Univerzální obvod rozhraní (UTI) Revoluce v mìøicích obvodech pro senzory

Transkript

1 Univerzální obvod rozhraní (UTI Revoluce v mìøicích obvodech pro senzory

2 Vlastnosti Komunikace senzorù kapacitních, odporových senzorù Pt, termistorù, odporových mùstkù a potenciometrù s èíslicovými procesory ultiplení mìøení nìkolika senzorù Jednoduché napájení 2,9 V 5,5 V Proudová spotøeba pod 2,5 ma Rozlišení a linearita 13 až 14 bitù Prùbìžná automatická kalibrace zisku a ofsetu Výstupní signál sluèitelný s mikrokontroléry Tøístavový výstup Doba mìøení typicky 10 ms nebo 100 ms 2/3/4 - vodièové pøipojení témìø všech senzorù Støídavé budící napìtí pro všechny senzory Potlaèení rušení o kmitoètech 50/60 Hz Režim èinnosti s odpojeným napájením (power down Rozsah teploty -40 C až 85 C Pracovní teplota èipu až do 180 C 1. Obecný popis Univerzální obvod rozhraní (Universal Transducer Interface - UTI je úplný analogový mìøicí obvod založený na modulaci doby periody oscilátoru vhodný pro použití v nízkofrekvenèních aplikacích. Senzor mùže být spojen s UTI pøímo bez použití dalších elektronických obvodù. Ke správné èinnosti je tøeba pouze jeden erenèní prvek stejné fyzikální podstaty jakou má senzor. Obvod UTI generuje signál s promìnnou periodou plnì sluèitelný s mikrokontroléry. UTI mùže být použit jako rozhraní pro: Kapacitní senzory s kapacitou promìnnou v rozsazích 0-2 pf, 0-12 pf, a promìnným rozsahem až do 300 pf Odporové teplomìry Pt100, Pt1000 Termistory 1 kω - 25 kω Odporové mùstky 250 Ω - 10 kω s maimální hodnotou nevyvážení +/- 4 % nebo +/- 0,25 % Potenciometry 1 kω - 50 kω Kombinace výše uvedených elementù UTI je ideálním rozhraním pro inteligentní systémy založené na mikrokontrolérech. Výstupní data jsou pøenášena jediným vodièem èímž se zmenšuje celkový poèet spojovacích cest a optických èlenù vyžadovaných pøi práci s izolovanými systémy. Prùbìžná automatická korekce ofsetu a zisku je založena na kalibraci metodou tøí signálù. Pomalu promìnné rušivé signály (napø. parazitní termoèlánky, sí jsou potlaèeny støídavým buzením senzorù. Konfigurace obvodu pro zvolenou funkci lze realizovat programem nebo propojením vývodù. 2. Zapojení vývodù UTI se dodává v plastickém pouzdru DIP se 16-ti vývody, nebo v provedení SOIC s 18-ti vývody. Seznam funkcí jednotlivých vývodù je uveden v tabulce tab.1. Obr.1 Uspoøádání vývodù Název vývodu Funkce vývodu V DD, V ss Napájecí zdroj A, B, C, D, E, F Pøívody k senzorùm SEL1..SEL4 Výbìr módu (viz tab. 2 OUT Výstup SF Volba módu Slow/fast CL Volba módu CUX02/CUX12 PD Snížený výkon (tøístavový režim 3. ezní hodnoty Tab 1. Popis funkcí vývodù T A +25 C Napìtí napájecího zdroje -0,3 V do +7 V Proud z napájecího zdroje (proud do senzoru neuvažován 3 ma Rozptýlený výkon 21 mw Rozptýlený výkon v režimu sníženého výkonu (PD 7 µw Výstupní napìtí -0,3 V do V DD +0,3 V Výstupní proud 8 ma Výstupní impedance 60 Ω Vstupní napìtí vztažené k V SS -0,3 V do V DD +0,3 V Vstupní proud na každém vývodu ±20 ma Odolnost proti elektrostatickým úèinkùm (ESD > 4000 V Skladovací teplota -65 C do +150 C Rozsah pracovních teplot -40 C do +85 C Pájecí teplota (po dobu 10 sec +300 C 2

3 4. Obecné údaje 4.1 Pøehled režimù èinnosti SEL1 SEL2 SEL3 SEL4 ód èinnosti Poèet fází Název Èíslo módu kondenzátorù s kapacitou 0-2 pf 5 C kondenzátory s kapacitou 0-2 pf 3 C kondenzátorù s kapacitou 0-12 pf 5 C Kondenzátory 0-2 pf, vnìjší UX CL0 Kondenzátory 0-12 pf, vnìjší UX CL1 - CUX kondenzátory, promìnný rozsah do 300 pf 3 C Odporový teplomìr Pt100-Pt1000, 4 vodièe 4 Pt Termistor 1 kω-25 kω, pøipojení 4 vodièe 4 Ther nebo 3 platinové teplomìry Pt100-Pt Pt nebo 3 termistory, 1kΩ-25 kω, 5 Ther Odporový mùstek,. je V bridge, +/- 200 mv 3 Ub Odporový mùstek,. je V bridge, +/- 12,5 mv 3 Ub Odporový mùstek,. je I bridge, +/- 200 mv 3 Ib Odporový mùstek,. je I bridge, +/- 12,5 mv 3 Ib Odp. mùstek a dva odpory, +/- 200 mv 5 Brg Odp. mùstek a dva odpory, +/- 12,5 mv 5 Brg potenciometry 1 kω-50 kω 5 Potm 15 Tab 2. ódy èinnosti UTI, názvy módù a poèet fází v 1 cyklu 4.2 Kalibrace metodou tøí signálù etoda tøí signálù slouží k vylouèení chyb zpùsobených promìnným