Kỹ thuật đo và kích thích đầu dò / cảm biến

Giới thiệu Bộ chuyển đổi đầu vào, hoặc cảm biến được phân loại là chủ động hoặc thụ động. Cảm biến thụ động, chẳng hạn như cặp nhiệt điện hoặc điốt quang (ở chế độ đầu ra điện áp) là thiết bị hai cổng biến đổi năng lượng vật lý thành năng lượng điện trực tiếp, tạo ra tín hiệu đầu ra mà không cần nguồn kích thích. Cảm biến hoạt động (giống như mạch hoạt động nói chung) yêu cầu một nguồn kích thích bên ngoài. Có thể tìm thấy các ví dụ về loại cảm biến dựa trên điện trở, chẳng hạn như nhiệt điện trở, RTD (máy dò nhiệt độ điện trở) và thiết bị đo biến dạng; chúng yêu cầu một dòng điện hoặc điện áp để kích thích để tạo ra một đầu ra điện. Bài viết này sẽ xem xét nhiều phương pháp kích từ có thể được sử dụng trong các ứng dụng cảm biến / đầu dò hoạt động và sẽ chỉ ra một số mạch điển hình. Cuộc thảo luận bao gồm những lợi ích và thiếu sót của các kỹ thuật kích thích xoay chiều và một chiều sử dụng dòng điện và điện áp. Việc đo chính xác các tín hiệu tương tự mức thấp với hệ thống thu thập dữ liệu thường đòi hỏi nhiều hơn chỉ là đấu dây đầu ra của bộ chuyển đổi đến mạch điều hòa tín hiệu và sau đó đến bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số. Để duy trì độ phân giải và độ chính xác cao trong hệ thống đo lường, nhà thiết kế phải thận trọng trong việc lựa chọn nguồn kích thích cho đầu dò — và trong sơ đồ đấu dây trường được sử dụng để truyền tín hiệu tương tự mức thấp từ đầu dò tới A / D bộ chuyển đổi. Hình 1 cho thấy một sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thu thập dữ liệu dựa trên bộ chuyển đổi. Tính toàn vẹn của dữ liệu thu được trong các hệ thống này phụ thuộc vào tất cả các phần của đường dẫn tín hiệu tương tự được hiển thị ở đây. Hình 1. Hệ thống thu thập dữ liệu dựa trên đầu dò điển hình. Đối với một nguồn kích thích nhất định, người thiết kế hệ thống phải đối mặt với thách thức đo tín hiệu đầu ra và xử lý các vấn đề có thể phát sinh. Ví dụ, khả năng chống dây và thu nhiễu là một trong những vấn đề lớn nhất liên quan đến các ứng dụng dựa trên cảm biến. Nhiều kỹ thuật đo lường có sẵn để sử dụng nhằm tìm kiếm hiệu suất tối ưu từ hệ thống đo lường. Các lựa chọn chính bao gồm tỷ lệ so với. hoạt động không theo tỷ lệ và 2-wire vs. Kết nối lực / cảm giác 3 và 4 dây Kelvin. Kỹ thuật kích thích Các đầu dò tích cực có thể được kích thích bằng cách sử dụng dòng điện hoặc điện áp được điều khiển. Sự lựa chọn giữa kích từ điện áp và dòng điện nói chung là do người thiết kế quyết định. Trong các hệ thống thu thập dữ liệu, không có gì lạ khi thấy kích thích điện áp không đổi được sử dụng cho cảm biến biến dạng và áp suất, trong khi kích thích dòng điện không đổi được sử dụng để kích thích các cảm biến điện trở như RTD hoặc nhiệt điện trở. Trong môi trường công nghiệp ồn ào, dòng điện kích từ thường được ưa chuộng hơn do khả năng chống ồn tốt hơn. Nguồn kích thích xoay chiều hoặc một chiều có thể được sử dụng trong các ứng dụng đầu dò; mỗi cung cấp những lợi thế và bất lợi. Những lợi thế liên quan đến kích thích dc bao gồm đơn giản trong