Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 156
Archiwum. Sztuczna granica między automatyką, elektroniką i algorytmami (program).
Automatyzowane procesy dzieli się na:
-Ciągłe z dominującą regulacją
-Wsadowe ze sterowaniem sekwencyjnym i regulacją
-Procesy montażu
W nowoczesnych analizatorach mamy dużo automatyki, elektroniki i algorytmów czyli programowania.
Elektronikę dzieli się na produkowaną masowo elektronikę konsumpcyjną mającą nam uprościć i uprzyjemnić życie i elektronikę profesjonalną służąca do zarabiania pieniędzy lub do obrony kraju.
Duże koncerny produkują elektronikę konsumpcyjna i profesjonalną. Inżynierowie między działami koncernu cały czas przepływają. Wybitni specjaliści dzielą swój czas na pracę w różnych działach przy różnych projektach. Rozwiązywanie za trudnych dla konstruktorów problemów to ich zadanie. Stąd radar cywilny i wojskowy z koncernu mają prawie ten sam schemat i większość oprogramowania !
Elektronika profesjonalna produkowana jest w krótkich seriach i w cenie urządzenia dominują koszty jego opracowania. Żaden kraj świata nie jest samodzielny technologicznie. Kraje mające środki z eksportu mogą kupować elektronikę profesjonalną ale jednak liczące się kraje opracowują własne urządzenia mimo iż z wąsko ekonomicznego punktu widzenia wydaje się to nieracjonalne. Szczególnie dotyczy to nowoczesnej broni. W układzie Warszawskim broń opracowuje i produkuje także na eksport ZSRR ale kraje bloku jednak samodzielnie produkują większość broni na licencjach i poważnie ją modernizują. W NATO Francja używa tylko produkowanej przez siebie broni. Niemcy mają własną broń i produkowaną na licencji USA. Japonia produkuje broń własną i na licencji USA ale po udoskonaleniu jest ona lepsza niż amerykański oryginał. Popularny jest pogląd że suwerenne państwo średniej wielkości musi samo produkować większość broni dla siebie jeśli chce dalej zachować swoją pozycje.
Rozwój nauki i technologi jest ewolucyjnym procesem ciągłym i bardzo trudno jest później dołączyć do światowej czołówki. Może to przypominać próbę wsiadania do jadącego już pociągu.
Na przełomie lat 60/70 mikroprocesorem nazywano procesor minikomputera zbudowany z układów MSI – LSI na jednej dużej płycie drukowanej ale już w 1971 roku słowo to przylgnęło wyłącznie do mikroprocesorów monolitycznych.
Mikroprocesory szybko zastosowano w przyrządach pomiarowych a szczególnie analizatorach chemicznych. W laboratoriach badawczych i przemysłowych ( wszelka chemia, petrochemia, kosmetyki, lekarstwa... ) bardzo użyteczny jest Gas Chromatograph czyli GC.
Chromatografia gazowa jest wygodną i wydajną metodą analizy mieszanin związków chemicznych. Można nią także ocenić czystość substancji.
Chromatograf jest niezbędny w zaawansowanym laboratorium petrochemicznym, farmaceutycznym, kosmetycznym, spożywczym i ochrony środowiska.
Nowoczesny Chromatograf jest tam gdzie zarabia się już duże pieniądze a przyszłość tych dziedzin wygląda różowo.
Chromatografia gazowa jest stosunkowo nową dziedziną wiedzy i praktyki. Cały czas powstają
nowe detektory - sensory do chromatografu.
Najważniejszymi i najtrudniejszymi częściami każdego chromatografu gazowego są detektory –
sensory i ich interfejsy a zwłaszcza wzmacniacze elektrometryczne.
W chromatografach stosowane są Detektory Jonizacyjne:
-FID, Flame Ionisation Detector.
-PID, Photo Ionisation Detector.
-ECD, Electron Capture Detector.
-NPD, Nitrogen Phosphorus Detector.
Komora jonizacyjna pobiera znikomy prąd ze źródła napięcia zasilającego 100-300V.
Generalnie nowocześniejsze detektory wymagają mniejszych napięć z podanego zakresu, zdarza
się że mniejszych od 100V.
Sensory elektrometryczne to m.in.:
Conductivity sensor
pH sensor
ORP Redox sensor
Specific ion sensor
Coulometric sensor
Polarographs sensor
Electrometric gas analyser”
Wszystkie komory jonizacyjne i sensory neutronów...
Lepszym ale zdecydowanie droższym przyrządem niż GC jest Spektrometr Masowy czyli MS. Są już urządzenia mające w jednej obudowie GC i MS. Gdy GC okazuje się niewystarczający używa się dopiero MS.
Obsługa analogowego GC jest bardzo trudna i wymaga wysokich kwalifikacji. Przykładowo gdy wybrano za małe wzmocnienie „piki” są małe a gdy wybrane za duże piki są łagodnie obcięte i co gorsza może się wydawać ze to poprawny wykres. Sporządzony wykres i informacje o procesie trzeba dopiero zinterpretować. Podobnie Elektrokardiogram (łatwiejszy do zrobienia) sporządzony przez pielęgniarkę lub młodego lekarza musi zinterpretować (= „opisać”) specjalista kardiolog.
Pierwszy GC z mikroprocesorem wypuszczono w 1974 roku. Program operuje całym procesem: zaworami, reguluje temperatury i ciśnienia i zbiera informacje z sensorów. Przetwarza te informacje i drukuje wykres z opisami przy „pikach” i praktycznie od razu wiadomo jakiej substancji dotyczy pik (jeden z wielu) i ile jej było z próbce.
Uzupełnieniem (też 1974) dla starszych analogowych GC jest mikroprocesorowy „Integrator” (wygląd dużego kalkulatora biurowego z drukarką, koszt dobrego samochodu osobowego ) do którego podano napięcie wyjściowe z GC. Część komputerowa „Integratora” to uproszczony komputer z GC.
Cena skomputeryzowanego GC i MS jest ogromna ale jest to bez znaczenia wobec ścisłego embarga.