ofsetem (posuvem nuly a ziskem lineárních systémù. Dva známé erenèní signály jsou použity k zjištìní pøenosu lineárního systému (tj. hodnot posuvu nuly a zisku. Tøetí signál odpovídá pùsobení mìøené velièiny a tvoøí výstupní signál senzoru. Pøedpokládejme, že systém má lineární pøenosovou funkci ve tvaru: ke + i i Odezva systému i na vstupní signály E 1 0, E 2 E a E 3 E je popsána vztahy: ke ke + + Z namìøených výstupních hodnot urèíme pomìr mìøené velièiny k erenèní ve tvaru: E E Rovnice (3 ukazuje, že kalibrace tøemi signály, využívána v obvodu UTI, vyluèuje rušivé úèinky promìnného ofsetu a zisku systému k, za pøedpokladu, že systém se chová jako lineární, tj. pro jeho pøenos platí rovnice (1. Realizace kalibrace tøemi signály vyžaduje pamì k uchování hodnot, a a èíslicový procesor pro výpoèet pomìru. Tyto funkce vykonává mikrokontrolér, jenž mùže navíc (1 (2 (3 pøevádìt výstupní signál senzoru s modulovanou periodou do èíslicového tvaru. Systém, zahrnující senzor, obvod zpracování signálu, obdobný jako UTI a mikrokontrolér, patøí do tøídy inteligentních senzorových systémù s mikrokontroléry. 4.3 Výstupní signály UTI Pravidla pro generaci výstupního signálu jsou ukázána na pøíkladu prùbìhu dvou úplných cyklù výstupního signálu UTI zobrazených na obr. 2. V popisovaném pøípadì se každý cyklus skládá ze tøí fází. Obr. 2. Výstupní signál z UTI pro tøí fázový mód èinnosti. Bìhem první fáze T se mìøí ofset (posuv nuly celého systému. V druhé fázi T, se mìøí odezva na erenèní velièinu a v poslední fázi T se urèuje odezva na mìøenou velièinu. Jednotlivé fáze jsou automaticky øízené obvody UTI. Trvání každé fáze je úmìrné hodnotì velièiny mìøené v pøíslušné fázi. Trvání jednotlivých fází je uvedeno v následující tabulce: Pro mìøení kapacity Pro mìøení odporu T NK1C0 T NK2V0 T NK1( C + C0 T NK2 ( V + V0 T NK ( C + C T NK ( V + V

4 kde C a V jsou mìøené hodnoty výstupních signálù senzorù,. C a V jsou hodnoty erenèních velièin, C 0 a jsou konstanty (zahrnují napìtí ofsetu a pod., a hodnoty K 1 a pøedstavují zisk. Èinitel N odpovídá poètu period vnitøního oscilátoru v prùbìhu jedné fáze. V pomalém režimu èinnosti je N 1024, v rychlém režimu je N 128. Velièiny V a V mohou pøedstavovat napø. spád napìtí na odporu senzoru a erenèním odporu, nebo v pøípadì mùstkového mìøení výstupní a napájecí napìtí mùstku. Výstupní signál z UTI mùže být pøeveden do èíslicového tvaru èítáním poètù impulsù hodin v prùbìhu každé fáze. Výsledkem èítání (obsahem èítaèe jsou hodnoty N, N a N. ikrokontrolér vypoèítá z tìchto hodnot pomìry C /C resp. V /V využitím vztahù N N N N N N N N C C V V nebo Opìt je vidìt, že pomìr nezávisí na ofsetu a zisku systému, jelikož kalibrací tøemi signály je pøenos systému plnì urèen. Kalibrací se vylouèí i úèinky pomalu promìnných zmìn zisku a ofsetu. Èasová posloupnost (èasový multiple tøí fází je znázornìna na obr. 2. Fáze mìøení ofsetu T se skládá ze dvou krátkých intervalù, tj. frekvence je dvojnásobná. Tato vlastnost fáze ofsetu je mikrontrolérem zjištìna (pøíznak zaèátku cyklu a zaruèuje správnost výpoètu výrazù (4. Poèet fází v úplném cyklu se v závislosti na módu èinnosti mìní od 3 do Rozlišovací schopnost ikrokontrolér slouží k pøevodu výstupního signálu z UTI do èíslicové formy (digitalizaci. Algoritmus digitalizace je založen na zjiš ování úrovnì výstupního signálu (vzorkování. Jelikož nelze rozeznat zmìny úrovnì signálu za èas kratší než je interval mezi vzorky, je doba trvání jisté úrovnì signálu kvantována, tj. mìøitelná pouze jako celoèíselný násobek èasového kvanta odpovídajícího intervalu (periodì vzorkování. Takto vzniká kvantizaèní šum, omezující rozlišovací schopnost mìøení èasu. Odmocnina z rozptylu kvantizaèního šumu σ q je dána výrazem (4 kmitoètu. Avšak pøi práci v rychlém módu pøevládá úèinek kvantovacího šumu. Pøíklad závislosti namìøených hodnot rozlišovací schopnosti na dobì mìøení je na obr. 3. a platí pro èinnost v módu CUX. Závislost rozlišovací schopnosti na hodnotì parazitní kapacity pro mód CUX je na obr. 4. Obr. 3. Závislost rozlišovací schopnosti na dobì mìøení pøi kalibraci tøemi signály. ìøicí rozsah je roven 0-2 