việc thực hiện và chi phí thấp. Nhược điểm của kích từ một chiều bao gồm khó khăn trong việc tách tín hiệu thực tế khỏi các lỗi một chiều không mong muốn do sai lệch và hiệu ứng cặp nhiệt điện ký sinh. Hiệu số DC không cố định; chúng thay đổi không thể đoán trước được do sự chênh lệch nhiệt độ và cả nguồn nhiệt và nhiễu 1 / f. Mặc dù kỹ thuật kích từ ac đắt hơn để thực hiện, nhưng chúng mang lại nhiều lợi ích về hiệu suất. Kích từ AC hoạt động tương tự như sơ đồ cắt được sử dụng trong các bộ khuếch đại chính xác; nó được sử dụng một cách thuận lợi trong các mạch điều hòa tín hiệu đầu dò để loại bỏ các lỗi bù, nhiễu 1 / f trung bình và loại bỏ các hiệu ứng do các cặp nhiệt điện ký sinh. Với việc giảm độ nhạy đối với nhiễu 1 / f, một tín hiệu đầu ra rõ ràng có thể được tạo ra với dòng kích thích hoặc điện áp thấp hơn nhiều. Giảm kích thích có nghĩa là hiệu ứng tự đốt nóng của dòng điện trong cảm biến điện trở có thể giảm đáng kể. Vì có liên quan đến băng thông tương đối hẹp, nên có khả năng kích thích xoay chiều cũng cung cấp khả năng miễn nhiễm đối với nhiễu RF cao hơn so với kích thích một chiều. Có hai yếu tố chính trong việc lựa chọn một nguồn kích thích sẽ nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống. Đầu tiên, độ phân giải: độ lớn của kích thích phải đủ để sự thay đổi nhỏ nhất trong biến được đo tạo ra một đầu ra từ bộ chuyển đổi đủ lớn để khắc phục tiếng ồn và bù trừ trong hệ thống. Thứ hai, mức công suất: nếu cảm biến là điện trở, người thiết kế phải đảm bảo rằng các tác động tự đốt nóng của dòng điện kích thích chạy qua đầu dò không ảnh hưởng xấu đến kết quả đo được. Hoạt động không theo tỷ lệ Vs Hình 2 cho thấy cấu hình tỷ lệ trong ứng dụng đầu dò cầu. Nguồn tham chiếu giống nhau được sử dụng cho cả kích thích đầu dò và bộ chuyển đổi A / D. Một phần trăm thay đổi nhất định trong kích thích được chống lại bởi sự thay đổi phần trăm tương tự trong quá trình chuyển đổi (hoặc ngược lại). Mã đầu ra ADC, DOUT, là một đại diện kỹ thuật số của tỷ lệ giữa đầu vào của bộ chuyển đổi, AIN, với tham chiếu của nó, VREF. Vì đầu vào cho bộ chuyển đổi và tham chiếu của nó được lấy từ cùng một nguồn kích thích, các thay đổi trong kích thích không gây ra sai số đo. Do đó, trong các cấu hình tỷ lệ, nếu biến được đo bởi bộ chuyển đổi là không thay đổi, mã đầu ra kỹ thuật số từ ADC miễn nhiễm với các biến thể trong kích thích cầu. Vì lý do này, một tham chiếu ổn định chính xác là không cần thiết để đạt được các phép đo chính xác. Hoạt động tỷ lệ là rất mạnh mẽ; nó cho phép đo lường và điều khiển, sử dụng nguồn cung cấp tương tự của hệ thống, để có được độ chính xác độc lập với độ ổn định của nguồn điện áp tham chiếu hoặc nguồn cung cấp kích thích. Vì mức từ chối nguồn điện của hầu hết các bộ ADC là khá cao, nên sự chênh lệch điện áp nguồn không ảnh hưởng xấu đến phép đo. Hình 2. Hoạt động tỷ lệ trong ứng dụng bộ chuyển đổi cầu. Hình 3 cho thấy nhược điểm của hoạt động không tỷ lệ dc. Nó cho thấy một cấu hình phi tỷ lệ điển hình trong ứng dụng đầu dò cầu nối. Như trong ứng dụng trước, ADC xuất ra một mã