Człowiek surowce wydarte Ziemi wieloetapowo przetwarza na poszukiwane dobra. „Chemia” jest ogromnie ważna. Specyficznych i bardzo czystych chemikaliów wymaga nowoczesna produkcja mikroelektroniki.
Podstawowymi systemami każdego chromatografu obsługiwanymi przez elektronikę są:
- system dozowania ( pobranej ) próbki, który może być bardzo rozbudowany i zautomatyzowany
- sterowany dokładny piec
- kolumna chromatograficzna
- detektor lub detektory
Obecnie chromatograf może łączem szeregowym współpracować z komputerem.
Elementami wykonawczymi w chromatografie są ( w zautomatyzowanym pobieraniu próbek silniki krokowe), pompy, zawory, grzejniki, solenoidy, transformatory zapłonowe.
Czy konstrukcja GC to jakiś dziwoląg a wiedza, umiejętności i doświadczenia nabyte przy jego budowie są gdzieś użyteczne ? Czy można w jego konstrukcji kompilować istniejącą wiedzę ?
-Efekt działania programu sterującego zaworami, regulatorami... niczym się nie różni od programu przemysłowego sterownika PLC czy pralki (pralki jest dużo prostszy).
-Wyjścia binarne i analogowe są jak w przemysłowych urządzeniach DCS.
-Układy Sensorów Temperatury (PT100) i Pressure. T i P to przecież najczęściej stosowane sensory w przemyśle.
-Programy regulatorów T i P są takie jak przemysłowych PI-PID. Wymagana dokładność regulacji przy T=130 C jest rzędu 0.1 C
-Mikrokomputer i drukarka oraz jego podstawowe oprogramowanie jest zawsze takie samo
-Tylko elektrometryczna wejściowa część analogowa do sensorów i ADC są nietypowe ale tych sensorów elektrometrycznych jest całą masa !
System elektrometryczny o wysokim stosunku funkcjonalności do ceny
1.Sensory „elektrometryczne” są stosowane w drogich i bardzo użytecznych zautomatyzowanych systemach analitycznych. Sensory te są drogie i racjonalne jest aby system elektroniczny pracujący z nimi wnosił mniejsze błędy niż same sensory. Wynika to z optymalnej Alokacja kosztów.
Przełomowemu amerykańskiemu programowi atomowemu „Manhattan” towarzyszył wysp różnych przyrządów pomiarowych. Obecnie analizatory pracują m.in. w laboratoriach badawczych i produkcyjnych koncernów chemicznych, farmaceutycznych i kosmetycznych czyli tam gdzie są produkowane „pieniądze”. Polska w farmaceutyce i kosmetyce ma niezłą pozycje i wypada ją umocnić. W kosmetykach płaci się głównie za markę i warto inwestować w nasze marki.
Analizatory mogą przez całą dobę nadzorować jakość wody dla wodociągu zastępując prace wielu laborantów.
2.Porzucono już wszelkie inne (na przykład z modulatorami z diodami pojemnościowymi jak w modułach OPA i jeszcze w przyrządach pomiarowych) wzmacniacze operacyjne (=OPA) niż JFet w wykonaniu dyskretnym, hybrydowym, modułowym i monolitycznym. Mniejsze prądy upływu bramki niż tranzystory JFet mają tranzystory MOS ale obecność zabezpieczenia bramki diodami sprawia że prąd upływu jest podobny jak w OPA JFet a szumy napięciowe typu 1/F tranzystorów MOS są potężne. Znane są jednak układy zabezpieczeń Mosfetów wnoszące mały upływ. Szumy napięciowe Mosfeta spadają wraz z rosnącą powierzchnią a rośnie upływ bramki ale jest mały. Jednak przy odpowiednim dla Id napięciu Uds upływy bramki do S i D częściową się znoszą.
3.Do końca pasma akustycznego, przy danej technologi wytwarzania i stałej powierzchniowej gęstości prądu optymalna szumowo powierzchnia chipa JFeta spada odwrotnie proporcjonalnie do pierwiastka z rezystancji Rg źródła sygnału. Stąd dla zastosowań elektrometryczych dedykowane są monolityczne pary „Small Geometry”.
Japoński superniskoszumny JFet 2SK170 do zastosowań Audio ma duży chip o pojemności wejściowej aż 30 pF. Jego poziom szumów jest wręcz nieprawdopodobnie niski. Wykonany technologią o znacznej rozdzielczości ma napięcie odcięcia bramki zaledwie średnio Vp=0.4 V i bardzo wysoką na tle JFetów transkonduktancje przy tym samym prądzie drenu Id.
Użycie tego rodzaju tranzystorów (ale o mniejszej powierzchni) w układzie monolitycznego OPA pozwala uzyskać względnie niewielkie napięcie niezrównoważenia Vos i jego dryft
4.Prąd upływu bramki jest proporcjonalny do powierzchni JFeta i znów do tych zastosowań konieczne są tranzystory Small Geometry. Wraz z napięciem Uds i prądem drenu Id nieliniowo wzrasta prąd jonizacji zderzeniowej bramki przyjmując wartości katastrofalne. Prąd bramki wzmacniaczy OPA JFet z tego względu silnie zależy od napięcia wspólnego i napięcia zasilania OPA.
Prąd upływu circa podwaja się circa co 10 C wzrostu temperatury. Przy stosowanych napięciach i prądach przyrost temperatury spowodowany mocą zasilania pary wejściowej w każdej technologii nie powinien przekroczyć 1C. W obudowie urządzenia gdzie jest elektrometryczny OPA temperatura nie może być podniesiona wydzielanym ciepłem.
5.Z właściwym napięciem Uds i prądem Id przy temperaturze 25C prąd upływu bramki monolitycznej pary Small Geometry JFet 2N5902-5909 nie przekracza 0.2 pA. Można wyselekcjonować egzemplarze o upływie 0.06 pA. Produkowane są też pary JFet o normalnej-typowej powierzchni i o zwiększonej powierzchni. Oczywiście maja większy prąd polaryzacji i mniejsze napięcie szumów. W tych zastosowaniach są bezużyteczne.