pf a parazitní kapacita C p 50 pf (viz obr. 7. Obr. 4. Závislost rozlišovací schopnosti pøi kalibraci tøemi signály na parazitní kapacitì C p. ìøicí rozsah je 0 2 pf. σ q 1 t 6 T s phase (4 kde t s je perioda vzorkování a T phase je trvání fáze. Napø. pro periodu vzorkování 1 µs a kmitoèet signálu ve fázi T rovný 50 khz, odmocnina z rozptylu kvantizaèního šumu v této fázi odpovídá rozlišovací schopnosti 12,5 bitù pro práci v rychlém módu a 15,5 bitù pro pomalý mód. Výpoètem prùmìru z nìkolika hodnot i zvyšuje rozlišovací schopnost. Výpoètem prùmìru pro P hodnot 1,..., P klesne hodnota σ q P krát. Rozlišovací schopnost je kromì kvantizaèního šumu omezena také tepelným šumem oscilátoru (tj. kolísáním jeho Obr. 5. Závislost nelinearity na parazitní kapacitì C p.. ìøicí rozsah je 0-2 pf. Linearita linearity pøevodní charakteristiky UTI odpovídá 11-ti a 13-ti bitùm, v závislosti na pracovním módu. Závislost nelinearity na parazitní kapacitì C p (viz obr. 7 pro práci v módu CUX je na obr. 5. 4

5 5. Výstup Obvod UTI generuje na svém výstupu signál s modulovanou periodou kompatibilní se signály mikrokontroléru. UTI generuje také signály pro buzení senzorù. V tab. 3 jsou uvedeny nìkteré charakteristické údaje výstupních signálù UTI. (V DD 5 V, T A +25 C Hodnota Jednotka Podmínky/poznámky V OL, napìtí log. úrovnì L 0,4 V ma V OH, log. úrovnì H V DD -0,6 V min Výstupní odpor z OUT 60 Ω aimální zátìž na OUT 8 ma V DD 5 V Výstupní odpor na vývodech 800 Ω Vývody B-F jsou použity jako výstupy v kapacitních B, C, D, E a F módech 0-4. aimální výstupní proud z E a F 20 ma Pro odpory a odporové mùstky Doba nábìhu rychlý mód 14 ns pomalý mód 14 ns Doba odbìhu rychlý mód 13 ns pomalý mód 13 ns Zpoždìní šíøením signálu t PLH 30 ms Tyto hodnoty jsou zmìøeny pro pomalý mód, (PD-OUT t PHL 30 ms pro rychlý mód jsou 8-krát menší. Zpoždìní šíøením signálu t PLH 30 ms Tyto hodnoty jsou zmìøeny pro pomalý mód, (SELi-OUT t PHL 30 ms pro rychlý mód jsou 8-krát menší. Tab. 3 Nìkteré charakteristické údaje výstupù obvodu UTI 6. Analogové vstupy Senzory rùzného typu mohou být pøímo pøipojeny na vstupy UTI. Spojení senzorù s UTI pro rùzné módy je popsáno v odstavci 8. Charakteristické údaje vstupù UTI jsou uvedeny v tabulce tab. 4. (V DD 5 V, T A +25 C Hodnota Jednotka Podmínky/poznámky Vstupní kapacita 20 pf Parazitní kapacita mezi A a B, C, D, E, F pf Pouzdro DIP Potlaèení rušení 50/60 Hz 60 db Tab. 4 Charakteristické údaje vstupù UTI. 7. Øídicí signály Obvod UTI mùže pracovat v 16 ti módech (viz odst K výbìru módu slouží vývody SEL1, SEL2, SEL3 a SEL4. ód mùže být vybrán programem nebo hardwarovì. V tab. 2 symbol 1 odpovídá napìtí V DD a symbol 0 uzemnìní (GND. Další módy èinnosti tj. rychlost mìøení (slow/fast a vypnutí napájení (power down a jsou ovládány signály SF a SD. Signál na vývodu SF slouží k nastavení rychlosti mìøení.pro SF 1 UTI pracuje v rychlém módu, v nìmž je trvání úplného cyklu výstupního signálu pøibližnì 10 ms. Pro SF 0 UTI pracuje v pomalém módu a trvání úplného cyklu výstupního signálu je asi 100 ms. Vývod PD slouží k odpojení napájení. Pro PD 0 je UTI odpojen od napájení a výstupní svorka je na vysoké impedanci (plovoucí. Pak je možné spojit výstupy nìkolika UTI k jedinému vodièi za pøedpokladu, že je vybrán (PD1 pouze jeden z nich. Vývod CL je vždy spojen se zemí (GND s výjimkou provozu v módu CUX. V tomto módu (CUX vývod CL slouží k výbìru rozsahu. Lze volit mezi rozsahy 0 12 pf (CL 0 a 0-12 pf (CL 1. Všechny analogové a èíslicové vstupy jsou chránìny pøed úèinky elektrostatického náboje (ESD. Plovoucí vstupní vývody až na stanovené výjimky nejsou pøípustné. 8. ódy èinnosti V tomto odstavci budou uvedeny vlastnosti UTI pøi rùzných módech jeho èinnosti. Názvy módù odpovídají tab 2. Pokud nebude jinak uvedeno, platí další popis pro øídicí signály ve stavech CL 0 a SF 0. V dalším budou pro jednotlivé módy stanoveny tyto dùležité parametry: pøesnost, rozlišovací schopnost, poèet fází èinnosti, parametry signálù v jednotlivých fázích. 5

