مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

فهرست

فصل اول

- اصول ADC های 1

- ملاحضات آهنگ بی بار (سوت ساکن) 17

فصل دوم (کاتربرد های مبدل اطلاعات)

- دقت اندازه گیری وضعیت سنسور 20

- مقدمه 20

- کاربردهای دقت اندازه گیری EDADC 25

- تحلیل طراحی سنجش مقیاس (ترازوی دیجیتال) ADC AD7730 33

- وضعیت ترموکوپل مورد استفاده AD7793 49

- اندازه گیری دیجیتال مستقیم دما 54

- سنسورهای دمای فرعی میکروپرسسور 64

- کاربردهای ADC ها در دستگاه های اندازه گیری توان 72

فصل سوم AD7730/AD7730L

- کاربردها 79

- تحریک DC پل 80

- تحریک AC پل 85

- تحریک دو قطبی پل 89

ضمیمه Data sheet

منابع

کاربردهای مبدل اطلاعات

 

 

پیشگفتار :

در این پروژه قصد داریم به بررسی جنبه های نرم افزاری و سخت افزاری مبدلهای آنالوگ به دیجیتال ADC بپردازم ، که در اینجا بیشتر به بررسی یک مبدل خاص با شماره AD7730 پرداخته شده است . چون میکرومبدلها دارای قابلیتهای عملیاتی بالایی هستند در این پروژه علاوه بر نکات جزئی الکتریکی به کابردهای مختلف این سری از مبدلها اشاره شده است . علت پیچیدگی مطالب و درست نداشتن منابع جامع پراکندگی مطالب مربوط به مبدلهای فوق ایجاد یک روند منظم برای آن آسان نیست .بنابراین ممکن است در این مجموعه نتوانسته باشیم توالی مطالب ارائه شده را به دقت رعایت کنیم .

در فصل اول تشریح اصول ADCهای E-Δ پرداخته ایم . و به طور کلی سیکما – دلتاها مورد بحث و برررسی قرار داده ایم علاوه بر آن به کابردهای این سری IC اشاره شده است .

در فصل دوم اجمالاً کاربردهای مبدل اطلاعات را بررسی کردیم در این فصل به طور کامل کاربردهای ADCهای از جمله AD77XX-AD7793-AD7730 را بیان کرده ایم درر مرود هر کدام از این ADCهای E-Δ کاربرد و موارد استفاده آن به همراه بلوک دیاگرام و شکلهای مختلف مورد تحلیل قرار گرفته اند .

 کاربردهای ADCهای E-Δدقت اندازه گیری ، اندازه گیری دما ، اندازه گیری توان از جمله موارد مورد توجهی است که در این فصل مورد بحث قرار داده شده اند.

در فصل سوم در مورد AD7730/AD7730L توضیح داده ایم کاربرد آن و انواع پل های تحریک (AC,DC) و دو قطبی را مورد بررسی قرار داده ایم و با نمایش این پلها با تحلیل آنها و مورد استفاده این ADC پرداختنه ایم .

در آخر هم ضمیمه ای که شامل AD7730/AD7730L Datasheet است را ارائه داده ایم .

در پایان ضمیمه Data shit به جهت معرفی کلی این مبدلها ارائه گردیده است.

در پایان از کلیه کسانی که در تهیه و تنظیم این پروژه به من یاری رساندند قدر دانی میکنم . امید است این پروژه بتواند مورد توجه اساتید محترم و دانشجویان علاقه مند به استفاده از مبدلهای آنالوگ به دیجیتال (ADC) قرار گیرد.

 

بخش1 : دقت اندازه گیری وضعیت سنسور

 

« مقدمه»

اندازه گیریΔ-∑ با تفکیک(وضوح)بالا ADC عرصۀ وسیعی از وضعیت 30 سیگنال سنسور دقت وتحصیل اطلاعات رادگرگون کرد. Δ-∑ ADCهای مدرن حالت تفکیک بدون از دست دادن کدبدون نویز 24بیت وبیشتراز19بیت را پیشنهادمی کنند .

اتصال PGAهای یک تکه(on-chip) با تفکیک بالا واقعا نیازبه حالت مداری سیگنال را رفع می کند-سنسور دقت میتواند مستقیما با ADC در حالتهای متعددی قرار بگیرد.