6.Niech wejściem bipolarnej pary różnicowej będzie napięcie a wyjściem różnicowe napięcie na rezystorach kolektorowych. Przy zwarciu wejścia i odpowiednich dla różnic tranzystorów trochę (1%) różnych rezystorach kolektorowych dla zerowego napięcia wyjściowego jest tez zerowy dryft termiczny zerowego napięcia niezrównoważenia . Własność tą wykorzystano w precyzyjnych (tylko napięciowo) wzmacniaczach uA725 (Tesla MAA725) i pochodnym OP07 oraz dalszych. Zmniejszenie regulacją napięcia niezrównoważenia zmniejsza jednocześnie jego termiczny dryft. Z reguły jednak dla wzmacniaczy nie precyzyjnych, zmniejszenie zewnętrzną regulacją (tylko pojedyncze OPA mają wyprowadzenia do tej regulacji ) niezrównoważenia napięcia najczęściej zwiększa dryft temperaturowy.
Para JFet wykonana tą samą technologią (bipolarny OPA LM101=ULY7701 ma JFeta w systemie źródeł prądowych ) ma 8-15 razy większe niezrównoważenie niż para bipolarna. Dla uzyskania zerowego dryftu napięcia niezrównoważenia pary JFet zróżnicowanie rezystorów drenowych zwiększa (odwrotnie niż z parą bipolarna ) napięcia niezrównoważenia, w przybliżeniu dwukrotnie. Napięcie to można skasować różnicując prądy super stabilnych źródeł zasilających S1 i S2 pary połączone rezystorem na który powstaje kompensujący spadek napięcia. Sprawa z JFetami jest skomplikowana na tle pary bipolarnej. Rozwiązanie z laserową korekcją rezystorów podali pracownicy Analog Devices (A. Brokaw, M. Maidique. A fast, high precision, laser-trimmed FET input operational amplifier. 1974 IEEE International Solid-State Circuits Conference. Digest of Technical Papers). OPA jest skomplikowany a laserowa korekcja jeszcze podwaja koszt produkcji.
Zatem nie jest to rozwiązanie dla masowej produkcji. Raczej będzie ulepszana technologia monolityczna w której powstaną o wiele lepsze pary JFet wzorem choćby wspomnianego już tranzystora 2SK170
Tylko w konfiguracji odwracającej / transkonduktancyjnej zewnętrzne równoważące napięcie OPA można łatwo i tanio podać.
7.Sam OPA to tylko jeden element kompletnego wejściowego wzmacniacza dla sensora „elektrometrycznego” a jego konstrukcja może generować bardzo duże koszty.
Większość sensorów elektrometrycznych ma charakter źródła prądowego z równoległą pojemnością i wielką rezystancją.
Fotodioda BPW21 ma małą czułość 7nA/lux bowiem jest z filtrem optycznym o charakterystyce podobnej do ludzkiego oka. Przy zerowym napięciu ma pojemność aż 1200 pF bowiem duża jest powierzchnia jej chip.
Wzmacniacze elektrometryczne najczęściej pracują w konfiguracji odwracającej czyli transkonduktancyjnej.
Im większa jest rezystancja sprzężenia zwrotnego Rf tym mniejszy jest w sygnale wyjściowym udział błędu od napięcia Vos niezrównoważenia OPA a w tych wzmacniaczach jest ono dość duże. Największa oporność Rf wynika z największego prądu wejściowego na zakresie i napięcia wyjściowego.
Trudnym problemem jest bardzo duży zakres mierzonych sygnałów z sensora.
W Chromatografie Gazowym prądy mierzone są od 0.5 pA (początek najczulszego zakresu ) do 5uA (koniec najmniej czułego zakresu ) czyli 7 dekad. Przykładowo w analogowym chromatografie użyto jako Rf rezystory 1 MOhm (x 5 uA = 5V), 10 M, 100 M, 1G, 10 G, 100 G (x 0.5 pA= 0.05V).
Obecnie masowo są produkowane małe rezystory metalizowane. Dawniej rezystancje kończyły się na 1 Mohm a obecnie kończą się na 10 MOhm a rzadko 22 MOhm. Przy deklarowanej dokładności 5% mniej niż połowa rezystorów ma większą tolerancje niż 1 %. Serie specjalne rezystorów kończą się na 33 i 68 MOhm ale rezystory te są duże wymiarami i drogie. Niszowe i koszmarnie drogie są rezystory o wielkich wartościach kończą się na 470 Gohm. Są bardzo duże i nie wolno ich dotykać palcami ! Oprócz wysokiej ceny mogą być niedostępne.
Rezystory są przełączne specjalnymi przekaźnikami (czasem z kontaktronami), specjalnymi przełącznikami lub „bezupływowymi” tranzystorami Mosfet bez ochrony bramki. Ochronną folie metalową z tych tranzystorów zdejmuje się dopiero po montażu Mosfetów na PCB i myciu PCB. Układ powinien je chronić ale tu dobrze nie chroni !
Przy przełączaniu zakresu powstaje zakłócenie i w trakcie pracy jest ono praktycznie niemożliwe. Czyli szerokich zakresów musi być mało i konieczne jest stosowanie drogich przetworników ADC o dużej dokładności. Różnica w pomiarze tego samego prądu na sąsiednich zakresach dochodzi do 2-3%.
Ponieważ obwód wejściowy jest rozbudowany trzeba użyć PCB z materiału o najwyższej jakości. Po lutowaniu konieczne jest długotrwałe mycie w myjce ultradźwiękowej ze świeżym roztworem myjącym. Obudowa musi być hermetyczna.
Cyfrowe przyrząd pomiarowe mają przełączniki zakresów najczęściej dekadowe 1,10,100 lub 2, 20, 200 lub 4, 40, 400. Ponieważ dokładność odczytu na lampie oscyloskopowej jest mała stosuje się ciąg zakresów 1, 2, 5, 10... W przypadku gdy sygnał nie jest od razu prezentowany a przetwarzany lepszy jest ciąg 1, 2, 4, 8.. czyli 2^N bowiem kompletną informacje o sygnale otrzymamy przesuwając wyjście przetwornika ADC o N bitów i umieszczając na początku słowa skalę.