6 Posloupnost fází je vztažena k fázi 1 urèené k mìøení ofsetu obvodu. Tato fáze slouží také k synchronizaci èinnosti mikrokontroléru a proto kmitoèet signálu je v této fázi dvojnásobný. Údaje dále uvedené byly získány mìøením s mikrokontrolérem Intel 87C51FA pracujícím se vzorkovacím kmitoètem 3 Hz. Tím se však neomezuje možnost použití jiných mikrokontrolérù. 8.1 ód 0. C25: 5 kondenzátorù 0-2 pf V tomto módu lze mìøit postupnì 5 kondenzátorù s kapacitami v rozsahu 0-2 pf. Jedna z elektrod všech kondenzátorù musí být spoleèná. Zapojení kondenzátorù je na obr 6. Kondenzátor C p pøedstavuje kapacitu kabelù (pøívodù. Spoleèná ( pøijímací elektroda je pøipojena na vývod A. Signály na vysílacích elektrodách (B až F mají pravoúhlý prùbìh s amplitudou V DD. Vývody ke kondenzátorùm, které nejsou právì mìøeny, jsou uvnitø obvodu spojeny se zemí. Jak je uvedeno v tab. 5, jeden mìøicí cyklus v módu C25 se skládá z 5-ti fází. Poèáteèní kapacita (ofset pøedstavuje parazitní kapacity mezi pøívodními drátky a podložkami integrovaného obvodu. Zahrnuje také kapacitu mezi vývody jeho pouzdra. Je-li poèáteèní kapacita pøíliš veliká, je nutné pracovat v módu CUX. V tomto pøípadì se používá eterní multipleer a poèáteèní kapacita mùže klesnout pouze na pf. 8.2 ód 1. C23: 3 kondenzátory 0-2 pf V tomto módu lze mìøit 3 kondenzátory s kapacitou v rozsahu 0-2 pf a jednou spoleènou elektrodou. Na rozdíl od módu C25 je jeden cyklus složen pouze ze 3 fází. Pøipojení kondenzátorù je stejné jako na obr 6, až na vynechání kondenzátorù C EA a C FA. Postup mìøení kondenzátorù v jednotlivých fázích je uveden v tab 7. Charakteristické údaje jsou v tab. 8. Fáze ìøené Periody výstupního kondenzátory signálu 1 C BA +C 0 T BA NK 1 (C BA 2 C CA +C 0 T CA NK 1 (C CA 3 C DA +C 0 T DA NK 1 (C DA Tab. 7 Kondenzátory mìøené v jednotlivých fázích módu C23 Fáze ìøené Perioda výstupního kondenzátory signálu 1 C BA + C 0 T BA NK 1 (C BA 2 C CA + C 0 T CA NK 1 (C CA 3 C DA + C 0 T DA NK 1 (C DA 4 C EA + C 0 T EA NK 1 (C EA 5 C FA + C 0 T FA NK 1 (C FA Tab. 5 Kondenzátory mìøené v jednotlivých fázích. Ve fázi 1 se mìøí kapacita C BA +C 0. Kmitoèet výstupu je v této fázi dvojnásobný, takže fáze je složena ze dvou krátkých period. Dvojnásobný kmitoèet první fáze umožòuje synchronizaci mikrokontroléru. V obecném pøípadì není mezi vývody B a A zapojen žádný kondenzátor. Charakteristické údaje pro mód C25 (mód 0 jsou uvedeny v tabulce (tab. 6. K 1 C 0 aimální kapacita C ia Linearita Rozlišení (SF 0, C p 30 pf Ofset (poèáteèní kapacita Obr. 6. Pøipojení kondenzátorù k UTI 10 ms/pf 2 pf 2 pf 13 bitù 14 bitù < pf Tab. 6. Charakteristické údaje pro módy C25 a C ód 2. C12: 5 kondenzátorù 0-12 pf V tomto módu lze mìøit 5 kondenzátorù s jednou spoleènou elektrodou a kapacitou v rozsahu 0-12 pf. Pøipojení kondenzátorù k UTI je na obr. 6. aimální hodnota kapacity C ia (inde i znamená B, C, D nebo E je 12 pf. Poèet fází je 5. Charakteristické údaje jsou uvedeny v tabulce (tab. 8. Kondenzátory mìøené v jednotlivých fázích jsou uvedeny v tabulce (Tab 5. Na rozdíl od módu 0 maimální mìøitelná kapacita 12 pf. K 1 C 0 aimální kapacita C ia Linearita Rozlišení (SF 0, C p 30 pf Ofset (poèáteèní kapacita Tab. 8 Charakteristické údaje pro mód C ms/pf 12 pf 12 pf 13 bitù 14 bitù < pf Poèáteèní kapacita (ofset pøedstavuje parazitní kapacity mezi pøívodními drátky a podložkami integrovaného obvodu. Zahrnuje také kapacitu mezi vývody jeho pouzdra. Je-li poèáteèní kapacita pøíliš veliká, je nutné pracovat v módu CUX. V tomto pøípadì se používá eterní multipleer a poèáteèní kapacita mùže být pouze pf. 8.4 ód 3. CUX: kondenzátory 0-2 pf/0-12 pf, eterní UX V tomto módu lze mìøit libovolný poèet kondenzátorù v rozsahu kapacit 0-2 pf (CL 0 nebo 0-12 pf (CL 1. Kondenzátory musí mít jednu spoleènou elektrodu. Jelikož výbìr fází mìøení neprobíhá v UTI, je nutné použít eterní multipleer. Pro takováto mìøení vyvinul Smartec 6