چنانچه در فصل3 این کتاب به تفضیل مورد بحث قرارگرفت.معماری Δ-∑بسیار دیجیتالی است ، بنابراین بالنسبه جمع مشخصات قابل برنامه ریزی وانعطاف پذیری بیشتردر کاربردهای آنها آسان است.میزان(سرعت) فرکانس قطع فیلتر میان گذردیجیتال ، تقویت PGA ،انتخاب کانال ، برش وروش های کالیبراسیون فقط تعدادی از ویژگی های امکان پذیر هستند.یکی از مزایای فیلتر دیجیتال یک تکه( on-chip) شکاف های آن است که می تواند برنامه ای برای تامین مطلوبHz 60/50

 

بازپس دان منبع تغذیه ارائه دهد. بعلاوه ، هنگامیکه ورودی به یک ADC Δ-∑ بیشترازحد نمونه است،نیاز به فیلتر بدون دوگانگی(antialiasing) ابداً به سختی حالت ADCهای نوع قدیمی مدل نایکوئیست نیست.حالت عادی بازپس دادن همچنین نتیجۀ استفادۀ وسیع ازورودیهای مرجع و آنالوگ گوناگون است.یک مزیت مهم Δ-∑ ADCها این است که آنها بطور نمونه درفرایندهای CMOS طراحی می شوند، بنابراین آنها نسبتاً ارزان قیمت هستند.

¨ تفکیک بالا

• کدهای بدون خطای24 بیتی
• تفکیک مؤثر24 بیتی (RMS)
• تفکیک کد بدون پارازیت19بیتی (نوک به نوک)
• PGAهای یک تکه(on-chip)

¨ دقت بالا

• INL 2ppm تمام مقیاس ~ 1LSB در 19بیتی
• تقویت جریان ppm/°c 0.5

¨ دیجیتال بیشتر،آنالوگ کمتر

• توازن قابل برنامه ریزی بین سرعت تفکیک

¨ نمونه گیری بیش از حدوفیلترینگ دیجیتال

 

• بازپس دادن (Rejection) Hz 60/50
• فیلتربدون دوگانگی ساده کننده نسبت بیش از حد نمونه

¨ محدوده دینامیک عریض

¨ ارزان قیمت

 

شکل 8.1 : مزایای معماری ADCΔ-∑

 

درکابردهای Δ-∑ ADCها ، استفاده کننده باید درحقیقت بپذیردکه بدلیل ماهیت دیجیتالی زیاد وسایل وتوانایی برنامه ریزی پیشنهادی ، واسطهای دیجیتال به پیچیدگی بیشتری از معماری های ADC قدیمی که شباهت زیادی دارند منجر می شوند.بطور مثال هرچند ،هیأتهای ارزیابی کارخانه داران وپیشرفت نرم افزار مرتبط با اوراق اطلاعات کامل می توانند در مجموع بطور قابل ملاحظه ای فرآیند را طراحی کنند.

بعضی ازمزایای معماری و مشخصات اندازه گیری ADCΔ-∑ در شکل 1-8

و2-8 خلاصه شده اند.

¨ اختیارات بافر ورودی آنالوگ

• راه اندازی مدولاتور Δ-∑ ،کاهش جریان ورودی متحرک

¨ REFIN ، AIN تفاضلی

• ترکیب نسبت سنجی نیاز به مرجع صحیح را برطرف می کند.

¨ مولتی پلکسر

¨ PGA

¨ کالیبراسیون

• کالیبراسیون خودی، کالیبراسیون سیستم،کالیبراسیون اتوماتیک

¨ اختیارات برش

• جریان های جبران کننده(Offset) وجبران نکننده
• به حداقل رساندن تأثیرات انگل وار ترموکوپل ها

 

شکل 2-8 : مشخصات سیستم یک تکه Δ-∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