kỹ thuật số, DOUT, tỷ lệ AIN so với VREF. Trong ví dụ này, mã đầu ra nhạy cảm với những thay đổi tương đối giữa kích thích cầu và điện áp tham chiếu. Bất kỳ sự thay đổi nào trong kết quả điện áp kích thích là sự thay đổi điện áp đầu vào tương tự mà ADC nhìn thấy. Vì tham chiếu độc lập với kích thích, mã đầu ra kỹ thuật số sẽ phản ánh kích thích đã thay đổi. Các mạch không đo tỷ lệ về cơ bản phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu phép đo dựa trên tham chiếu tuyệt đối — hoặc khi một bộ chuyển đổi duy nhất phục vụ nhiều loại đầu vào tương tự không liên quan. Vì các thay đổi về tham chiếu, kích thích, v.v., sẽ không bị loại bỏ nhưng sẽ được phản ánh trong phép đo, nên các tham chiếu và nguồn kích thích có độ chính xác cao, chính xác và ổn định là bắt buộc đối với hầu hết các ứng dụng. Hình 3. Hoạt động phi tỷ lệ trong ứng dụng đầu dò cầu nối. Trong việc thiết kế các hệ thống thu thập dữ liệu có độ phân giải cao, các nhà thiết kế phải luôn ghi nhớ tính hiệu quả về chi phí của hoạt động đo tỷ lệ ở bất cứ nơi nào việc sử dụng nó khả thi. Cấu hình đấu dây Có nhiều cấu hình đấu dây khác nhau có thể được sử dụng khi kết nối với các cảm biến điện trở như RTD và nhiệt điện trở trong các ứng dụng đo nhiệt độ. Các kết nối cơ bản 2, 3 và 4 dây được thể hiện trong Hình 4. Tại sao các định dạng này lại có sẵn, với các mức độ phức tạp và chi phí khác nhau của chúng? Điện trở dây chì có thể gây ra các sai số đo đáng kể nếu không thực hiện các biện pháp phòng ngừa thích hợp để loại bỏ chúng, đặc biệt là trong các ứng dụng RTD 100-W có điện trở thấp. Trong mạch RTD, một dòng điện có điều khiển (thường là không đổi) được chạy qua cảm biến, một điện trở có điện trở tăng dần, lặp lại và xấp xỉ tuyến tính với nhiệt độ. Khi điện trở của nó tăng lên, sự sụt giảm điện áp của nó tăng lên và mặc dù nhỏ nhưng có thể đo được mà không gặp khó khăn gì. Trong một ứng dụng lý tưởng, điện áp đo được chỉ nên bao gồm sự gia tăng điện trở của chính cảm biến. Tuy nhiên, trong thực tế, đặc biệt là trong cấu hình hai dây, điện trở thực tế giữa các cực của cảm biến tại điểm đo bao gồm điện trở của cả cảm biến và dây dẫn. Nếu điện trở của dây dẫn không đổi, nó sẽ không ảnh hưởng đến phép đo nhiệt độ. Tuy nhiên, điện trở của dây thay đổi theo nhiệt độ; và khi điều kiện xung quanh thay đổi, điện trở của dây cũng sẽ thay đổi, gây ra lỗi. Nếu cảm biến ở xa và dây dẫn rất dài, nguồn lỗi này sẽ rất đáng kể trong các ứng dụng RTD, trong đó giá trị danh nghĩa của cảm biến sẽ là 100 W hoặc 1 kW và các thay đổi gia tăng thường theo thứ tự 0.4% / ° C . Các ứng dụng nhiệt điện trở, trong đó các giá trị điện trở cảm biến danh định cao hơn so với RTD, có xu hướng ít nhạy cảm hơn với điện trở chì, vì các dây dẫn ít gây ra lỗi hơn. Hình 4. Cấu hình đi dây điển hình cho cảm biến dựa trên điện trở. Cấu hình 2 dây được hiển thị ở bên trái là kém chính xác nhất trong số ba hệ thống được hiển thị ở trên, vì điện trở dây dẫn, 2RL, và sự thay đổi của nó theo nhiệt độ đóng góp sai số đo đáng kể. Ví dụ, nếu điện trở dây dẫn của mỗi dây là 0.5 W trong