7 nový multipleer UX s devíti výstupy a ètyømi vstupy. Charakteristické údaje módu CUX jsou uvedeny v tabulce (Tab. 9. Typ. hodnota Typ. hodnota (CL 0 (CL 1 K 1 10 ms/pf 1.7 ms/pf C 0 2 pf 12 pf aimální kapacita C ia 2 pf 12 pf Linearita (C p < 300 pf 13 bitù 13 bitù Ofset pf pf Rozlišení (SF 0, C p < 30 pf 14 bitù 14 bitù Tab. 9 Charakteristické údaje pro mód CUX Pøíklad uspoøádání mìøicího obvodu je na obr.7. Eterní multipleer øízený mikrokontrolérem (µc, pøepíná signály na vývodu B k jednomu (nebo vícero kondenzátorùm. Výstup UTI je na vývodu output jmenovitý kmitoèet výstupního signálu bìhem mìøení ofsetu (žádný z kondenzátorù není pøipojen 6 khz (SF 1 nebo 50 Hz (SF 0. Aby odchylka od linearity byla menší než 10-3, nesmí maimální hodnota celkové kapacity na vývodu A pøekroèit hodnotu 500 pf. Rozkmit napìtí na vysílacích elektrodách je roven V EF a mùže být nastaven eterními odpory R 1, R 2 a R 3, na jejichž pøesnosti pøíliš nezáleží. Odpory R 1 nebo R 3 mohou mít i nulovou hodnotu. Stejnosmìrné napìtí V EF musí vyhovovat podmínce V EF < K V /C ma, kde konstanta K V 60 V pf, a C ma je maimální hodnota C BA, C CA a C DA vyjádøená v pf. Celková èasová konstanta všech odporù a kondenzátorù musí být menší než 500 ns. Z této podmínky lze urèit hodnoty odporù. Pøíklad. Pro C CA 300 pf, C DA 200 pf, C BA 0 a V DD 5 V, praktické hodnoty odporù jsou R 1 25 kω, R 2 1 kω a R 3 0. Rozkmit napìtí V EF na vysílací elektrodì dosahuje 0,2 V. Systém obsahuje dvì èasové konstanty C tot (R 3 //(R 1 +R 2 a C tot (R 1 //(R 2 +R 3, kde C tot C BA +C CA +C DA +C p. Obì èasové konstanty musí být menší než 500 ns. Nelinearita a rozlišovací schopnost v pomalém módu jsou uvedeny v tab. 10. Údaje platí pro hodnoty C DA 0 pf, C p 30 pf a maimální hodnotu V EF K V /C ma, jak bylo døíve uvedeno. ìøení kondenzátorù probíhá postupnì v jednotlivých fázích tak, jak je uvedeno v tab. 11. Kondenzátory Nelinearita Rozlišení (pf C BA C CA 33 pf C BA C CA 150 pf C BA C CA 270 pf C BA C CA 330 pf C BA C CA 560 pf Tab. 10. Nelinearita a rozlišovací schopnost v módu C300 Obr.7. Pøíklad je uspoøádán pro mìøení skupiny kondenzátorù v módu CUX 8.5 ód 4. C300: 3 kondenzátory, rozsah až do 300 pf V tomto módu lze mìøit 3 kondenzátory se spoleènou elektrodou s rozsahem promìnným až do 300 pf. Zapojení kondenzátorù a vnìjších odporù je na obr.8. Odpory slouží k nastavení rozsahu zmìn napìtí na vysílacích elektrodách C ia Fáze Kapacita Perioda výstupního signálu 1 C BA + C 0 T BA NK 1 (C BA 2 C CA +C 0 T CA NK 1 (C CA 3 C DA +C 0 T DA NK 1 (C DA Tab 11. Kondenzátory mìøené v jednotlivých fázích módu C ód 5. Pt: 1 platinový odpor Pt100/ Pt1000, 4-vodièové pøipojení V tomto módu se mìøí odpor jednoho Pt odporového senzoru a jednoho erenèního odporu. Pøipojení odporù k UTI je na obr. 9. Oba odpory jsou mìøeny ve ètyøvodièovém uspoøádání (2 napì ové monitorovací a 2 proudové napájecí pøívody, takže chyby vlivem odporu pøívodù jsou vylouèeny. Pravoúhlé napájecí napìtí V EF má kmitoèet rovný 1/4 kmitoètu interního oscilátoru a amplitudu rovnou V DD. Odpory R BIAS1 a R BIAS2 slouží k nastavení proudu odporem. Jsou-li oba stejné, pøesnost mìøení je z dùvodu symetrie vyšší. Nulová hodnota jednoho z odporù zmenší pøesnost, nelinearita se však nezmìní. Napø. pøi mìøení Pt100 nepøesnost dosahuje hodnoty ±40 mω. Jeden mìøicí cyklus je složen ze ètyø fází, sloužících k získání infomací pro 2-, 3- nebo 4-vodièové mìøení. Obr. 8. Zapojení senzorù k UTI v módu C300 7

8 Fáze ìøená napìtí Periody výstupního sigálu 1 T + 3 V CD + (V CD 4 V BC + T BC (V BC Tab. 12. Napìtí mìøená v jednotlivých fázích pøi mìøení Pt odporových senzorù Relativní zmìna odporu senzoru Pt100 je /K. Pøi proudu 2 ma to odpovídá zmìnì napìtí 780 µv/k. Rozlišovací schopnost v tomto módu je 7 µv, tj. v pøevodu na teplotu 9 mk. Tyto údaje platí pro práci v pomalém módu. Tab. 13 obsahuje charakteristické údaje UTI pøi práci v módu Pt. (V DD 5 V 0,36 V R BIAS (Pt100, ohøev mìø. proudem pøi tep. odporu 200 K/W 80 m,2 kω (5%, I 2 ma R BIAS (Pt1000, ohøev mìø. proudem pøi tep. odporu 200 K/W 80 mk 6.2 kω (5%, I 600 ma Budící proud z vývodù E a F 20 ma Posuv nuly (ofset 10 µv Linearita 13 bitù Rozlišení (SF 0 (Pt100, 2 ma 14 bitù (9 mk Tab. 13 Údaje pro Pt mód. Zvyšováním amplitudy napìtí V CD a V AB až na 2,5 V (rozkmit lze dosáhnout velmi dobré rozlišovací schopnosti. Vznikají však pøídavné chyby nelinearity a ohøevem mìøicím proudem. Pro rozkmit napìtí v rozmezí 0,7-2,5 