Nowsze przyrządy mogą mieć Autoranging o różnych algorytmach. Przykładowo gdy aktualny zakres był za mały i doszło do przesterowania wybrany jest kolejny mniej czuły zakres. Ale nie ma dobrej odpowiedzi na to co system powinien zrobić gdy sygnał jest za mały w stosunku do zakresu. Po powiększeniu czułości może się przecież pojawić większy sygnał i do czasu przełączenia zakresu informacja jest stracona. Zatem do wyboru zakresu potrzebna jest informacja o mierzonym sygnale lub dedykowane rozwiązanie.
W systemach telefonii PCM stosuje się quasi logarytmiczną kompresje i komplementarną ekspansje sygnału. W europejskim systemie A sygnał może być kompresowany analogowo przed 8 bitowym przetwornikiem ADC lub 12 bitowy sygnał z ADC jest logicznie kompresowany do 8 bitów. W pierwszym systemie PCM Bella (znakomicie opisany w BSTJ ) stosowano słowo 7 bitowe i analogowy kompresor na diodach o stabilizowanej temperaturze przed ADC.
Dzięki kompresji szersza jest dynamika czy mniejszy poziom szumów ale kosztem zniekształceń nieliniowych THD czy raczej intermodulacji. Skompresowanego sygnału nie można poddać liniowej filtracji czy innym operacjom.
W radarach i analizatorach spectrum sygnał IF podany jest do scalonych szerokopasmowych wzmacniaczy logarytmicznych zbudowanych na przesterowanych parach różnicowych. Dzięki temu sygnał o dynamice do 90-100 dB można prezentować na ekranie lampy oscylograficznej analizatora.
8.Intersil produkuje scalony monolityczny wzmacniacz logarytmiczny ICL 8048. Ma on typową konfiguracje z dwóch OPA JFet i dwóch tranzystorów bipolarnych. Przy wejściowym sygnale prądowym dynamika wynosi aż 120 dB ! Wzmocnienie jest proporcjonalne do temperatury w skali Kelwina i trzeba użyć termistora do kompensacji a jej dokładność w zakresie temperatur jest słaba.
Podobny układ ICL8049 jest eksponencjalny ale można nietypowo użyć go jako regulowany napięciem wzmacniacz ! Odkryta konfiguracja nigdzie nie jest pokazana. Sygnały są tylko unipolarne.
Hewlett Packard w chromatografach gazowych rodziny 5700 pierwszy użył idei wzmacniacza logarytmicznego z tranzystorem bipolarnym za którym jest wzmacniacz eksponencjalny i do którego podano napięcie ustalające wzmocnienie w ogromnym zakresie. Unowocześnione rozwiązanie to jest stosowane również w najnowszych analizatorach.
Rozwiązanie ma mnóstwo zalet:
-Układ ma dużo niższe szumy niż z rezystorem Rf w sprzężeniu zwrotnym. Szumy są już blisko granicy fizycznej.
-Niewielkie napięcie niezrównoważenia frontowego OPA praktycznie nie wprowadza dodatkowego błędu
-Przełączanie czułości jest bezzakłóceniowe i Autoranging może ze współpracującym ADC się odbywać w czasie przetwarzania sygnału
-Wejście OPA- i C tranzystora logarytmującego może być połączone w powietrzu lub na kołeczku izolacyjnym (wokół GND ) lub przylutowane do gniazda. Możliwe jest użycie „niskiej” czyli standardowej jakości PCB.
-Mały jest błąd liniowości. Z typowymi tranzystorami „Small Geometry” z uzytym układem przełączania zakresów przy czterech zakresach kolejno większych o 10 razy błąd jest poniżej +-0.6% a więc mały.
Napięcie regulujące wzmocnienie musi być proporcjonalne do temperatury w skali Kelwina. Ponieważ temperatura jest dobrze stabilizowana nie ma problemu zależności temperaturowej.
W układach Log – Exp zastosowano równolegle połączone tranzystory NPN i PNP co umożliwia pracę z prądem wejściowym dowolnej polaryzacji. Nie zawsze jest to konieczne ale nawet gdy polaryzacja prądu ma jeden znak to i tak z szumami układ Log musi tolerować marginalny sygnał o przeciwnym znaku.
Wzmocnienia (4 zakresy) przełączane są dwoma sygnałami logicznymi „Range control”. Mankamentem rozwiązania są tylko dwa bity i wymagana wysoka dokładność rezystorów. Można je rozszerzyć do 3 bitów. Osiem zakresów czyli 3 bity są zupełnie wystarczające
Napięcie Ucesat na załączonych dwóch tranzystorach przełącznikach „Range control” jest tu małe (jest zależne od prądów Ib i Ic i może być zerowe !) i ma mały dryft temperaturowy. Wnoszony przez klucze błąd pozwalałby na pracę z 3 a nawet 4 bitami. Wymagane są jednak dokładne rezystory. Przy trzech bitach (wartości rezystorów 1, 2 ,4) z użyciem jednej wartości R rezystora dla MSB dajemy dwa równoległe rezystory, dla kolejnego bitu jeden rezystor a dla LSB dwa szeregowe rezystory. Koszt dwóch dodatkowych rezystorów jest znikomy. 9.Gdy przełączanych wzmocnień ma być więcej Napięcie do regulacji wzmocnienia wzmacniacza Log-Exp można podać z mnożącego (napięcie proporcjonalne do T Kelwina) przetwornika DAC. Dla wymaganej dokładności i wykorzystaniu 3 najstarszych bitów (8 wzmocnień ) potrzebny jest DAC conajmniej 10 bitowy, który nie jest tani.
W szybkich przetwornikach ADC Flash stosuje się łańcuch rezystorów dostarczający napięć do porównań komparatorami. Zaletą tego rozwiązania są dość niskie wymagania na dokładność monolitycznych rezystorów. Łańcuch taki można tu użyć w „DAC” do napięć przełączających wzmocnienia. Osiem napięć (pierwsze to 0V czyli GND ) z łańcucha do regulacji wzmocnienia (pierwsze to GND) wybiera tani analogowy multiplexer /demultiplexer CMOS 4051 sterowany 3 bitami przez mikrokomputer.