mỗi dây, RL sẽ thêm sai số 1-W vào phép đo điện trở. Sử dụng RTD 100 W với a = 0.00385 / ° C, điện trở thể hiện sai số ban đầu là 1 W / (0.385W / ° C) hoặc 2.6 ° C và sự biến đổi của điện trở chì với nhiệt độ môi trường góp phần gây ra sai số khác. Cấu hình 3 dây trong Hình 4 cung cấp những cải tiến đáng kể so với cấu hình 2 dây do loại bỏ một dây dẫn mang dòng điện. Nếu dây đo trở về V (+) cấp vào nút trở kháng cao, không có dòng điện nào chạy trong dây này và không có lỗi dây dẫn nào được đưa ra. Tuy nhiên, điện trở dẫn và đặc tính nhiệt của dây trở lại RTD thành V (-) và I (-) vẫn gây ra sai số, do đó sai số đã được giảm xuống còn một nửa sai số trong hệ thống hai dây. Cấu hình 4 dây trong Hình 4 mang lại hiệu suất tốt nhất, về độ chính xác và đơn giản, so với cấu hình 2 và 3 dây. Trong ứng dụng này, các lỗi do điện trở của dây dẫn và hiệu ứng gia nhiệt nhiệt được loại bỏ bằng cách đo nhiệt độ ngay tại RTD. Các dây trở lại từ RTD thường được đệm bởi một mạch trở kháng cao (bộ khuếch đại / bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số), do đó không có dòng điện chạy trong các dây trở lại và không có lỗi nào được đưa ra. Nếu có sẵn hai nguồn dòng điện phù hợp, có thể thiết kế hệ thống 3 dây về cơ bản loại bỏ bất kỳ điện trở dây hoặc hiệu ứng nhiệt nào. Ví dụ, sử dụng bộ chuyển đổi AD7711, được hiển thị trong Hình 5. Kích thích được cung cấp bởi dòng điện từ nguồn dòng 200 µA phía trên, chạy qua điện trở của dây nối, RL1. Nguồn dòng điện thấp hơn cung cấp dòng điện chạy qua dây đo lường kia, với điện trở RL2, tạo ra sự sụt giảm điện áp về cơ bản bằng và ngược chiều với sự sụt giảm trên RL1, triệt tiêu nó khi được đo chênh lệch. Tổng của hai dòng điện chạy qua dây trở lại (RL3) nối đất một cách vô hại (phép đo vi phân bỏ qua điện áp chế độ chung). Dòng điện 200 µA, chạy qua điện trở 12.5 kW nối tiếp, tạo ra điện áp được sử dụng làm tham chiếu cho bộ chuyển đổi, cung cấp phép đo tỷ lệ. Hình 5. Loại bỏ các lỗi do điện trở dây trường trong các ứng dụng RTD 3 dây. AD7711, một ADC sigma-delta có độ phân giải cao, chuyển đổi điện áp từ RTD sang kỹ thuật số. AD7711 là một lựa chọn lý tưởng của bộ chuyển đổi cho ứng dụng này; nó cung cấp độ phân giải 24-bit, một bộ khuếch đại khuếch đại có thể lập trình trên chip và một cặp nguồn dòng kích thích RTD phù hợp. Như được minh chứng từ ví dụ, một giải pháp hoàn chỉnh có thể được xây dựng mà không cần thêm các thành phần điều hòa tín hiệu. Kích thích AC Hình 6 cho thấy một số nguồn lỗi hệ thống liên quan đến kích thích và phép đo một chiều trong ứng dụng cảm biến cầu. Trong mạch cầu này, không thể phân biệt được bao nhiêu đầu ra dc (và tần số thấp) của bộ khuếch đại thực sự là từ cầu và bao nhiêu là do tín hiệu lỗi. Không thể xử lý các lỗi do nhiễu 1 / f, cặp nhiệt điện ký sinh và các hiệu số của bộ khuếch đại trừ khi một số phương pháp được sử dụng để phân biệt tín hiệu thực tế với các nguồn lỗi này. AC kích thích là một giải pháp tốt cho vấn đề này. Hình 6. Các nguồn lỗi liên quan đến kích từ một chiều trong hệ thống đo lường bộ chuyển đổi cầu. Các tín