V klesá linearita na 8 bitù. Odporové senzory Pt mohou být mìøeny také v módu 11. Obr. 9. Pøipojení platinových odporových senzorù k UTI ètyøvodièovì (a 3-vodièovì (b a 2-vodièovì (c 8.7 ód 6. Ther: 1 termistor, 4-pøívody V tomto módu se mìøí odpor jednoho termistoru a jednoho erenèního odporu. Pøipojení termistoru a erenèního odporu k UTI je na obr. 10. Výpoèet pomìru známého z rovnice (4, se pro jednotlivá pøipojení, tj. 2-, 3- a 4- vodièové liší a dává následující výsledky: 2,4 wire 3 wire T T T T phase3 phase2 phase3 phase2 T T T T phase4 R R R R (5 Linearita je lepší než 13 bitù za pøedpokladu, že rozkmit napìtí V AB a V CD je menší než 0,7 V pro V DD 5V. Pro V DD 3,3 V musí být rozkmit menší než 0,4 V. Tím je omezen proud platinovým senzorem. Omezení proudu je vyžadováno také z dùvodù zmenšení chyby zahøíváním mìøicím proudem. Napø. pro tepelný odpor 200 K/W (klidný vzduch pøi V CD 0,7 V a 0 C, zpùsobuje zahøátí vlivem mìøicího proudu chybu 1 K. Je-li takto vzniklá chyba pøíliš veliká, odpor R BIAS ( R BIAS1 + R BIAS2 musí být zvìtšen, aby se omezil proud senzorem Pt100. Chyba teploty ohøátím mìøeným proudem dosahuje pøi napìtí V CD 0,2 V hodnotu 80 mk. To je dvakrát menší než poèáteèní chyba Pt senzoru teploty tøídy A. Pro tento pøípad proud Pt100 má být 2 ma, takže potøebný odpor je R BIAS R BIAS1 + R BIAS2 2,2 kω. Obr. 10. Pøipojení termistoru k UTI: ètyøvodièovì (a, tøívodièovì (b a dvovodièovì (c 8

9 Budící napìtí V EF støídá polaritu a má amplitudu V DD /12.5 (0,4 V pøi V DD 5 V a stejnosmìrnou složku V DD /2. Pomìr odporù termistoru a erenèního odporu je urèen vztahy (6. Pøehled signálù mìøených v rùzných fázích podává tab. 12. Napìtí V AB není stálé a nese stejnou informaci o teplotì jako V CD. Tím se zlepšuje linearita charakteristiky senzoru. Pozn. Jde o známou linearizaci sériovým odporem voleným tak, aby inflení bod závislosti proudu na teplotì nastal uprostøed rozsahu. Tab. 14 obsahuje charakteristické údaje pøi práci v módu Ther. (V DD 5 V Typické hodnoty 56 ms/v 0.36 V R //R <5 kω R +R >1 kω Offset 10 µv Linearita 13 bitù Rozlišení (SF 0 7 µv (1 mk Tab 14. Údaje pro èinnost v módu Ther Velké a malé hodnoty hodnoty R (10-krát nebo 0,1-krát R zpùsobí pokles teplotní rozlišovací schopnosti, napì ová rozlišovací schopnost se však nezmìní. Teplotní rozlišovací schopnost termistoru s teplotním souèinitelem 4 %/K je rovna 1 mk pøi V DD 5 V. 8.8 ód 7. Pt2: 2 nebo 3 Pt senzory Tento mód je vhodný pro mìøení 2 nebo 3 platinových odporových senzorù teploty. Pøipojení senzorù k UTI je na obr. 11. Napìtí V EF je stejné jako v módu Pt. Fáze ìøená napìtí Periody výstupního signálu 1 T + 3 V CD + (V CD 4 V BC + T BC (V BC 5 V DF + T DF (V DF Tab. 15. Napìtí mìøená v jednotlivých fázích módu Pt2 Jeden z odporù R BIAS1 nebo R BIAS2 na obr. 11(a mùže mít nulovou hodnotu, avšak za cenu znížení pøesnosti. Pøi zapojení podle obr. 11(b není vylouèen vliv odporu pøívodù. Pøi mìøení R 3 v zapojení podle obr. 11(b odpor pøívodù uvnitø UTI zpùsobí chybu ekvivalentní zmìnì 0,9 Ω pro senzor Pt100 a 3 Ω pro senzor Pt1000. Tato chyba závisí na teplotì a napájecím proudu senzorù. 8.9 ód 8. Ther2: 2 nebo 3 termistory Tento mód je urèen pro mìøení 2 nebo 3 termistorù. Pøipojení termistorù je na obr. 12. ìøení probíhá v 5-ti fázích ve sledu uvedeném v tab. 15. Údaje v tabulce 15 platí také pro tento mód. Pøi zapojení podle obr. 11 (b není vylouèen vliv odporu pøívodù. Pøi mìøení R 3 v zapojení podle obr. 11 (b odpor pøívodù uvnitø UTI zpùsobí chybu ekvivalentní zmìnì 11,5 Ω pro odpor o hodnotì 2,5 kω. Tato chyba závisí na teplotì a napájecím proudu termistoru. Obr. 12. Pøipojení 2 (a a 3 (b termistorù k UTI Obr. 11. Pøipojení dvou (a nebo tøí (b Pt odporových senzorù teploty k UTI v módu Pt2 Pro proud senzorem platí stejné omezení jako v módu Pt. Základní údaje pro tento mód jsou v tab. 13. Odpor R 2 mùžeme mìøit ve ètyøvodièovém zapojení. Ve fázi 5 lze mìøit odpor jednoho pøívodu nebo odpor R 3. Jak je uvedeno v tab 15, hlavní rozdíl módu Pt2 vùèi módu Pt spoèívá v tom, že v Pt módu je jeden cyklus složen z 5-ti fází ód 9. Ub2: odporový mùstek,. napìtí je V bridge, nerovnováha +/- 4% Tento mód je urèen pro mìøení se senzory zapojenými v odporovém mùstku. Pak pomìr výstupního V CD a napájecího napìtí mùstku V AB odpovídá mìøené fyzikální velièinì. Nerovnováha mùstku mìøitelná v tomto módu je +/- 4 %. Pøipojení mùstku k UTI je na obr. 13. Napájecí napìtí mùstku V EF je pravoúhlé s amplitudou V DD a kmitoètem rovným 1/4 kmitoètu interního oscilátoru. Na obr. 13 (a je ètyøvodièové zapojení s proudovými a napì- ovými vodièi. Signály mìøené v jednotlivých fázích jsou uvedeny v tab