کاربردهای دقت اندازه گیری ADCΔ-∑

ADCΔ-∑های اندازه گیری تفکیک بالاکاربردهایی در بعضی زمینه ها شامل کنترل فرآیند، وضعیت سنسور ، ابزار دقیق وغیره می یابند که در شکل 3-8 نشان داده شده است. بدلیل نیازهای مختلف ،این Δ-∑ها در نوعی از ترکیبات و اختیارات پیشنهاد می شوند. برای نمونه ، وسایل آنالوگ رایج 2004 بیشتر از24 محصول مختلف ADCΔ-∑ تفکیک بال در دسترس قرار می دهند. به همین دلیل ،قرار دادن همه کاربردها ومحصولات در یک بخش غیر ممکن است ومعقول نمی باشد ، بنابراین ما روی بعضی از نمونه های وضعیت سنسور که با مثال یا شکل مهمترین اصول کاربرد را شرح خواهند داد ، تمرکز خواهیم کرد .

چون بعضی سنسورها بعنوان گیج های فشار ، جریان سنجها، سنسورهای فشار و سلول های بار درمداراتی که بر مبنای مقاومت هستند استفاده می شوند ، ما ADC ، AD7730 را بعنوان یک مثال در سنجش مقیاس(ترازوی مدرج) طراحی خواهیم کرد . یک بلوک دیاگرام از AD7730 در شکل 2-8 نشان داده شده است.

¨ کنترل فرآیند

• mA20-4

¨ سنسورها

• مقیاس سنج(ترازوی مدرج)
• فشار
• دما

¨ ابزار دقیق

• مانیتورینگ گاز
• تجهیزات دستی (قابل حمل)
• تجهیزات پزشکی

 

 

شکل 3-8: کاربردهای نوعی ADCΔ-∑های تفکیک بالا

 

 

 

 

 

شکل 4-8 : AD7730 تک- تغذیه پل ADC

 

قلب AD7730 هستۀ 24 بیتی Δ-∑ است. AD7730 یک پیش فرض (پیش درآمد) آنالوگ برای سنجش مقیاس وکاربردهای اندازه گیری فشار است .شیوۀ دریافت آن به این صورت است که سیگنال های تراز پایین را بطور مستقیم از یک ترانسدیومروخروجی های یک کلمه دیجیتال سریال می پذیرد .

سیگنال ورودی برای یک پیش فرض تقویت قابل برنامه ریزی که اطراف یک مدلاتور آنالوگ پایه ریزی شده است بکار می رود . خروجی مدلاتور بوسیلۀ یک فیلتر دیجیتال قابل برنامه ریزی پایین گذر ، اجازۀ تنظیم برش فیلتر ،نسبت به خروجی وتنظیم زمان را می دهد . پاسخ فیلتردیجیتال داخلی در شکل 5-8 نشان داده شده است.

 

شکل 5-8 : پاسخ فرکانسی فیلتر دیجیتال AD7730

 

دو مشخصه جدا ازهم ورودی های آنالوگ تقویت تفاضلی قابل برنامه ریزی به همان خوبی ورودی مرجع تفاضلی می باشند .قطعه از یک منبع v 5+ تکی تغذیه می شود که چهار محدودۀ ورودی آنالوگ تک قطبی : mV 0 تا mV 10+ ، Mv 20+ ، mV40+ وmV80+ و چهار محدودۀ دو قطبی : 10mV ،

20mV،40mV،80mV را می پذیرد .تفکیک کد بدون پارازیت نوک به نوک (Peak-to-Peak) بطور مستقیم از قطعه 1 در000,230 شماره انجام پذیر می باشد . یک DAC 6 بیتی یک تکه ( (on-chip اجازۀ تغییر محل ولتاژهای TARE را می دهد.

همچنین سیگنال های ساعتی برای همزمانی تحریک acپل تغذیه می شوند.واسط سریال روی قطعه می تواند برای عملکرد سه سیمه شکل گرفته وبامیکروکنترولرها و پروسسورهای سیگنال دیجیتالی سازگار می شود.

AD7730 شامل انتخابهای کالیبراسیون خودی و کالیبراسیون سیستم و ترکیبات جبران کننده رانش کمتر از nv/°c 5 ویک تقویت رانش(drift) کمتر از ppm/°c 2 است.

AD7730 قابل استفاده در یک DIP پلاستیکی 24 pin ،یک SOIC24 لیدی است .

