wersja mobilna
Online: 308 Czwartek, 2016.12.08

Technika

Przetworniki A/C z wejściem różnicowym upraszczają współpracę z wysokoimpedancyjnymi czujnikami

środa, 30 marca 2016 12:59

Dzięki dużej dokładności przetwarzania, wysokiej odporności na zakłócenia i szumy, przetworniki analogowo-cyfrowe typu delta-sigma są chętnie stosowane do konwersji na postać cyfrową sygnałów z sensorów. Problemy pojawiają się tylko przy ich współpracy z czujnikami o dużej impedancji wewnętrznej lub układami kondycjonującymi sygnał z czujników opartych na chipach o bardzo niskim poborze mocy albo o małym paśmie przenoszenia.

Rodzina przetworników delta-sigma LTC2484 firmy Linear Technology uwalnia konstruktora od tych problemów, bo przez zsymetryzowanie prądów wejściowych, nie ma w tym przypadku konieczności dodatkowego kondycjonowania sygnału.

Na rysunku 1 pokazano przykładowy układ z przetwornikiem LTC2484 i termistorem o rezystancji nominalnej 100 kΩ. Cyfrowe wartości pomiarowe są udostępniane na wyjściu przetwornika za pomocą standardowego szeregowego interfejsu SPI, a prąd pobierany przez układ próbkujący zawarty w przetworniku może zostać oszacowany z zależności:

Dla VREF równego 5 V i obu wejść przetwornika zwartych z masą prąd ten wynosi 1,67 µA.

Rysunek 2 pokazuje sposób podłączenia termistora do symetrycznego wejścia przetwornika, zapewniający minimalizację prądu płynącego przez wejście. Gdy rezystory odniesienia R1 i R4 są dokładnie takie same, prąd wejściowy także jest równy zero, więc przetwarzanie sygnału odbywa się bez błędu. Gdy oporniki te mają tolerancję 1%, maksymalny błąd pomiaru rezystancji termistora wynosi 1,6 Ω i jest on wynikiem przesunięcia poziomu napięcia niesymetrycznego na wejściu przetwornika.

Nadal jest to znacznie mniej niż 1% różnicy w wartości rezystorów, bo przecież wartość nominalna rezystancji termistora wynosi 100 kΩ. Jeśli zatem czujnik nie wymaga dodatkowego wzmacniacza kondycjonującego, jest to rozwiązanie idealne, bo proste i zapewniające bardzo mały pobór mocy zasilającej.

Rys. 1. Przetwornik LTC2484

Rys. 2. Sposób podłączenia termistora bezpośrednio do wejścia symetrycznego

Rys. 3. Po dodaniu wzmacniacza buforującego, termistor pomiarowy może być na potencjale masy

Wydaje się celowe, aby jeden biegun czujnika był na potencjale masy, co umożliwia redukcję zakłóceń i szumów w sytuacji, gdy jest on umieszczony z dala od przetwornika. W takiej sytuacji warto użyć kabla ekranowanego z oplotem dołączonym do masy. Niemniej bez dodatkowego układu buforującego dla podanego przykładu niejednakowe potencjały na wejściu różnicowym spowodowałyby błąd pomiaru rezystancji rzędu 3,5 kΩ w odniesieniu do pełnej skali przetwarzania, a to już jest dużo.

Rysunek 3 pokazuje sposób podłączenia do przetwornika LTC2484 niskomocowego wzmacniacza operacyjnego LT1494 o niewielkim paśmie przenoszenia. Ma on znakomite parametry stałoprądowe i pobiera ze źródła zasilania tylko 1,5 µA. Maksymalne napięcie offsetu wynosi 150 µV, a wzmocnienie w otwartej pętli wynosi 100 000.

Rys. 4. Płytka demo z układem LTC2484

Rys. 5. Oprogramowanie dla płytki demo z LTC2484 - pokazuje szum na wyjściu przetwornika o amplitudzie 600 nVRMS i mikrowoltowy offset

Niemniej małe pasmo przenoszenia rzędu 2 kHz czyni całość niepraktyczną przy współpracy tego układu buforującego z klasycznym przetwornikiem delta-sigma. Dodanie na wyjściu dwójnika RC 1 kΩ-0,1 µF eliminuje tę wadę, bo równoległy kondensator tworzy magazyn ładunku, który zapewnia możliwość popłynięcia przez chwilę prądu do wejścia przetwornika niezbędnego do spróbkowania sygnału. Rezystor w tym układzie oddziela wzmacniacz operacyjny LT1494 od obciążenia pojemnościowego, jakim jest ten kondensator.

Opisanego sposobu podłączenia nie można wykorzystać ze zwykłymi przetwornikami delta-sigma, bo prąd pobierany przez układ próbkujący dla układów o podobnej charakterystyce, jaką ma LTC2484, powoduje powstanie napięcia offsetu około 1,4 mV i błędu pomiarowego 0,69 mV dla pełnej skali, w układzie pokazanym na rysunku 3. W LTC2484 wejście jest symetryczne, co pozwala na eliminację tych błędów pomiarowych przez umieszczenie drugiego identycznego filtru RC na wejściu IN- i tym samym na pełną symetryzację układu.

Mark Thoren
Linear Technology Corporation
Arrow Electronics Poland

www.arroweurope.com