CIRCUITE PENTRU CONDI ŢIONAREA SEMNALELOR

1. CIRCUITE PENTRU CONDIŢIONAREA SEMNALELOR Funcţiile îndeplinite de aceste circuite se pot defini astfel: conversia semnalului de ieşire al unui senzor în tensiune electrică; adaptarea de nivel a acestei tensiuni; separarea galvanică a sistemului pentru achiziţie de date faţă de sursa de semnal (dacă se impune aceasta); rejecţia zgomotelor de joasă şi înaltă frecvenţă (filtrarea semnalului); preprocesarea analogică a semnalului (liniarizare, derivare, integrare, multiplicare etc).

2. 1. CONVERSIA SEMNALULUI DE IEŞIRE AL SENZORULUI IN TENSIUNE ELECTRICĂ 1.1. Circuite de conversie pentru senzori parametrici Senzorii parametrici convertesc mărimea de măsurat în variaţia unui parametru electric (rezistenţă, inductanţă, capacitate). Există două variante de circuite pentru conversia rezistenţei în tensiune electrică: • în montaj potenţiometric; • în punte.

3. Circuite de conversie în montaj potenţiometric se obţine: Dacă:

4. conversia liniară şi rezultând o caracteristică de conversie liniară de forma :

5. cazul general, al surselor reale cu rezistenţa internă r În cazul în care variaţia tensiunii de ieşire capătă forma

6. Circuitul de conversie în montaj de punte de c.c. (punte Wheatstone ) neliniaritatea este de 0,5%. pentru (senzorii tensometrici rezistivi) Pentru variaţii mici DRt

7. Variaţile relativ mici ale rezistenţei mărcii tensometrice atunci când este supusă la deformaţii impun utilizarea unor adaptoare performante. În aceste adaptoare se pot diferenţia două blocuri distincte: o schemă de măsurare de tip punte Wheatstone, în care se conectează elementele sensibile, motiv pentru care se numeşte punte tensometrică, şi un circuit final de amplificare şi conversie în semnal util (semnal unificat).

8. În figură este prezentată schema sfert de punte în care este plasat un singur senzor tensorezistiv exterior şi trei rezistenţe calibrate montate în adaptor.

9. Montajul în semipunte este realizat din două rezistenţe tensorezistive exterioare şi două rezistenţe calibrate montate în adaptor.

10. Puntea completă este relizată numai din senzori pe toate cele patru braţe ale punţii (punte cu toate braţele active).

11. Puntea Maxwell pentru senzori inductivi Puntea Maxwell este o versiune de punte Wheatstone care poate măsura inductanțe necunoscute

12. Puntea Sauty pentru senzori capacitivi

13. Punte pentru senzori diferenţiali

14. 1.2. Circuite de conversie pentru senzori generatori a) Circuite pentru senzori cu mărimea de ieşire de tip intensitate a curentului electric (ex. senzori fotoelectrici). , atunci Dacă ; Schema echivalentă a senzorului fotoelectric Convertor curent-tensiune pentru un senzor fotoelectric

15. b) Circuite pentru senzori cu mărimea de ieşire tip sarcină electrică (ex. senzori piezoelectrici şi piroelectrici). Schema echivalentă a senzorului piezoelectric Convertor sarcină electrică - tensiune

16. 2. ADAPTAREA DE NIVEL (ÎNAMPLITUDINE) A SEMNALELOR

17. 2. ADAPTAREA DE NIVEL (ÎNAMPLITUDINE) A SEMNALELOR

18. Decibelul Decibelul (dB) este o măsură a raportului dintre puterea de ieșire și puterea de intrare a unui sistem de comunicație. Fie un amplificator cu o intrare de 2mW și o ieșire de 5mW: Dacă puterea de ieșire este mai mică decât cea de intrare, rezultatul este negativ. Pentru o intrare de 2 mW și o ieșire de 1 mW, raportul este 0.5 sau -3dB.