AD7730 قابل استفاده در SOIC24 لیدی وبسته TSSOP 24 لیدی است .کلید مشخصات برای AD7730 در شکل 6-8 خلاصه شده است. جزیئات بیشتر در مورد عملکرد 7730AD را می توانید در مراجع 1و2 پیدا کنید.

¨ تفکیک 0000,8 شماره پیک توپیک (16.5 بیتی) برای

محدوده تمام مقیاس mV 10

¨ روش جداسازی برای رانش پایین و جبران آن

¨ رانش جبران کننده : nv/°c5 (روش جداسازی انجام می گیرد)

¨ رانش بهره برداری: ppm/°c 2

¨ فرکانس خطی معمول حالت بازپس دادن: db150

¨ پیش درآمدتقویت قابل برنامه ریزی دوکاناله

¨ DAC یک تکه (on-chip) برای جبران/رفع TARE

¨ روش گام ثابت

¨ درایوخروجی تحریک AC

¨ اختیارات کالیبراسیون سیستم وداخلی

¨ تغذیه V5+ تکی

¨ پراکنده سازی توان:mw65 (mw 125 برای

محدودۀ FSmv 10)

¨ بسته هایTSSOP 24 لیدی و 24 SOTCلیدی

 کنیک نسبت سنجی خیلی قدرتمند که شامل سنس Kelvin برای به حداقل رساندن خطاها به واسطۀ مقاومت سیم کشی است و همچنین برطرف کردن نیاز به ولتاژتحریک صحیح است که در شکل 7-8 نشان داده شده است.

اندازه گیری ADC AD7730 میتواند با یک ولتاژتغذیه تکی راه اندازی شودکه همچنین برای تحریک پل خارجی نیز استفاده شده است .هردوورودی آنالوگ وورودی مرجع به ADC ،امپدانس بالا وکاملا ََ تفاضلی هستند. با استفاده از خروجی های SENS+ و- از پل به عنوان مرجع تفاضلی برای ADC استفاده میشود ،ولتاژمرجع مناسب با ولتاژتحریک است که همچنین متناسب با ولتاژ خروجی پل نیز هست .اگرولتاژ تحریک پل واقعی متغیر باشد تلفاتی در اندازه گیری نیست .

شکل 7-8 :کاربرد پل AD7730 که عمل نسبت سنجی

و سنسKelvin را نشان میدهد

 

باید در نظرداشت که این تکنیک نسبت سنجی می تواند دربعضی کاربردها درجایئکه خروجی سنسورمتناسب با جریان یاولتاژتحریک است استفاده شود ، بعنوان مثال یک ترمیستور یا RTD .

 

تحلیل طراحی سنجش مقیاس(ترازوی مدرج) ADC AD7730

 

مااکنون اقدام به تحلیل طراحی ساده از یک ترزوی مدرج (سنجش مقیاس) طرح ریزی شده برای ADC، AD7730 ویک سلول بار استاندارد خواهیم کرد.شکل 8-8 عینیات طراحی برای سنجش مقیاس را نشان می دهد .کلید مشخصات،بارتمام مقیاس(Kg2 )وتفکیک (g 0.1 ( هستند . این مشخصات مقدمتا اساس سلول بارواحتیاجات ADC رامشخص می کند .

¨ ظرفیت 2Kg

¨ حساسیت 0.1g

¨ سایر ترکیبات

• دقت 0.1 %
• خطی بودن g0.1
• سرعت(R/s)
• قدرت(V Ac120 )
• ابعاد(دیمانسیون)( 2.6" 6. 87.5)
• محدوده سازنده(قانونی برای مبادله)

¨ فروش

• قیمت (400$)

 

شکل8-8 :مثال طرح مقیاس سنج(ترازوی مدرج)

 خصات یک سلول باری که شامل شرایط آن می باشد درشکل 9-8 نشان داده شده است . توجه کنید که سلول بار بر مبنای 4 گیج فشار ویژه متصل درشکل ترکیب پل استاندارد ساخته شده است .هنگامیکه بار روی نور(Beam) قرار می گیردو کم می شوندووافزایش می یابند که به زبان ساده « پل متنوع چهار عنصر» نامیده می شودوجزیئات آن درمرجع 1 ،فصل 2 شرح داده شده است .