hiệu từ bộ chuyển đổi cầu, phụ thuộc vào kích thích, thường nhỏ. Nếu kích thích là 5 V và độ nhạy của cầu là 3 mV / V thì tín hiệu đầu ra tối đa là 15 mV. Các nguồn suy giảm thông tin được cung cấp bởi các tín hiệu mức thấp này bao gồm nhiễu (cả nhiệt và 1 / f), điện áp từ các cặp nhiệt điện ký sinh và lỗi bù bộ khuếch đại. Ví dụ, cặp nhiệt điện ký sinh tồn tại trong hệ thống dây điện bình thường. Các điểm nối giữa chất hàn chì thiếc và các vết bảng PC bằng đồng có thể tạo ra hiệu ứng cặp nhiệt từ 3 đến 4 µV / ° C, nếu các gradient nhiệt tồn tại trên toàn mạch. Các mối nối cặp nhiệt điện cũng sẽ tồn tại giữa các vết đồng của bảng mạch và chân kovar của bộ khuếch đại, gây ra lỗi điện áp lớn tới 35 µV / ° C. Trong hệ thống thu thập dữ liệu có độ phân giải cao, những lỗi cặp nhiệt điện này, cùng với lỗi bù bộ khuếch đại và tiếng ồn trong hệ thống, tất cả sẽ cộng lại thành lỗi tần số thấp và dc đáng kể. Kích thích AC là một cách tiếp cận mạnh mẽ để tách các lỗi này khỏi tín hiệu. Bằng cách sử dụng sóng vuông để kích thích xoay chiều, với cực tính của tín hiệu kích thích được đảo ngược giữa các phép đo, các sai số một chiều gây ra có thể được loại bỏ một cách hiệu quả. Sơ đồ cắt này cũng có tác dụng loại bỏ tiếng ồn 1 / f, chiếm ưu thế ở tần số thấp (dc đến vài Hz) trong các ứng dụng này. Hình 7. Cấu hình cầu điển hình sử dụng kích từ xoay chiều. Hình 7 cho thấy cách cấu hình một cây cầu cho kích từ xoay chiều. Cực tính của điện áp kích thích đến cầu được đảo ngược theo chu kỳ thay thế, sử dụng các bóng bán dẫn Q1 đến Q4 để thực hiện chuyển đổi. Tất cả các lỗi tần số thấp và dc gây ra đã được gộp lại với nhau thành EOS. Trong giai đoạn 1, Q1 và Q4 đang bật trong khi Q2 và Q3 tắt; đầu ra, VOUT, được cung cấp bởi (VA + EOS). Trong giai đoạn 2, Q2 và Q3 bật trong khi Q1 và Q4 tắt, với đầu ra, VOUT, được biểu thị bằng (-VA + EOS). Đầu ra thực tế là tổng của hai giai đoạn, cho VOUT = 2 × VA. Các tín hiệu điều khiển cho kích từ xoay chiều phải là các tín hiệu đồng hồ không chồng chéo. Đề án này loại bỏ các lỗi liên quan đến kích thích dc với chi phí của một thiết kế phức tạp hơn. Hình 8 cho thấy một ứng dụng bộ chuyển đổi cầu sử dụng ADC bộ chuyển đổi cầu AD7730, bao gồm tất cả các mạch cần thiết trên chip để thực hiện kích thích xoay chiều và tạo ra kết quả đầu ra được tính toán sau khi chuyển đổi kích thích. Hình 8. Ứng dụng cầu kích thích AC sử dụng bộ chuyển đổi sigma-delta AD7730. ADC AD7730 sigma-delta là thiết bị đầu cuối tương tự hoàn chỉnh cho các ứng dụng đo cân và đo áp suất. Hoạt động từ một nguồn cung cấp + 5-V duy nhất, nó chấp nhận các tín hiệu mức thấp trực tiếp từ bộ chuyển đổi và xuất ra một từ kỹ thuật số nối tiếp. Tín hiệu đầu vào được áp dụng cho giao diện trước khuếch đại lập trình độc quyền, dựa trên bộ điều chế tương tự. Một bộ lọc kỹ thuật số có thể lập trình thông thấp với mức cắt bộ lọc có thể điều chỉnh, tốc độ đầu ra và thời gian giải quyết xử lý đầu ra của bộ điều chế. Có hai đầu vào tương tự độ lợi lập trình vi sai có đệm, cũng như một đầu vào tham chiếu vi sai. Nó chấp nhận bốn