19. Decibelul Semnificații pentru 0 dB: În ingineria comunicațiilor, decibelul care se referă la o putere de intrare de 1 mW este cunoscut ca și dBm; astfel o putere de ieșire de mW raportată la o putere de intrare de 1 mW reprezintă 0 dBm. In dBm, puterea de intrare se presupune a fi de 1 mW, astfel că este exprimată relativ la o putere de intrare de 1 mW. dBm = 10 * log (P/1mW) În mod similar, un decibel raportat la o intrare de 1 W este cunoscut ca dBW, astfel o ieșire de 1 W reprezintă 0 dBW Exemple: - o ieșire de 1mW reprezintă -30dBW - o ieșire de 20W reprezintă 13 dBW

20. Decibelul Alte exemple: - dacă Pin = 10mW și Pout= 100mW → raportul puterilor este 10 → 10 dB - dacă raportul puterilor este 100 → 20 dB - dacă raportul puterilor este 1000 → 30 dB … etc. Dacă puterea de ieșire este mai mică decât puterea de intrare, amplificarea circuitului presupune decibeli negativi. Exemple - dacă Pin = 2 mW și Pout= 1 mW → raportul puterilor este 0.5 → -3 dB - dacă raportul puterilor este 0.1 → -10 dB - dacă raportul puterilor este 0.001 → -20 dB … etc.

21. Exprimarea curenților și tensiunilor în decibeli: Presupunând că rezistențele de intrare și de ieșire sunt aceleași, folosind definiția decibelilor se obține:

22. Amplificatoare Un amplificator este o componentă a sistemului care furnizează cîştig deputere semnalului de la intrare. Aşa cum se arată în figura 1.31, Pin esteputerea de intrare şi Pies este puterea de ieşire, iar cîştigul în putere este: sau Amplificatoarele pot fi cascadate pentru a obţine cîştiguri mai mari. Deexemplu, pentru două amplificatoare în cascadă, cu cîştigul G1 şi G2 ,cîştigul total va fi G1G2 . Amplificatorul utilizat în ultimul etaj al unuiemiţător furnizează putere mare la ieşire şi este numit, de regulă, amplificator de putere. Amplificatorul folosit într-un receptor are, de obicei,o cifră de zgomot mică şi, din acest motiv, este numit amplificator dezgomot mic.

23. Amplificatoare • Parametrii sistemici importanţi la un amplificator sunt: cîştigul, zgomotul,banda de lucru, stabilitatea şi configuraţia de polarizare în curent continuu. • Pentru un amplificator de putere, parametrii doriţi sunt: • putere de ieşiremare • punct de compresie la 1-dB mare • punct de intercepţie de ordinul treimare • intermodulaţii mici • liniaritate bună. • Pentru sistemele alimentatede la baterii, eficienţa de a adăuga putere (PAE – Power Added Efficiency)este un alt parametru important. El se defineşte prin relaţia: • unde PCC este puterea de curent continuu consumată de la surse. • Un PAE >50% este curent în amplificatoarele cu tranzistoare.

24. Atenuatoare Atenuatoarele sunt circuite care reduc nivelul de putere al unui semnal, în mod ideal fără modificarea frecvenței, distorsiuni sau reflexie. Semnalul de ieșire este redus raportat la semnalul de intrare. Atenuatoarele folosite în sistemele radio pot fi fixe sau variabile. Un atenuator fix reduce nivelul de putere al unui semnal cu o cantitate predeterminată, dar acesta trebuie să fie proiectat cu atenție cu privire la caracteristicile de intrare și ieșire ale semnalelor implicate. Un atenuator variabil are o gamă de atenuare specificată, care îl face adaptabil la diferite condiții de circuit.

27. amplificator de instrumentaţie(AI)

28. schema echivalentă de principiu a variantei integrate a amplificatorului de instrumentaţie

29. atenuator programabil digital În cazul când convertorul digital-analog are n biţi:

30. amplificator cu câştig programabil În acest caz : Dar: deci Se obţine astfel pentru tensiunea de ieşire : , unde

31. 3. SEPARAREA GALVANICĂ A SISTEMULUI DE ACHIZIŢIE DE DATE FATĂ DE SURSA DE SEMNAL • cuplajul magnetic: se utilizează transformatoare miniaturale cu răspuns constant într-o bandă bandă largă de frecvenţă şi cu izolarea înfăşurărilor pentru tensiuni de 1÷5kV. • cuplajul optic: se folosesc optocuploare cu tensiuni de izolare de l÷2,5kV. Prin intercalarea unui cablu optic între cele două elemente ale optocuplorului se pot obţine tensiuni de izolaţie de ordinul 102-l03 kV În transferul semnalului de la etajul de intrare la etajul de ieşire, din structura amplificatorului de izolaţie, acesta este procesat prin : • modulaţia în durată a unor impulsuri, în cazul cuplajului inductiv sau optic; • modulaţia în amplitudine a unei purtătoare sinusoidale, în cazul cuplajului inductiv; • modulaţia în intensitate luminoasă, în cazul cuplajului optic.

