Za utrditev barvnega nanosa na aluminijasti foliji smo poskusili folijo rahlo zbrusiti, da bi se barva bolj oprijela, kar pa ni pomagalo. Pomagalo ni niti daljše sušenje barve. Pri toplotni obdelavi se je barva oluščila še hitreje. Prevodna barva na aluminijasti foliji kljub izvrstnim električnim lastnostim, žal, ni uporabna. Za izdelavo se nam zdi najprimernejša miška s čim več nanosi grafitne barve brez aluminijaste folije.
2.3.3 Napetostna referenca
Napetostna referenca je element, ki skrbi, da je vrednost napetosti na izhodu konstantna ne glede na spreminjanje napetosti na vhodu, spreminjanje temperature, staranje … Preprosta napetostna referenca je lahko Zenerjeva dioda, za aplikacije, kjer je zahtevana velika točnost in natančnost, pa se običajno uporabljajo namenski čipi.
0
56 Praktični del
Za točno merjenje napetosti s pomočjo AD-pretvornika moramo imeti tudi točno napetostno referenco, saj se meritve izvajajo v primerjavi z referenčno vrednostjo. Če torej vrednost napetostne reference odstopa za 1 %, potem tudi vse nadaljnje meritve odstopajo za 1 %. Tako je napetostna referenca prva v verigi, ki določa točnost meritve, zato je zelo pomembno, da izberemo dovolj točno.
Napetost napetostne reference predstavlja zgornjo mejo meritve AD-pretvornika, zato moramo biti pri izbiri pozorni. Tipične vrednosti se gibljejo nekje med 1 V in 5 V. Pomemben podatek je še osnovna točnost, podana v procentih ali milivoltih, temperaturna stabilnost, šum, časovna stabilnost in izhodni tok.
Osnovna točnost nam podaja točnost napetostne reference brez upoštevanja ostalih faktorjev, kot je staranje, spreminjanje temperature, spreminjanje vhodne napetosti … Tipično je osnovna točnost nižja od 1 %, lahko znaša celo 0,01 %.
Temperaturna stabilnost igra pomembno vlogo predvsem, če je tiskano vezje, kjer se čip nahaja, izpostavljeno velikim temperaturnim spremembam. V primeru, da se meritve izvajajo v notranjih prostorih, kjer je temperatura stabilna, ta podatek ne igra velike vloge.
Količina šuma določa natančnost napetostne reference. V primeru velikega šuma bi pri merjenju konstantne napetosti z AD-pretvornikom vedno dobili drugačen rezultat, zato si želimo, da je šum čim nižji. Šum je pogojen tudi s pasovno širino merjenega signala in ga lahko preprosto zmanjšamo z uporabo frekvenčnih filtrov.
Časovna stabilnost reference nam pove, kakšno je pričakovano obnašanje referenčne napetosti skozi čas. Napetost namreč lahko počasi drsi navzgor ali navzdol v primerjavi z začetno vrednostjo.
Izbrali smo napetostno referenco REF5040 v 8-pinskem SOIC ohišju.
Slika 20: Napetostna referenca REF5040 [10]
Napetostna referenca ima 8 pinov, uporabni so samo trije: (skupna) masa, vhod in izhod.
Konstrukcija merilnega sistema 57
Izbrana napetostna referenca ima naslednje podatke [10]:
Tabela 3: Podatki napetostne reference
Podatek Vrednost
Izhodna napetost 4,096 V
Točnost 0,05 %
Temperaturna stabilnost 3 ppm/°C
Časovna stabilnost 50 ppm/1000 h za prvih 1000 h 25 ppm/1000 h za drugih 2000 h
Šum 3 μVPP/V
Izhodni tok (max) ±10 mA
Vhodna napetost 4,296 V do 18 V
Ta napetostna referenca torej zagotavlja točen izhod (4,096 ± 0,002) V, kar je za naše potrebe dovolj dobro. Če meritve izvajamo diferencialno, se nam v resnici napetost reference okrajša, zato je bolj pomembno, da je referenca čim bolj stabilna in ima čim nižji šum, sama napetost pa ne igra ključne vloge.
2.3.4 Analogno-digitalno pretvornik
Analogno-digitalni pretvornik ali AD-pretvornik je vezje, ki analogne signale (napetosti) pretvori v digitalne kode, ki jih lahko programsko pretvorimo nazaj v napetosti in z njimi računamo. AD-pretvornik je obvezna oprema vsake digitalne meritve. Z njimi merimo napetosti, s pomočjo katerih lahko izračunamo željene veličine glede na arhitekturo vezja. Merilni problem moramo torej »prevesti« na merjenje napetosti na tak način, da lahko iz te napetosti in poznavanja delovanja senzorja oziroma referenčnih vrednosti izračunamo merjeno veličino.