Rozwiązanie podobne z przełącznikiem jest znane od wielu lat. Na schemacie pokazano niedawną implementacje. W temperaturze pokojowej 25C na każdym rezystorze 549 Ohm jest napięcie 59.5 mV. Uzyskuje się je przy ustawieniu potencjometru w środku ! Jest ono proporcjonalne do T Kelwina. Napięcie źródła BandGap wynosi 1.22 V.
W masowo produkowanych rezystorach metalizowanych przy deklarowanej dokładności 1% typowo mniej niż połowa rezystorów ma większą tolerancje niż 0.2 %. Po zastosowaniu prostej selekcji nadają się tu do zastosowania.
Przy 8 wybieranych wzmocnieniach iloraz wzmocnień może / powinien być mniejszy od 10 i można wybrać 8 czyli 2^3. Wówczas trzy bity wzmocnienia można złożyć z przesuniętymi bitami z przetwornika ADC ! Przy pełnym wykorzystaniu muliplexera skalowanie jest szersze niż minimalnie potrzeba bowiem 8^7=2097152 czyli więcej niż milion. Przy wyborze ilorazu 4 skalowanie wynosi do 16384. Dla ilorazu wzmocnień 2 skalowanie wynosi 128.
Im mniejszy jest iloraz wzmocnień tym mniejsze są wymagania na ADC ale coraz częściej będzie przełączane wzmocnienie co jednak wprowadza niewielkie zakłócenia.
10.Bez dokładnej stabilizacji temperatury układu Log-Exp napięcie regulujące / wybierające wzmocnienie (w HP V+) musi być Proporcjonalne do Temperatury Kelwina pary tranzystorów Log-Exp. Napięcie dla wybierającego wzmocnienia mnożącego DAC można wypracować na wiele sposobów.
Napięcie wyjściowe taniego, popularnego układu LM335 wynosi T x 10 mV i w temperaturze pokojowej wynosi 2.98 V. Minimalny prąd płynący przez ten układ w obudowie TO92 wynosi 0.45 mA czyli przy najmniejszym napięciu pracy wydziela się w nim moc 1.24 mW powodująca szkodliwy przyrost temperatury o ca 0.3C. Nagrzewanie po włączeniu trwa około 60 sekund. Przyrost temperatury można zmniejszyć stosując radiatorek.
Są też inne przydatne tu układy tego rodzaju także z wyjściem prądowym a nie napięciowym.
Przy zasileniu szeregowego dwójnika QR ( B i C tranzystora Q połączone i jest „diodą”) napięciem BandGap (typowo 1.22V ) na rezystorze jest napięcie proporcjonalne do Temperatury Kelwina. Idee tą pokazano na już omówionym schemacie powyżej. Sensor jest liniowy. Im większa jest wartość rezystora i powierzchnia chipa Q tym większa czułość sensora i pracuje on z mniejszymi prądami. Przy bardzo dużej R czułość dochodzi do 2.6 mV/C.
W pochodnej aranżacji z N szeregowo połączonych Q można użyć dowolnego napięcia N razy większego niż Vbg=1.22V. Korzystne jest użycie tranzystora o większym chipie jak BC337 i mniejszej Rthja. Ponieważ źródła napięcia odniesienia Vbg są rzadko spotykana można podzielić rezystorami większe napięcie z systemu. Znikoma moc strat w tranzystorze / tranzystorach sensora daje znikomy przyrost temperatury czyli błąd.
Cały układ ma być jednak małomocowy bez wydzielania ciepła i podniesienia temperatury.
11.Pomijając prąd jonizacji zderzeniowej (ten musi być pomijalnie mały ) Prąd upływu bramki aktywnego polowego tranzystora złączowego JFet rośnie z Temperatura podobnie jak prąd złącza tranzystora lub diody.
Z podawanych wykresów wynika że przy wzroście temperatury z 25 C na 125 C upływ bramki wzrasta eksponencjalnie około 400-1000 razy. W układzie odwracającym, transkonduktancyjnym OPA można skompensować prąd upływu JFeta upływem „zasilonego” złącza B-C tranzystora ale ta kompensacja jest strasznie zgrubna i toporna. Prąd do kompensacji upływu może dostarczyć tranzystor w konfiguracji WB tak jak tranzystor logarytmujący w pokazanym rozwiązaniu HP. Przy małym upływie bramki powinien to być tranzystor „Small Geometry” tak samo jak tranzystory Log-Exp. Dla P JFet ma być kompensujący upływ tranzystor PNP i dla N JFeta NPN. Prąd kompensujący przy danej temperaturze rośnie eksponencjalnie z podanym napięciem Ueb (B jest dołączona do GND) i rośnie z temperaturą T. Niestety z temperaturą prąd kompensacji może rosnąć za szybko i wystąpiłoby przekompensowanie i przy wzroście T pojawił by się za duży prąd wejściowy przeciwnego znaku niż normalne. W takiej sytuacji napięcie Vbe powinno mieć trochę ujemny współczynnik temperaturowy co jest łatwo uzyskać
N.B. Po raz pierwszy masowo układ do kompensacji prądów polaryzacji wejść bipolarnego OPA zastosowano w układzie OP07. Układ jest zaprojektowany do wyzerowania prądu polaryzacji i efekcie prąd polaryzacji OPA z takim układem jest mniejszy ale może mieć przeciwny znak i ma większy dryft. Do zastosowań gdzie rezystancje widziane na obu wejściach są identyczne jest trochę szkodliwy powiększając dryft.
12.Prąd upływu wejść OPA JFET rośnie z napięciem zasilania. Zjawisko jonizacji zderzeniowej odpowiada za silny wzrost upływu wejść z nieodpowiednim napięciem wspólnym.