سلول بار انتخاب شده یک بار تمام مقیاس Kg2 ویک خروجی با حساسیت mV/V2 دارد.به این معنی که با یک ولتاژتحریک 10V ، ولتاژ خروجی تمام مقیاس 20mV است .

اینجا به مشکل بزرگتری دروضعیت سیگنال سلول بار برمی خوریم: دیجیتال کردن و وسعت دادن با دقت سیگنال خروجی سطح(level ) پایین ، بدون اعوجاج آن با نویز امکان پذیرنیست. تحلیل خروجی باردر شکل 10-8 پیش برده می شود. با انتخاب ولتاژتحریک 5v ، ولتاژ خروجی پل تمام مقیاس فقط 10mV است . توجه کنید که خروجی همچنین متناسب با ( یا نسبت سنجی با) ولتاژتحریک است.

¨ بار کامل Kg2

¨ حساسیت 2mV/V

¨ القا 10 v max

¨ سایر ترکیبات

• امپدانس 350
• خطای مطلق % 0.025
• هیسترزیس % 0.025
• قابلیت تکرار % 0.01
• دمای Drift: ppm10
• Overload % 150
• ابعاد
• قیمت $200

 

شکل 8.9 :مشخصات ویژۀ سلول بار

 

¨ بار کامل: 2Kg

¨ حساسیت: 2 mV/V

¨ القا 5V

¨ ولتاژخروجی مقیاس کامل: 10mv

¨ ولتاژنسبی تحریک:

• نسبت سنجی

 

شکل 10-8:تعیین تمام مقیاس خروجی سلول بار با تحریک 5V

 

مرحلۀ بعد تعیین تفکیک احتیاجات ADC است ،وجزئیات آن در شکل 11-8 خلاصه شده است .مجموع سطوح(Levels) متعدد اختصاصی(شماره های) مورد نیاز برابربا وزن تمام مقیاس ( 2Kg) تقسیم برتفکیک مورد نظر(g 1.0) یاو000,20 شماره است. با ولتاژتحریک 5V ،ولتاژ خروجی سلول بار تمام مقیاس 10mV برای بار 2Kg است .

تفکیک بدون نویز مورد نیاز ، بوسیلۀ رابطۀ V 10mV/20,000 = 0.5 = بدست می آید ،که به عنوان پهنای کد تعریف می شود ونویز پیک تو پیک باید کمتراز V 0.5 باشد .به طریق مشابه مقدار نویز مؤثر (rms) بوسیلۀ رابطۀ :

 

داده می شود .( فاکتور6.6 برای تبدیل نویز پیک توپیک به نویز مؤثر (rms ) ،فرضا˝ نویز گوس استفاده می شود.)

  

شکل 11-8 :تعیین احتیاجات تفکیک

 

تفکیککد بدون نویز ADCبه طریق زیر محاسبه می شود:

 

تفکیک مؤثرADCبه طریق زیر محاسبه می شود:

 

شکل 12-8 تفکیک وضعیت سنسور قدیمی دراین مسئله را نشان می دهد ، هنگامیکه یک آمپلی فایر ابزاردقیق برای بزرگ کردن سیگنال خروجی پل تمام مقیاس 10mV به نویز کم استفاده می شود ،رانش کم در آمپلی فایر مثلا˝ دقت AD620 در آمپلی فایر(مرجع4) که 0.1Hz نویز پیک توپیک 280nV، تقریبا˝6.6=42-nV260nV مؤثر (rms)دارد.

 

شکل 12-8 :دسترسی قدیمی به طراحی

¨ طراحی پیچیده

¨ فیلتر پایین گذرکه نیازاست برای پایین نگه داشتن نویز

• برای مثال (طراحی فیلتر مشکل است)

¨ آمپلی فایر ابزاردقیق نمایش بحرانی دارد

• نویز کم

تأثیر کم، گین خطای پایین

  نیازمندی بحرانی دیگرسیستم یک فیلتر پایین گذر برای برطرف کردن نویزوپیک آپ 50/60 Hz است . یک سیگنال 3db با پهنای باند 10Hz فرض می شود ، فیلتر باید دست کم 60db در 50db باشد-طرح فیلتر برای گذاشتن در آن بطور ملایم مورد تردید قرارمی گیرد !دراینجا ملاحظا ت دیگری درطراحی شامل ثبات دو ولتاژمنبع ، بافر VREF1 آمپلی فایر OP وغیره وجود دارد.