32. Amplificator izolator cu cuplaj optic Amplificator izolator cu cuplaj optic cu reacţie 3650 Burr Brown

33. Alimentarea amplificatorului de izolaţie Amplificator de izolaţie utilizat pentru transmiterea semnalelor

34. 4. FILTRAREA SEMNALULUI ANALOGIC ÎN CADRUL PROCESULUI DE CONDIŢIONARE Filtrele se pot clasifica după intervalul de trecere în • filtre trece-jos, • trece-sus, • trece bandă, • opreşte bandă; După natura elementelor componente pot fi • active • pasive (de tip LC sau RC). După configuraţia schemei pot fi în T, Π, Γ sau în punte.

35. 2.3.3. Filtre Există patrutipuri de filtre: trece jos, trece bandă, trece sus şi opreşte bandă. Răspunsurile în frecvenţă ale acestora sunt prezentate în figura.

36. Filtre Un filtru ideal prezintă adaptare perfectă de impedanţă, pierderi de inserţiezero în banda de trecere şi rejecţie (atenuare sau pierderi de inserţie) infinităoriunde în altă parte. În realitate, există pierderi de inserţie în banda detrecere şi o rejecţie finită oriunde în altă parte. Exista două configuraţii tipice în ceea ce priveşte aliura caracteristicii înbanda de trecere: maxim plat (Butterworth) şi echi-riplu (Chebyshev), aşacum se arată în figura, unde A este atenuarea maximă permisă în bandade trecere.

37. Filtre Răspunsul filtrului: (a) trece-jos maxim plat; (b) trece-jos Chebyshev; (c) trece-bandă maxim plat; (d) trece-bandă Chebyshev. Răspunsul filtrului: (a) trece-jos maxim plat; (b) trece-jos Chebyshev; (c) trece-bandă maximplat; (d) trece-bandă Chebyshev.

38. Filtre Circuitele prototip pentru filtre sunt prezentate în figura. La frecvenţejoase aceste circuite pot fi realizate folosind bobine şi condensatoare. Lafrecvenţe de microunde se pot folosi diferite tipuri de rezonatoare

39. 4.1. Filtre pasive În sistemele de măsurare utilizarea filtrelor pasive este limitată de următoarele considerente: • atenuarea este relativ mare chiar în intervalele de trecere; • disipa energie (R ≠ 0); • utilizarea inductivităţilor în joasă frecvenţă este dificilă din cauza dimensiunilor, greutăţii şi a factorului de calitate scăzut.

40. 4.2 Filtre active Îndeplinesc una sau mai multe din următoarele funcţii: • amplificarea semnalului în intervalul de trecere al filtrului; • eliminarea (reducerea) efectului sarcinii asupra proprietăţilor de filtrare; • crearea posibilităţii unor reglaje uşoare în operaţia de filtrare (eventual prin comandă soft); • realizarea unor impedanţe de intrare mari şi a unor impedanţe de ieşire mici; • folosirea unor valori uzuale de capacităţi şi rezistenţe chiar la frecvenţe foarte scăzute (până la 10-3 Hz).

41. Filtru activ trece-jos Caracteristica amplitudine-frecvenţă amplificarea ct. de timp

42. Filtre active universale filtru trece-jos dacă filtru trece-sus dacă filtru trece bandă dacă

43. Filtre active universale Filtre programabile

44. 5. PREPROCESAREA ANALOGICĂ A SEMNALULUI 5.1. Realizarea unor operaţii matematice cu semnale analogice Uref este o tensiune de referinţă, egală, în general, cu 10 V • multiplicatorul cu lege pătratică; • multiplicatorul cu modulare în amplitudine şi durată a unui tren de impulsuri; • multiplicatoare cu efect Hall; • multiplicatoare cu conversie logaritmică; • multiplicatoare cu transconductanţă variabilă

45. Circuitul sumator

47. 5.2. Liniarizarea caracteristicilor senzorilor Procedeele de liniarizare prin hard, se pot grupa în două categorii: • procedee de liniarizare ce intervin asupra sursei de semnal electric (senzor); • procedee de liniarizare ce intervin în aval de senzor, pentru a corecta neliniaritatea circuitului de condiţionare. 5.2.1. Liniarizarea la nivelul sursei de semnal (senzor) • a) Alegerea punctului de funcţionare • b) Conectarea unui rezistor în serie cu senzorul Ue" (T0) = 0 R = R0

48. c) Utilizarea unor circuite cu neliniaritate complementară ucb=0 Amplificator cu caracteristică logaritmică uo = Ric Amplificator cu caracteristică exponenţială