Rodzinę wzmacniaczy LF41X (X=1,2,4 to ilość OPA w obudowie. To druga generacja OPA JFET National Semiconductor produkowana ulepszoną technologia ) normalnomocowych rozszerzono o rodzinę OPA niskomocowych LF44X. Pobierają około 150 uA prądu zasilania na jeden wzmacniacz. Prąd upływu wejść jest około 10 razy mniejszy niż w układach normalnomocowych z powodu Small Geometry wejściowej pary JFet.
Przy niewielkim napięciu zasilania i z odpowiednim napięciem wspólnym prąd upływu w temperaturze pokojowej wynosi poniżej 1 pA.
Rodzinę standardowych (Industry Standard) wzmacniaczy JFet TL08X rozszerzono o małomocową rodzinę TL06X. Motorola podaje im prąd upływu 3pA czyli taki jak LF44X ale inni producenci podają dużo większe prądy. Niestety dla TL06X brak jest w Data Sheet wykresu pokazującego prąd polaryzacji w funkcji napięcia wspólnego.
Rodzina ta choć bardziej popularna ma też inne wady i nie jest tu polecana bo jest ryzykowna. Układ Motoroli ma zupełnie inny schemat niż oryginalny układ TL06X TI.
Na wykresie pokazano wpływ napięcia zasilania, samonagrzewanie i napięcia wspólnego na prąd polaryzacji wejść układów LF155/156/157. Wpływ ten jest bardzo silny. W OPA JFET prąd zasilania pary różnicowej jest stabilizowany i wielkość napięcia zasilania ma niewielki wpływ na parametry dynamiczne układu OPA układu Log nie potrzebuje znacznego napięcia zasilania co jest kolejną jego zaletą. Dodatkowo małomocowe OPA o małym prądzie wejść praktycznie się nie podgrzewają przy małym napięciu zasilania. Ewentualne asymetryczne względem GND zasilanie powinno zadowolić wymagania na wejściowe Napięcie wspólne i zakres napięcia Wyjścia. W razie potrzeby poziom wyjścia można łatwo przesunąć.
IC LF44X przy współpracy z sondą pH wprowadza mniejszy błąd niż układ pH-metru !
W części sensorów- analizatorów chemicznych OPA pracuje w konfiguracji nieodwracającej. Dla większości takich sensorów prąd polaryzacji 1pA jest satysfakcjonujący.
13.Czułość 7 nA/ lx fotodiody BPW21 jest niewielka dlatego że wyposażona jest ona w filtr optyczny dający jej podobną charakterystykę spektralną jak ludzie oko.
Przy dużych napięciach wstecznych charakterystyka diody jest podobna jak diody Zenera i to nas nie interesuje. Przy niewielkich napięciach jest ona nieliniową rezystancją. Ta zaciemniona fotodioda w temperaturze pokojowe ma przy napięciu wstecznym 5 V prąd upływu 2 nA czyli oporność 2.5 G ale przy napięciu 10 mV prąd 8 pA czyli oporność 1.25 G, dwa razy mniejszą. Przy napięciu 1 mV oporność spada do 1 G. Przy napięciu 10 mV w kierunku przewodzenia (!) prąd wynosi 10 pA. W układzie wzmacniacza transkonduktancyjnego z wejściem „+” OPA dołączonym do GND na wejściu ”-„ jest napięcie niezrównoważenia OPA. Napięcie to na fotodiodzie daje prąd upływu który winien być identyczny jak prąd upływu OPA ale z przeciwnym znakiem. Odpowiednie napięcie na wejściu „-” OPA można tez uzyskać podając napięcie do wejścia „+” OPA.
Gdy fotodioda i OPA JFet są w tej samej temperaturze prądy upływu pod wpływem temperatury zmieniają się podobnie co jest bardzo korzystne. Możliwe są takie rozwiązania:
-OPA selekcjonowane są na taki znak napięcia niezrównoważenia przy których prądy upływu fotodiody i OPA się odejmują.
-OPA może być selekcjonowany na napięcia niezrównoważenia przy którym średnio prądy się odejmują dając małą różnicę.
-Układ może posiadać regulowany dzielnik napięcia dla wejścia „+” OPA dla uzyskania kasowania się prądów upływu.
W przypadku użytego OPA LF441 zasilanego niskim napięciem z napięciem wspólnym obniżającym prąd polaryzacji wejścia napięcie niezrównoważenia wejścia wynosi średnio 1 mV a prąd 1 pA co daje oporność 1 G taką jaką ma fotodioda BPW21.
Oczywiście trzecie rozwiązanie jest najlepsze ale wymaga regulacji. Jednak już dwa pierwsze rozwiązania dają rezultat lepszy niż potrzeba.
14.Sygnał analogowy (z sensora) z szumami przed podaniem do próbującego przetwornika analogowo – cyfrowego trzeba poddać dolnoprzepustowej filtracji antyaliasingowej. Filtr ten powinien mieć w paśmie przepustowym płaską charakterystykę opóźnienia grupowego aby nie zniekształcał liniowo uśrednionego sygnału. Taki filtr jest niestety w nieusuwalnej kolizji z akcją Autoranging.
ADC z podwójnym całkowaniem ma wiele zalet i jest jego wiele ulepszonych wariantów pochodnych. Osiągana jest dokładność 6 1/2 cyfry. W 16 bitowym przyśpieszonym ( okres 20 us) ADC stosuje się szybkie zgrubne rozładowanie integratora a po nim dokładne prądem 256 razy mniejszym. ADC z podwójnym całkowaniem pracuje w masowo produkowanych układach CMOS mierników ICL7106. Ten ADC korzystnie tłumi sygnały „pozapasmowe”.
Ponieważ sygnał wejściowy jest całkowany tylko przez część cyklu przetwarzania A->D informacja zawarta w przetwarzanym sygnale poza tym czasem jest bezpowrotnie stracona. W zastosowaniu do GC bez filtru antyalisingowego jest to dyskwalifikująca wada. Co gorsza czas całkowania jest z reguły krótszy niż decałkowania.