10 Výèet napìtí mìøených v jednotlivých fázích je uveden v tab. 18, základní údaje obsahuje tab. 19. Fáze ìøená napìtí Perioda výstupního signálu 1 T /32 + / V CD + (15 V CD Tab. 18. Napìtí mìøená v jednotlivých fázích módu Ub1 Obr. 13. Pøipojení odporového mùstku k UTI pøi mìøení v módu Ub2 ve 4-vodièovém (a a 2-vodièovém (b zapojení Ve fázi 2 se mìøí napájecí napìtí mùstku V AB. Toto napìtí je vydìleno v pomìru 32 pøesným dìlièem realizovaným na èipu. Dìliè nevyžaduje kalibraci. Vydìlené napìtí V AB je pak zpracováno stejnì jako napìtí V CD. Fáze ìøená napìtí Periody výstupního signálu 1 T /32 + /32 3 V CD + (V CD Tab. 16. Napìtí mìøená v jednotlivých fázích mód Ub2 ikrokontrolér vypoèítává nerovnováhu ze vztahu: 1 Tphase 3 Tphase 1 V 32 T T V phase2 0,54 V Napájení mùstku AC V DD Budící proud z E a F 20 ma ùstkový odpor R b 250 Ω < R b < 10 kω Výstupní napìtí mùstku ma +/- 0.2V Pøesnost 11 bits Ofset 10 µv Rozlišení (SF 0 7 µv CD AB (6 Typické hodnoty 0.54 V Napájení mùstku AC V DD Budící proud z E a F 20 ma ùstkový odpor R b 250 Ω < R b < 10 kω Výstupní napìtí mùstku ma +/ mv Pøesnost 10 bits Ofset 10 µv Rozlišení (SF nv Tab. 19. Údaje pro mód Ub ód 11. Ib2: odporový mústek,.proud I bridge, nerovnováha +/- 4% Tento mód je vhodný pro aplikace v nichž je mìøená velièina reprezentována výstupním napìtím mùstku a proudem jím protékajícím. Proud mùstkem je pøeveden na erenèní napìtí. Zapojení mùstku a erenèního prvku je na obr. 14(a. Odpor R volíme tak, aby platilo 0,1 V <V AB < 0,2 V. Jak je ukázáno na obr. 14 (b, mohou být v tomto módu mìøeny Pt odporové senzory ve ètyøvodièovém uspoøádání. Ve srovnání s módem Pt je výhodné, že k mìøení postaèí pouze 3 fáze. Tab. 17. Základní údaje pro mód Ub ód 10. Ub1: odporový mùstek,. V bridge, nerovnováha +/- 0.25% Tento mód je urèen pro mìøení se senzory zapojenými v odporovém mùstku, kdy pomìr výstupního V CD a napájecího napìtí mùstku V AB odpovídá mìøené fyzikální velièinì (viz obr. 13. ód Ub1 se liší od módu Ub2 dovolenou hodnotou nerovnováhy 0,25%. (V CD 12.5 mv pro V DD 5V. Pøipojení mùstku k UTI je stejné jako u módu Ub2. Interní napì ový zesilovaè zesiluje malé výstupní napìtí 15 krát. Po zesílení je zpracováno stejnì jako interním dìlièem zmenšené napájecí napìtí mùstku. Zesilovaè ani dìliè nevyžadují kalibraci. K výpoètu nerovnováhy lze opìt použít rovnici (7 s tím, že místo hodnoty 32 dosadíme 480. K pøipojení mùstku lze použít ètyø vodièù. Obr. 14. Pøipojení odporového mùstku a erenèního odporu k UTI (a a ètyøvodièové pøipojení Pt (b. Fáze ìøená napìtí Periody výstupního signálu 1 T + 3 V CD + (V CD Tab. 20. Napìtí mìøená ve fázích módu Ib2 10

11 0,54 V ùstkové napìtí AC V DD Budící proud z E a F 20 ma ùstkový odpor R b 250 Ω < R b < 10 kω Výstupní napìtí mùstku ma +/- 0.2 V Pøesnost 12 bitù Ofset 10 µv Rozlišení (SF0 7 µv Tab. 21. y módu Ib ód 12. Ib1: odporový mùstek,. je I bridge, nerovnováha +/-0.25% Èinnost je obdobná jako v módu 11. Zapojení mùstku a odporù je na obr. 14. ód 12 se liší od módu 11 hodnotou nerovnováhy mùstku, v módu 12 je rovna +/- 0,25 %. Pro napìtí U na erenèním odporu platí 0,1 V< U <0,2 V. ùstkové výstupní napìtí je zesíleno 15-krát a pak zpracováno stejnì jako erenèní. Napìtí mìøená v jednotlivých fázích jsou uvedena v tab. 22 a charakteristické údaje pro mód Ib1 v tab. 23. Fáze ìøená napìtí Perioda výstupního sig. 1 T V CD + (15V CD Tab. 22. Napìtí mìøená ve fázích módu Ib1 ikrokotrolér vypoèítává nerovnováhu mùstku ze vztahu: 1 Tphase 3 Tphase 1 VCD (7 15 T T IR phase2 Typické hodnoty 0,54 V Napájení mùstku AC V DD Budící proud z E a F 20 ma