatoarelor logaritmice şi antilogaritmice (exponenţiale) 3.3.1 Se va studia funcţionarea unui amplificator logaritmic realizat cu un tranzistor npn (Figura 2.7.a). Se selectează tranzistorul npn din comutatorul K1 şi se aplică la intrare o tensiune continuă pozitivă ce va varia între 0 şi +10V. Se măsoară tensiunea la ieşirea circuitului în punctul Vo şi se completează tabelul 3.3.1

Tabelul 3.3.1. Vin [V] 0 0.5 1 1.5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Vo [mV]

Se va trasa graficul Vo =VoVin).


10

3.3.2 Se va studia funcţionarea unui amplificator exponenţial realizat cu un tranzistor pnp (Fig. 2.8 b). Se selectează tranzistorul pnp din comutatorul K2 şi se aplică la intrare o tensiune continuă pozitivă ce variază între 0 şi 10V. Se măsoară tensiunea la ieşirea circuitului în punctul Vo şi se completează tabelul 3.3.2

Tabelul 3.3.2. Vin [V] 0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 Vo [mV] Se va trasa graficul Vo =V0(Vin). 3.3.3 Se va studia funcţionarea amplificatorului logaritmic compensat cu temperatura din figura 2.9. Se va aplica la intrare o tensiune continuă ce variază între 0 şi 10V şi se completează tabelul următor:

Tabelul 3.3.3 Vin [V] 0 0.5 1 1.5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Vo [mV]

Se va trasa graficul Vo =Vo(Vin). 3.4. Redresoare de precizie

3.4.1. Se identifică machetele de laborator şi se alimentează cu tensiune continuă simetrică +12V, -12V.

3.4.2. Se aplică un semnal sinusoidal cu amplitudinile 100 mV şi 1V la intrările Ui ale redresoarelor din figurile 2.11, 2.12, 2.13 şi se vizualizează tensiunile de la ieşirile redresoarelor pentru cele două cazuri. Se vor reprezenta grafic formele de undă.

Partea a II -a 3.5. Să se simuleze folosind PSPICE amplificatorul de instrumentaţie cu trei operaţionale din figura 2.3 şi să se reprezinte Amd, Amc, în funcţie de frecvenţă, banda de lucru şi CMRR. Pentru simulare se aplică la intrare un semnal diferenţial de amplitudine 10mV şi frecvenţă 1 KHz şi un semnal de mod comun de amplitudine 500mV şi frecvenţa 500 Hz.

3.6. Studiul amplificatorului diferenţial – influenţa neîmperecherii rezistoarelor. Expresia tensiunii de ieşire pentru amplificatorul diferenţial din Figura 3 este:

d1

20 v

R

Rv dacă este îndeplinită condiţia:

4

3

2

1

21

2

43

4

R

R

R

R

RR

R

RR

R

Figura 3. Amplificator diferenţial

vd

0

R1

R3v2

R2v1

2

1

3

-

OUT

+

R4

vo


11

Se simulează folosind PSPICE circuitul din Figura 3. Se aleg rezistenţele de valori egale cu 10k. Se excită amplificatorul cu un semnal diferenţial de amplitudine 10mV şi cu un semnal de mod comun de amplitudine 500mV. Se efectuează analiza în frecvenţă şi se măsoară câştigul diferenţial şi câştigul de mod comun. Rezultatele se trec în tabelul de mai jos. Se atribuie lui R4

aloarea 7,5k şi se repetă analiza. Rezultatele măsurătorilor se vor trece în tabelul următor:

Tabelul 3.6 f(Hz) 1 10 100 1k 10k 100k 1Meg 10Meg R2=10k Ad R2=10k Amc R2=7,5k Ad R2=7,5k Amc

3.7. Să se simuleze folosind PSPICE amplificatorul de instrumentaţie cu doua operaţionale din figura 2.4 şi să se reprezinte Ad, Ac, în funcţie de frecvenţă, banda de lucru şi CMRR.

Temă

Sa se calculeze câştigul unui amplificator de instrumentaţie cu două AO necesar pentru condiţionarea unui semnal de la un senzor de temperatură de tip termorezistenţă (RTD 100) montat într-o punte Wheatstone (figura 4) . Se cunosc: temperatura variază între 0 şi 100 C; valoarea termorezistenţei RTD este 100 la 0 C, iar sensibilitatea termorezistenţei este S = 0,35/C; domeniul tensiunii de la ieşirea amplificatorului este 0 – 10 V pentru temperatura variind între 0 şi 100 C.

Figura 4. Punte Wheatstone pentru măsurarea temperaturii.

Pentru măsurarea temperaturii în domeniul -20 100 C se foloseşte un termocuplu de tip J (fier-constantan) ce are sensibilitatea S = 55 V/C şi furnizează la ieşire o tensiune de -1,1mV la temperatura de –20 C. Să se condiţioneze acest semnal de la ieşirea termocuplului şi să se aducă în domeniul 0 – 10V.

Întrebări

1. De cine depinde CMRR la amplificatoarele de instrumentaţie cu două şi cu trei AO?

2. Parametrul IMRR la amplificatoarele de izolare depinde de frecvenţă? Justificaţi răspunsul.

3. Cum influenţează temperatura performanţele amplificatoarelor logaritmice şi exponenţiale realizate cu un singur amplificator operaţional şi tranzistor?

4. Cum se poate reduce dependenţa tensiunii de ieşire de temperatură la amplificatoarele logaritmice?

5. Ce avantaje prezintă redresoarele de precizie realizate cu amplificatoare operaţionale faţă de cale cu diode?

6.Cum sunt influenţate performanţele redresorului de performanţele amplificatorului operaţional?

Lucrare 1 final

Documents

Transcript of Lucrare 1 final