Wadę tą można praktycznie usunąć stosując serie (przykładowo 100) bezpośrednio następujących po sobie szybkich przetworzeń A->D aby wyeliminować jeden długi czas decałkowania i podzielić go na wiele części. Jeśli w którymś elementarnym (jednym z przykładowych 100) przetworzeniu sygnał wyjdzie poza zakres (lub lepiej potencjalnie chce wyjść poza zakres) wykonuje się automatycznie autoranging. Z kolei gdy sygnał jest „za mały” za cały okres to Autoranging go powiększa dla kolejnego okresu. Taka doskonała funkcjonalność Autoranging praktycznie zwalnia operatora ze wstępnego ustalenia zakresu !
Starszym rozwiązaniem ADC dla GC jest przetwornik V/F. Sygnał jest w nim ciągle podany do integratora i informacja nie jest tracona. Przetworniki V/F firm AD i BB są dokładne ale okropnie drogie i niedostępne. Ale niewiele gorsze parametry ma bardzo popularny (inni producenci a także ZSRR) i tani układ LM331. Do dokładnego przetwarzania konieczna jest praca z dodatkowym wzmacniaczem operacyjnym ale komplikacja jest niewielka.
Bez scalonego przetwornika V/F można przykładowo użyć bardzo dokładnego systemu z tanim kluczem CMOS rozładowującym naładowany kondensator jako Charge Pump.
Impulsy z przetwornika V/F może zliczać mikroprocesorowy układ licznikowy 8253 lub inny lub peryferia w mikrokontrolerze.
Implementacja funkcjonalności Autoranging bez utraty informacji również jest możliwa.
15.Hewlett Packard produkuje od dawna jedne z najlepszych przyrządów pomiarowych świata. Także bardzo skomplikowane i bardzo drogie. Znakomite są przyrządy do telekomunikacji analogowej i cyfrowej - przewodowej, mikrofalowej i światłowodowej.
N.B. Telekomunikacja to w I Świecie to ogromny interes. ATT jest największym pracodawcą w USA.
Obecnie praktycznie wszystkie urządzenia mają już wbudowany mikrokomputer z szeregowym interfejsem do komputera. Znakomicie upraszcza to budowę na przykład systemu testowego na przykład do silnika lotniczego. Coraz szersza jest oferta urządzeń medycznych.
W 1967 roku HP kupił projekt na minikomputery do sterowania swoich przyrządów i przetwarzania danych z nich. Ale stopniowo rozwijane komputery się też usamodzielniły.
Każdy produkt z wbudowanym mikrokomputerem – mikrokontrolerem ma wbudowany program. Coraz więcej „towarów” bez wbudowanego mikrokomputera staje się tanie a potem niesprzedawalne. Udział kosztów opracowania tego programu w całości kosztów stale rośnie i według prognoz dalej będzie rósł.
Względna cena prostego mikrokomputera wbudowanego w lokomotywę lub oceaniczny statek jest znikoma. Światowa produkcja mikrokontrolerów (I miejsce Japonia i a drugie USA ) rośnie ponad 20% rocznie. Mikrokontrolery mają coraz większe możliwości.
Komplikacja i trudność stworzenia „wbudowanego” programu jest z reguły wysoka. Do zastosowań wbudowanych często trzeba dopiero opracować algorytm i zadanie jest bardzo trudne. Do szerokiego zastosowania wbudowanych mikrokomputerów trzeba wyszkolić kadrę inżynierów – programistów. Bez tego będziemy coraz bardziej odstawać od światowych liderów.
Cena minikomputera VAX czy innego w niewielkiej konfiguracji niestety przekracza 20 tysięcy dolarów. Domowe rozrywkowe mikrokomputery ZX Spectrum, Atari, Commodore... są tanie ale niestety nie mają realnie pamięci masowej (żałosna kaseta magnetofonowa ) oraz interfejsu komunikacyjnego. Kompilatory dla nich są ubogie
Do komputerka ZX Spectrum stworzono układ zawierający 13 bitowy całkujący przetwornik ICL7109 ( schemat ADC jak w mierniku ICL7106) poprzedzony 8 wejściowym multiplexerem CMOS 4051 oraz PIO 82C55 i układ dekodera adresu.
Jest dla niego wiele pokazowych „zastosowań”. Widać że granica między automatyką, elektroniką i algorytmami (program) jest trochę sztuczna.
Patent 307. Całkujący przetwornik ADC o wysokiej dokładności do scalenia w technologi CMOS.
Idea podwójnego całkowania została zastosowana w układach CMOS 3 1/2 cyfrowych mierników ICL7106 ( i pochodnych ) gwałtownie zyskujących popularność. Ale w zasadzie każdy koncern mikroelektroniczny ma podobny układ lub chipset (czyli 2 układy tworzące razem kompletny system ) AD, LM, MC, LC. W 4 1/2 cyfrowym układzie ICL7126 algorytm pomiaru już znacznie rozbudowano.
W DVM 6 1/2 cyfrowych cykl pomiaru wynosi kilka sekund. Upływ kondensatora integratora, liniowość wzmacniacza integratora oraz szybkość i dokładność komparatora realnie ograniczają dokładność ADC z podwójnym całkowanie do poniżej 5 cyfr.
Poważną wadą ADC podwójnego całkowania jest użycie sygnału wejściowego do całkowania tylko przez mniejszą część cyklu pomiaru. Pominięta informacja jest bezpowrotnie stracona.
Informacja nie jest tracona w przetwornikach V/F ale z racji dryftów czasów działania kluczy i dryftów pojemności nie są to układy dokładne. Lepsze są układy z przełącznikami CMOS pracującymi jako Charge Pump ale idąc dalej dochodzimy do bardzo skomplikowanego ADC Sigma Delta z filtrem cyfrowym (do 50 K tranzystorów CMOS) a to już inny temat.
Z konwencjonalną ideą podwójnego całkowania Autoranging jest tylko prymitywny i połączony z utratą informacji.