phạm vi đầu vào tương tự đơn cực và lưỡng cực từ 10 mV đến 80 mV toàn quy mô. Độ phân giải từ đỉnh đến đỉnh có thể đạt được trực tiếp là 1 trong 230,000 số đếm. Một DAC 6-bit trên chip cho phép bù điện áp tare trong các ứng dụng cân. Giao diện nối tiếp của thiết bị có thể được cấu hình cho hoạt động ba dây và tương thích với bộ vi điều khiển và bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số. AD7730 có các tùy chọn tự hiệu chuẩn và hiệu chuẩn hệ thống, đồng thời có độ lệch bù nhỏ hơn 5 nV / ° C và độ chênh lệch độ lợi nhỏ hơn 2 ppm / ° C. Với mức hiệu suất trôi dạt này, việc hiệu chuẩn tại hiện trường thường là không cần thiết. Trong hình 8, các bóng bán dẫn Q1 đến Q4 thực hiện việc chuyển đổi điện áp kích thích. Các bóng bán dẫn này có thể là bóng bán dẫn lưỡng cực hoặc bóng bán dẫn MOS kết hợp rời rạc - hoặc một chip điều khiển cầu chuyên dụng như 4427 của Micrel có thể được sử dụng để thực hiện nhiệm vụ. Vì điện áp đầu vào tương tự và điện áp tham chiếu được đảo ngược trên các chu kỳ thay thế, AD7730 phải được đồng bộ hóa với các đảo ngược này của điện áp kích thích. Đối với chuyển mạch đồng bộ, nó cung cấp các tín hiệu điều khiển logic để chuyển đổi điện áp kích thích. Các tín hiệu này là đầu ra CMOS không chồng chéo, ACX và ACX. Một trong những vấn đề gặp phải với kích từ xoay chiều là thời gian lắng của tín hiệu đầu vào tương tự sau khi chuyển mạch, đặc biệt là trong các ứng dụng có dây dẫn dài từ cầu nối đến AD7730. Bộ chuyển đổi có thể tạo ra dữ liệu sai vì nó đang xử lý các tín hiệu chưa được giải quyết hoàn toàn. Theo đó, người dùng được phép lập trình độ trễ lên đến 48.75 µs giữa quá trình chuyển đổi tín hiệu ACX và xử lý dữ liệu tại các đầu vào tương tự. AD7730 cũng mở rộng tần số chuyển mạch ACX phù hợp với tốc độ cập nhật đầu ra. Điều này tránh chuyển cầu với tốc độ nhanh hơn một cách không cần thiết so với yêu cầu của hệ thống. Khả năng của AD7730 để xử lý các điện áp tham chiếu giống như điện áp kích thích đặc biệt hữu ích trong kích thích xoay chiều, trong đó việc bố trí bộ chia điện trở trên đầu vào tham chiếu làm tăng thêm thời gian ổn định liên quan đến việc chuyển mạch. Kích từ AC có thể được sử dụng hiệu quả để loại bỏ ảnh hưởng của quá trình tự làm nóng trong các ứng dụng đo nhiệt độ bằng cảm biến điện trở. Khi đo nhiệt độ bằng RTD, bản thân dòng điện kích thích (tuy nhiên nhỏ) sẽ tạo ra I2R, hoặc gia nhiệt Joule, tạo ra nhiệt độ được chỉ định cao hơn một chút so với nhiệt độ được đo. Mức độ tự nóng lên phụ thuộc rất nhiều vào môi trường mà RTD được ngâm. RTD sẽ tự nóng lên đến nhiệt độ cao hơn nhiều trong không khí tĩnh so với trong nước đang chuyển động. Với kích từ một chiều thường được sử dụng, dòng kích từ qua cảm biến phải đủ lớn để sự thay đổi nhiệt độ nhỏ nhất được đo dẫn đến sự thay đổi điện áp vượt quá nhiễu hệ thống, độ lệch và độ trôi của hệ thống. Dòng kích từ cần thiết để khắc phục những lỗi này thường là 1mA hoặc lớn hơn. Nguồn điện bị tiêu tán trong RTD làm cho nhiệt độ của nó tăng lên, gây ra sai số lệch trong phép đo, làm giảm độ chính xác của hệ thống. Ví