بالاخره ،ADC ادعای جدید دیگری را ارائه می دهد ،نیاز اجرای کد بدون نویز 14.3 بیت با یک سیگنال ورودی تمام مقیاسV 2.5 –اشاره به یک ADC 16بیتی با کمتر از تقریبا˝-LSB3 پیک تو پیک( 0.45-LSB مؤثر) نویز ورودی اشاره شده دارد .

برای اجتناب ازاین مشکلات طرح وضعیت سیگنال ، طرح پایه ریزی شدۀ AD7730 که در شکل 13-8 نشان داده شده است. به راستی نیاز حل ظریف بدون آمپلی فایر ابزار دقیق ،مرجع یا فیلتر را نشان می دهد.توجه کنید که واسط های پل مستقیما˝ با AD7730 مرتبط اندکه قبلا˝در شکل7-8 نشان

داده شد. PGA رودی AD7730 نیاز به تهیه یک محدوده ورودی تمام مقیاس 10mV با انتخاب قابل برنامه ریزی برای جروجی در amp را برطرف می کند. Kelvin sensing برای حذف خطا ها بوسیلۀ مقاومت سیم کشی درخطوط تحریک پل استفاده می شود پل بطور مستقیم از تغذیۀ +5V راه اندازی می شود وخطوط سنس ولتاژمنبع ADC بکار می روند در نتیجه تأمین کامل عملکرد نسبت سنج که قبلا˝شرح داده شد نیاز به یک فیلتر کامل را برطرف می کند- قطع خازن سرامیکی ساده روی هرو رودی مرجع و آنالوگ (روی دیاگرام نشان داده نشده است) کافی است .

 

شکل 13-8 :طرح مورداستفاده AD7730

 

 

¨ AD7730 طراحی شده بود برای پل ترانسدیوسری

• برشگر، بافر، PGA ،فیلتردیجیتال،وزنDAC ،کالیبراسیون

¨ نسبت سنج کامل ،تغییرات در عناصر =

• بار / واطلاعات AD7730/ و=

 

اجزاء سیستم طراحی شده می توانند بوسیلۀ جزئیات آزمایش از اوراق اطلاعات AD7730 ، جدول ΙوΙΙ ک در شکل 14-8 نشان داده شده ، تعیین می شوند . جدول Ι خروجی rms نویز در nv از تابع میزان اطلاعات خروجی ، فرکانس 3db فیلتردیجیتالی ومحدودۀ ورودی را نشان می دهد .(روش برش در همۀ موارد موجود است) میزان خروجی اطلاعات از بارهای 200Hz یک فیلتر زاویه فرکانس 7.9Hz که برای کاربرد مناسب است در دست می باشد . با محدودۀ ورودی mV 10 ،خروجی مؤثر نویز 80nv است که با نویز پیک تو پیک مطابق است ، 6.6 =528 nv 80nv=

تعداد شماره های بدون نویزاز رابطه زیر بدست می آید:

nv = 18,940 528/mV10 = /

بنابراین تفکیک سیستم برای یک بار 2Kg ،2Kg/ 18,940=0.105g می شود که تقریبا˝ مقدار مورد نیاز 0.1g است.

 شکل14-8 : تعیین تفکیک AD7730 از اوراق اطلاعات

 همچنین جدول ΙΙ می تواند تفکیک کد بدون نویزی که40,000 شماره (15.5 بیت بدون نویز) برای محدودۀ ورودی mV 10دارد را تعیین می کند،که باید بر فاکتور 2 تقسیم شود چون فقط نیمی از محدودۀ ورودی استفاده شده است . بنابراین طرح واقعی تقریبا ˝20,000 شماره ای (14.5 بیت بدون نویز)تهیه می شود که به دقت با محاسبه قبلی بدست می آید . محاسبات مختلف دشکل 15-8 خلاصه شده است .