W proponowanym i sprawdzonym (logika układu zbudowana z TTL i CMOS ) praktycznie rozwiązaniu sygnał wejściowy do integratora podany jest ciągle. Napięcia przez cały okres pomiaru do celu decałkowania podawane są tylko gdy poziom wyjścia Integratora podany do złożonego komparatora przekracza pewną wartość. Decałkowania odbywają się do każdorazowego spadku napięcia na Integratorze do Zera. Czas załączenia kluczy ( w tym czasie impulsy zegarowe (rezonator kwarcowy) zlicza licznik wyniku) jest na tyle duży (wiele cyklów zegara) że dryft ich czasów operacji jest pomijalnie mały. W ostatniej fazie cyklu wartość progu napięcia działania dla komparatora wytworzona obwodem RC spada do Zera. Tuż przed końcem cyklu system pracuje zatem jak przetwornik V/F ale ponieważ szczęśliwie zadziałań kluczy jest relatywnie niewiele nie mają one wpływu na dokładność ADC.
Gdy po rozpoczęciu nowego cyklu pomiaru w określonym niedługim czasie ( z licznika) napięcie
na integratorze jest za duże inicjowana jest zmiana podziału wejściowego dzielnika napięcia mierzonego na wyższy. Nowy cykl rozpoczyna się po szybkim wyzerowaniu integratora.
Gdy po paru cyklach pomiarów wyniki są za małe (mniej niż ca odpowiednia część zakresu) odpowiedni algorytm czyli układ logiczny mógłby wyzwolić akcje Autoranging ale ten temat jest zaskakująco trudny do (przyszłego) rozwiązania. Tu raczej program mikrokontrolera mógłby ocenić historie sygnału i ryzyko że po zwiększeniu czułości nastąpi konieczność szybkiej redukcji czułości. Ustalony przez operatora parametr mógłby wyznaczać poziom ostrożności działania algorytmu.
W układzie ICL7106 zastosowano proste innowacyjne Autozerowanie ale ono nie eliminuje szumów 1/F a szumy te w tranzystorach MOS są potężne. Autozerowanie zastosowane w OPA ICL7650 mocno obniża szumy 1/F. Taki OPA ma być tu integratorem.
Dla uzyskania wymaganej dokładności działania komparatora Zera poprzedzono go szerokopasmowym wzmacniaczem. Jest to dwustopniowy wzmacniacz jak w OPA. Składa się ze stopnia różnicowego i stopnia napięciowego z prostą antysaturacją. Rezystor w rezystancyjnym dzielniku sprzężenia zwrotnego ma równoległy kondensator co daje kompensacje wyprzedzającą a to pozwala uzyskać wymaganą szerokopasmowość. Wzmacniacz przez część czasu jest przesterowany ale nie ma on istotnego czasu nasycenia. Przed przejściem napięcia przez Zero pracuje już liniowo.........
Sprawdzenie.
Prawo cywilne i karne USA zabranie kopiowania masek IC. Sprawa ze schematami IC jest niejasna bowiem można pozwać o naruszenie własności intelektualnej. Drudzy producenci układu Industry Standard z reguły zmieniają schemat ale pozostawiając całkowitą zgodność aplikacyjną.
OPA TL06X Motoroli jest zupełnie innym układem niż pierwszego producenta TI.
Maski są zawsze zupełnie inne niż ma oryginał.
Tępe kopiowanie cudzych rozwiązań prowadzi do utraty kwalifikacji ale ich potrzebne modyfikowanie, ulepszanie, kompilowanie podnosi kwalifikacje. Firmy japońskie wprowadzały niewiele zmian do IC ale stosowały lepszą technologie i układy miały lepsze parametry. W trudniejszej sytuacji były firmy z ZSRR dysponujące gorszą technologią. Trzeba było zmodyfikować IC, aparat fotograficzny, zegarek, auto... aby wyprodukować pełnowartościowy przedmiot własną starszą technologią.
Pierwszym krokiem przed modyfikacją IC jest zrozumienie działania oryginalnego układu. Starawy układ przetwornika V/F jest nadal produkowany i stosowany. Najczęściej w roli bloku w ADC.
Na podstawie opisu wyprowadzeń łatwo jest przypisać część grup tranzystorów do bloku na schemacie blokowym. W przypadku bloków bez zewnętrznych wyprowadzeń są charakterystyczne funkcjonalności ( Zwłaszcza stopnie różnicowe i lustra prądowe. Ale znane są różne lustra prądowe) typowe dla bipolarnych IC. Tranzystory Q49 (N razy większy) i Q50 to „para” charakterystyczna dla układu napięcia odniesienia BandGap 1.22V Brokaw-a. Razem z dzielnikiem rezystorowym R16 i R17 ( (3.4/6+1) x 1.22 =1.91) powinno powstać napięcie 1.91 V i takie jest.
-Ile razy N większa jest powierzchnia tranzystora Q50 do Q49 ?
-Po co zastosowano rezystor R18 (nie jest konieczny) i z czego wynika jego wartość ?
-Przypisz grupy tranzystorów do bloków
-Którym lustrom prądowym można zmienić konfiguracje i na jaką lepszą czy gorszą ?
-Liniowość przetworników V/F spada przy sporo podniesionej częstotliwości a rośnie dryft termiczny. Wyjaśnij dlaczego tak jest.
Ćwiczenie.
1.Wszelkie realne zebrane sygnały zawsze mają szum wpływ którego trzeba zmniejszać jak tylko się da. W pliku jako 16 bitowe liczby U2 są próbki z sygnału z jednego z sensorów Chromatografu Gazowego. W pdf jest objaśnienie jak działa GC. Niestety jest szum i mały offset a niektóre „piki” ( różnej wysokości i szerokości ) zachodzą na siebie. Każdemu pikowi trzeba przyporządkować jego całkę czyli pole powierzchni pod pikiem. Gdy piki zachodzą na siebie nie jest to proste. Poprawność przy zachodzących pikach można ocenić dodając do wygenerowanego sygnału zakłócający pik albo i piki.
-Sporządź program. Na wykresie nad pikami pionowo należy podać ich całki.
2.W pliku jako 16 bitowe liczby U2 są próbki (próbkowanie 500 Hz) z sygnału tylko z jednego z odprowadzeń standardowego EKG z filtracją dolnoprzepustową 0.05 Hz.
-Co rzut serca ma być dokładnie (dodatkowo trochę wygładzone) podane tętno czyli ilość akcji na minutę.