dụ, sử dụng nguồn kích thích một chiều 1 mA với RTD 1 kW có hiệu ứng tự gia nhiệt 0.05 ° C / mW dẫn đến sai số trôi là 0.5 ° C. Vì nguồn kích từ xoay chiều sẽ làm giảm hiệu ứng bù và trôi, dòng kích từ nhỏ hơn nhiều có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng. Do đó, dòng điện kích thích giảm không chỉ làm giảm các hiệu ứng tự phát nhiệt trong RTD (bằng bình phương của mức giảm dòng điện!); nó cũng làm giảm các lỗi đầu ra tần số thấp và dc liên quan như đã nêu ở trên. Hình 9. Loại bỏ hiệu ứng tự làm nóng trong các ứng dụng đo nhiệt độ RTD bằng cách sử dụng kích thích xoay chiều và AD7730 ADC. Hình 9 cho thấy bộ chuyển đổi tam giác sigma độ phân giải cao AD7730 được sử dụng để đo RTD kích thích xoay chiều. Trong ứng dụng này, AD7730 được vận hành với nguồn cung cấp chia nhỏ, tức là AVDD và DVDD ở các điện thế riêng biệt, và AGND và DGND ở các điện thế riêng biệt. Với sự sắp xếp này, AVDD hoặc DVDD không được vượt quá AGND bởi 5.5V. Do đó, khi hoạt động với nguồn cung cấp tương tự ± 2.5 V, DVDD phải được giới hạn ở +3 V đối với mặt đất kỹ thuật số, là mặt đất hệ thống. Đầu ra ACX của AD7730, điều khiển sự đảo chiều của dòng điện trong ứng dụng này, được thiết lập liên quan đến nguồn cung cấp AVDD và AGND. Khi ACX ở mức cao, dòng điện 100 µA chạy qua RTD theo một hướng; khi ACX ở mức thấp, dòng điện 100 µA chạy theo hướng ngược lại qua RTD. Nguồn dòng chuyển mạch phân cực được phát triển bằng cách sử dụng op-amps U1 và U2 trong cấu hình chuyển đổi điện áp thành dòng điện tiêu chuẩn. AD7730, được cấu hình cho chế độ kích thích xoay chiều, tạo ra sóng vuông ở đầu ra ACX của nó. Trong quá trình chuyển đổi, ADC lấy hai kết quả chuyển đổi-một trên mỗi pha của tín hiệu ACX-và kết hợp chúng trong ADC để tạo ra một từ đầu ra dữ liệu đại diện cho nhiệt độ đo được. Ví dụ: nếu đầu ra RTD trong pha một của tín hiệu ACX là 10 mV và lỗi một chiều do mạch gây ra 1 mV tồn tại do cặp nhiệt ký sinh, thì ADC đo 11 mV. Trong giai đoạn thứ hai, dòng điện kích thích được đảo ngược và ADC đo -10 mV từ RTD, và một lần nữa thấy lỗi dc + 1 mV, cho ra đầu ra ADC là -9mV trong giai đoạn này. Các phép đo này được xử lý trong ADC (11 mV - (- 9mV) / 2 = 10mV), do đó loại bỏ các lỗi do dc gây ra trong hệ thống. Kích từ AC cho phép các dòng điện trong vùng lân cận 100 µA được sử dụng hiệu quả trong các ứng dụng RTD, như thể hiện trong hình 9, làm giảm đáng kể hiệu ứng tự làm nóng. Bởi vì điện áp tham chiếu của bộ chuyển đổi được phát triển bằng cách sử dụng dòng điện kích thích, điện trở của RTD được đo theo tỷ lệ. Do đó, các giá trị điện trở bên ngoài trong bộ chuyển đổi điện áp thành dòng điện không ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống, vì giá trị chính xác của dòng truyền động không quan trọng, khoảng 1%. Do đó, điện trở 100 ppm / ° C là đủ. Tuy nhiên, điện trở của RREF, sử dụng dòng điện để phát triển điện áp tham chiếu ADC, phải ổn định theo nhiệt độ để tránh các lỗi do tham chiếu gây ra trong đầu ra phép đo. Với mạch điện được hiển thị, có thể dễ dàng điều chỉnh phạm vi nhiệt độ đo được từ -200 ° C đến + 200 ° C. Vì lấy tần số dòng có thể tạo ra hiệu số nếu cắt ở tần số dòng (50 hoặc 60 Hz), hoạt động của bộ cắt được đề xuất ở 57 Hz không đồng bộ (khi bộ lọc xảy ra rỗng). Có thể đạt được độ phân giải từ đỉnh đến đỉnh 16 bit khi sử dụng AD7730 trong phạm vi 0-20 mV đơn cực của nó với tốc độ cập nhật 57 Hz. Một lợi ích quan trọng khác của việc sử dụng AD7730 trong các ứng dụng RTD là khả năng miễn nhiễm của nó đối với cả điện trường bức xạ và các vụ nổ thoáng qua nhanh (EFT). Khi hoạt động trong môi trường ồn ào, bạn nên sử dụng AD7730 ở chế độ chặt. Các kỹ thuật ổn định chopper được sử dụng trong AD7730 loại bỏ độ lệch và giảm thiểu độ lệch lệch. Khi AD7730 được vận hành ở chế độ CHOP, chuỗi tín hiệu, bao gồm cả bộ lọc giai đoạn đầu, sẽ bị cắt nhỏ. Điều này làm giảm hiệu suất trôi tổng thể xuống dưới 5 nV / ° C. AD7730 có thể hoạt động trong điều kiện điện trường (1 V / m đến 3 V / m) từ 30 MHz đến 1 GHz với độ lệch phẳng trên toàn dải tần số. Nếu không cắt, hiệu suất bù sẽ giảm khi có điện trường và trôi theo tần số. Tóm tắt Trong thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu có độ phân giải cao, phải cẩn thận trong việc lựa chọn phương pháp kích thích, nguồn kích thích cho đầu dò và sơ đồ đấu dây trường được sử dụng để truyền tín hiệu tương tự mức thấp từ đầu dò đến bộ chuyển đổi A / D. Các bộ biến đổi có thể được kích thích với dòng điện hoặc điện áp xoay chiều hoặc một chiều. DC được sử dụng rộng rãi hơn ac để kích thích, bởi vì các hệ thống sử dụng kích từ một chiều dễ thực hiện và khắc phục sự cố hơn; nhưng chúng có một số nhược điểm. Độ lớn kích thích tại cảm biến phải đủ để sự thay đổi nhỏ nhất cần đo dẫn đến sự thay đổi điện áp vượt quá nhiễu, độ lệch và độ trôi của hệ thống. Nếu sai số một chiều lớn và tiếng ồn tần số thấp được mong đợi, thì kích thích xoay chiều là hữu ích. Nguồn kích thích được bật theo các chu kỳ thay thế, và các biên độ kết quả được đo và lấy trung bình để cung cấp kết quả chuyển đổi. Do đó, kích thích xoay chiều loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu 1 / f và hiệu ứng cặp nhiệt điện ký sinh cảm ứng một chiều trong chuỗi tín hiệu. Điều này cho phép giảm kích thích đáng kể, do đó làm giảm các sai số sinh ra từ quá trình tự gia nhiệt trong các cảm biến dựa trên điện trở. Những lợi ích này thường vượt quá nhược điểm của chi phí thực hiện cao hơn một chút và cần phải cẩn thận để đảm bảo giải quyết thỏa đáng trước khi thực hiện phép đo. Có sẵn các lựa chọn về cấu hình dây cảm biến, bao gồm từ 2 đến 4 dây, tùy thuộc vào độ chính xác cần thiết. Cấu hình bốn dây cung cấp độ chính xác tốt nhất bằng cách loại bỏ các sai số do điện trở của dây dẫn và các hiệu ứng nhiệt trong dây dẫn. Hệ thống có thể được cấu hình với kích thích và tham chiếu chung (tỷ lệ), hoặc với tham chiếu độc lập (phi tỷ lệ). Tỷ lệ đo được ưa thích hơn vì nó cho phép đo lường và điều khiển với độ chính xác cao hơn độ ổn định của nguồn điện áp chuẩn hoặc nguồn cung cấp kích thích. Các phép đo không nhạy cảm với các biến thể kích thích.

Để lại lời nhắn 

Danh sách tin nhắn