V primeru sistema za merjenje prevodnosti kože je merjena veličina torej prevodnost. To lahko izračunamo iz poznavanja napetosti na koži in tokom skozi kožo po Ohmovem zakonu. Ker pa toka direktno ne moremo meriti z AD-pretvornikom, lahko tega prav tako izračunamo iz napetosti na zaporedno vezanem uporu, katerega upornost je natančno določena in poznana.
Pomembni podatki, ki jih srečamo pri AD-pretvornikih, so naslednji:
– napetostno območje merjenja, – hitrost vzorčenja (vzorci/s), – ločljivost (število bitov), – število vhodov,
– diferencialni vhodi,
58 Praktični del
– napetostna referenca (vgrajena, možnost zunanje …), – šum oziroma SNR,
– linearnost
– in drugi, odvisno od aplikacije (npr. poraba energije, če gre za napravo na baterije, ki zahteva nizko porabo).
Pri AD-pretvornikih tipično najprej opazimo ločljivost. Arduino ima vgrajene AD-pretvornike, toda njihova ločljivost je zgolj 10 bitov oziroma 1024 vrednosti. Na prvi pogled se to mogoče zdi veliko, ampak za aplikacije, kjer je zahtevana velika točnost meritev, se hitro izkaže, da je to premalo. Za primer vzemimo preprost merilnik napetosti. Meriti želimo na območju od 0 V do 5 V z ločljivostjo 1 mV. Z uporabo 10-bitnega AD-pretvornika bi v tem primeru dosegli ločljivost:
𝐿 = 𝑈𝑀𝐴𝑋
2𝑛 − 1= 5 𝑉
210− 1= 5 𝑉
1023≅ 4,89 𝑚𝑉 Enačba 23: Ločljivost AD-pretvornika
Ločljivost je torej približno petkrat prenizka. Če enačbo obrnemo in izračunamo minimalno število bitov AD-pretvornika, ugotovimo, da potrebujemo vsaj 13-bitni pretvornik:
𝑛 ≥ 𝐿𝑜𝑔2(𝑈𝑀𝐴𝑋
𝐿 + 1) ≅ 12,288 Enačba 24: Izračun števila bitov
13-bitni AD-pretvorniki sicer obstajajo, so pa bolj redki, zato bi v tem primeru uporabili 14- ali 16-bitni pretvornik.
Druga pomembna karakteristika je merilno območje. Pri tem moramo najprej razlikovati med enokanalnimi in diferencialnimi ojačevalniki. Prvi meri napetosti na območju na primer med GND in UREF, medtem ko lahko pri diferencialnem merimo napetostno razliko med dvema priključkoma.
Dejansko merilno območje ni nujno pogojeno z referenčno napetostjo. AD-pretvornik lahko interno vsebuje tudi delilnike referenčne napetosti, s katerimi lahko omeji območje na UREF/2, UREF/4 in podobno. Nekateri AD-pretvorniki imajo vgrajen tudi ojačevalnik vhodnega signala, ki ima podoben učinek. Izbrati moramo tak pretvornik, ki nam omogoča, da čim bolje izkoristimo celotno merilno območje, saj drugače efektivno izgubimo na ločljivosti. Primer tega je, da imamo 10-bitni AD-pretvornik z merilnim območjem od 0 V do 5 V. Če nam merilno vezje na izhodu daje napetosti samo od 1 V do 2,25 V, uporabljamo samo 1,25 V od 5 V merilnega območja.
Konstrukcija merilnega sistema 59
To je samo četrtina celotnega merilnega območja, zato se nam tudi ločljivost zmanjša za 2 bita (22 = 4). Efektivna ločljivost takega sistema bo torej 8 bitov.
Pri zajemanju analognega signala je pomembna tudi frekvenca zajema. Kakšno frekvenco zajema potrebujemo, je odvisno od zahtev meritve. Če merimo relativno počasne spremembe, je lahko dovolj ena meritev na sekundo (1 SPS = Sample Per Second = 1 Hz), če pa želimo meriti hitre spremembe, bomo potrebovali višje frekvence vzorčenja (nekaj kHz ali več). Digitalni osciloskopi uporabljajo AD-pretvornike s frekvencami nekaj GHz, najboljši tudi nekaj 10 GHz.
Število vhodov AD-pretvornika si izberemo glede na zahteve aplikacije.