ùstkový odpor R b 250 Ω < R b < 10 kω Výstupní napìtí mùstku ma +/- 12,5 mv Pøesnost 10 bits Ofset 10 µv Rozlišení (SF nv Tab. 23. Charakteristické údaje pro mód Ib ód 13. Brg2: odporový mùstek +/- 4% a 2 odpory Tento mód je urèen k mìøení odporovým mùstkem s maimální hodnotou nerovnováhy +/- 4 % a dvou odporù. Jeden z odporù mùže být teplotnì závislý, takže teplotní závislost výstupu mùstku mùže být èíslicovì korigována. V tomto módu se mìøí jak napìtí na mùstku, tak i proud protékající mùstkem. Pravoúhlé napìtí V EF má amplitudu V DD a kmitoèet rovný 1/4 kmitoètu oscilátoru. Pro napìtí na R musí platit 0,1 V <U < 0,2V. ìøená napìtí jsou uvedena v tab. 24 a další údaje v tab. 25. Obr. 15. Pøipojení senzorù k UTI v módu 13 Fáze ìøená napìtí Periody výstupního signálu 1 T + 3 V CD + (V CD 4 V BF + T BF (V BF 5 V EA /32+ T EA (V EA /32 Tab. 24. Signály ve fázích módu Brg2 Napìtí na mùstku V EA je dìleno 32-krát a pak zpracováno stejnì jako ostatní mìøená napìtí. Napìtí mùstkové nerovnováhy urèuje vztah: 1 Tphase 3 Tphase 1 V 32 T T V phase5 Typické hodnoty 0,54 V Buzení V EF AC V DD Budící proud z E a F 20 ma ùstkový odpor R b 250 Ω < R b < 10 kω Výstupní napìtí mùstku ma +/- 0.2 V Pøesnost V CD /V EA 11 bitù Linearita V AB /V BF 12 bitù Ofset V CD nebo V AB 10 µv Rozlišení (SF 0 7 µv Tab. 25. Údaje pro mód Brg2 Vnitøní spojovací vodièe UTI mohou pøi mìøení V BF zpùsobit chybu, která pak pøi urèování pomìru V AB /V BF dosáhne asi 1,2 %.Tato chyba závisí na napájecím proudu mùstku a teplotì ód 14. Brg1: odporový mùstek +/- 0.25% a 2 odpory ód 14 je podobný módu 13 a jeho zapojení je uvedeno na obr. 15. Dovolená nerovnováha mùstku je nyní na rozdíl od CD EA (8 11

12 módu 13 rovna 0,25 %. Výstupní napìtí mùstku je pøed dalším zpracováním 15-krát zesíleno. Napìtí mìøená v jednotlivých fázích módu jsou v tab. 26 a charakteristické údaje módu v tab. 27. Fáze ìøená napìtí Perioda výstupního signálu 1 T V CD + (15V CD 4 V BF + T BF (V BF 5 V EA /32 + T EA (V EA /32 Tabulka 26. Napìtí mìøená ve fázích módu Brg1 0,54 V Buzení V EF AC V DD Budící proud z E a F 20 ma Odpor mùstku R b 250 Ω < R b < 10 kω Výstupní napìtí mùstku ma +/ mv Pøesnost pomìru V CD /V EA 10 bits Linearita pomìru V AB /V BF 12 bits Ofset V CD 10 µv Ofset V AB 10 µv Rozlišení V CD (SF nv Rozlišení V AB (SF 0 7 µv Tabulka 27. y módu Brg1 Odpory vnitøních spojovacích vodièù UTI zpùsobují pøi urèování pomìru V AB /V BF chybu asi 1,2 %. Chyba je závislá na napájecím proudu mùstku a teplotì ód 15. Potm: 3 potenciometry, 1 kω- 25 kω Tento mód je urèen k mìøení napìtí na bìžcích tøí potenciometrù s odpory v rozmezí 1 kω až 50 kω. Pøipojení potenciometrù k UTI je na obr. 16. Je-li pøipojen pouze jeden potenciometr s jezdcem pøivedeným napø. k vývodu B, další vývody C a D musí být spojeny s vývodem F. Napìtí na potenciometrech má pravoúhlý tvar s amplitudou V DD a kmitoètem rovným 1/4 kmitoètu interního oscilátoru. Obr. 16. Pøipojení potenciometrù k UTI Úèinky pøívodù k potenciometru nelze v tomto módu kompenzovat. Proto tento mód není vhodný pro potenciometry s malým odporem. Výèet napìtí mìøených v jednotlivých fázích módu je uveden v tab. 28. Fáze ìøená napìtí Perioda výstupního signálu 1 T 2 V EF + T EF (V EF 3 V CF + T CF (V CF 4 V BF + T BF (V BF 5 V DF + T DF (V DF Tabulka 28. Napìtí mìøená v jednotlivých fázích v režimu mìøení s potenciometry Relativní poloha jezdce potenciometru se urèí ze vztahu: T T phase3,4,5 2 (9 T phase2 T y1 + y 2 Odpor potenciometru R i Pøesnost 10-3 Rozlišení (SF 0 14 bitù Tab. 29 y módu Potm 9. Rozmìry èipu Obr. 17. Uspoøádání podložky s èipem UTI 10. Vývojová stavebnice (kit Pro vývoj aplikací s UTI je dodávána vývojová stavebnice (development kit. Stavebnice je pøímo pøipojitelná k osobnímu poèítaèi PC. Další praktické informace o použití UTI jsou uvedeny v Aplikaèních zprávách UTI. y 4 µs/v 5 V 1 kω < R i < 25 kω Podložka s èipem UTI je zobrazena na obr. 17. Rozmìry èipu jsou 3,1 mm 2,1 mm. V pøípadì zájmu o další informace, pøíp. vzorky obra te se prosím na adresu: ONITRON s.r.o., Dopravákù 723, Praha 8 Tel.: 02/ , 5 (02/ , 5 Fa: 02/ (02/ info@omnitron.cz 12