Uporabimo lahko tudi več različnih AD-pretvornikov, po navadi pa je enostavneje izbrati en čip, s katerim lahko pokrijemo vse meritve. Pri diferencialnih AD-pretvornikih potrebujemo vsaj dva vhoda, med katerima merimo razliko napetosti, lahko pa imamo več vhodov, med katerimi lahko izbiramo s pomočjo multiplekserja.
Zelo pomembna pri AD-pretvornikih je napetostna referenca. Njena točnost nam določa tudi končno točnost merilnega sistema. Odmik od željene vrednosti lahko preprosto odpravimo s kalibracijo, večjo težavo pa nam povzroča stabilnost reference.
Običajno največje težave povzroča temperaturna stabilnost, težave pa imamo tudi s staranjem in ostalimi okoljskimi dejavniki. Če se odločimo za zunanjo napetostno referenco, si moramo izbrati tako napetost, ki nam najbolj ustreza in ustreza tudi območju AD-pretvornika. Referenca pa mora biti tudi stabilna do te mere, da nam morebitno spreminjanje referenčne napetosti ne spremeni bistveno rezultatov meritve.
Za merilni sistem smo izbrali pretvornik ADS1120, ki je 16-bitni, 4-kanalni AD-pretvornik in zmore hitrosti pretvorbe tudi do 2 kHz. Izbrali smo ga, preden smo dokončno vedeli, kakšno bo merilno vezje, zato izbira verjetno ni optimalna, se je pa izkazala za dovolj dobro. Blokovna shema izgleda tako:
60 Praktični del
Slika 21: Blokovna shema AD-pretvornika ADS1120 iz podatkovne liste [11]
AD-pretvornik ima torej 4 vhode, ki so povezani na multiplekser, s pomočjo katerega lahko izbiramo, kaj želimo meriti. Izbiramo lahko med naslednjimi 16 opcijami:
Tabela 4: Multiplekser AD-pretvornika
Multiplekser koda AINP AINN
0000 AIN0 AIN1
0001 AIN0 AIN2
0010 AIN0 AIN3
0011 AIN1 AIN2
0100 AIN1 AIN3
0101 AIN2 AIN3
0110 AIN1 AIN0
0111 AIN3 AIN2
1000 AIN0 AVSS
1001 AIN1 AVSS
1010 AIN2 AVSS
1011 AIN3 AVSS
1100 (REFPx – REFNx) / 4 -> izbrana napetostna referenca
1101 (AVDD – AVSS) / 4 -> napajalna napetost
1110 (AVDD + AVSS) / 2 -> kratek stik med vhodoma AD, povezan na srednjo napetost med AVDD in AVSS
1111 Rezervirano
Konstrukcija merilnega sistema 61
Priključka AIN0 in AIN3 lahko uporabimo tudi za napetostno referenco. Za zunanjo napetostno referenco imamo že druga dva namenska priključka, kar pomeni, da lahko AIN0 in AIN3 uporabimo kot vhoda.
Iz multiplekserja so signali povezani na ojačevalnik s programirljivim ojačenjem ali PGA (Programmable Gain Amplifier). Izbiramo lahko med ojačenjem 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 in 128. Če želimo, lahko PGA tudi obidemo z možnostjo »bypass«. Tako lahko zmanjšamo porabo elektrike AD-pretvornika, hkrati pa tudi razširimo vhodno napetostno območje na od AVSS – 0,1 V do AVDD + 0,1 V.
Pri uporabi PGA moramo biti pazljivi glede njegovih zahtev za vhodno napetost.
Ta ima v 3 pogoje:
– UCM, MIN ≥ AVSS + 0,2 V + 0,5 × G × VIN, MAX
– UCM, MAX ≤ AVDD - 0,2 V - 0,5 × G × VIN, MAX
– UCM, MIN ≥ AVSS + 0,25 × (AVDD – AVSS)
G je ojačenje PGA. Če vstavimo v enačbe vrednosti, dobimo naslednje enačbe:
– UCM, MIN ≥ 0,2 V + 0,5 × G × VIN, MAX
– UCM, MAX ≤ 4,8 V - 0,5 × G × VIN, MAX
– UCM, MIN ≥ 1,25 V
Če je v našem primeru VIN,MAX = 0,5 V in G = 8 (G je v tem primeru ojačenje ali Gain), lahko izračunamo, da mora biti UCM,MIN ≥ 2,2 V, UCM, MAX ≤ 2,8 V, da bo ojačevalnik deloval v linearnem območju.
Graf 13: Grafična predstavitev omejitev za common mode napetosti pri napajanju +5 V in 0