VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV AUTOMATIZACE A MĚŘICÍ TECHNIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF CONTROL AND INSTRUMENTATION PŘEVODNÍK PRO PIEZOELEKTRICKÉ SNÍMAČE SIGNAL CONDITIONING FOR PIEZOELECTRIC SENSORS BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Petr Stoklásek doc. Ing. Petr Beneš, Ph.D. BRNO 2015

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav automatizace a měřicí techniky Bakalářská práce bakalářský studijní obor Automatizační a měřicí technika Student: Petr Stoklásek ID: 153181 Ročník: 3 Akademický rok: 2014/2015 NÁZEV TÉMATU: Převodník pro piezoelektrické snímače POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: Cílem práce je návrh a ověření vlastností převodníku pro piezoelektrické snímače. 1. Zpracujte rešerši týkající se vhodných zapojení obvodů pro úpravu signálu z piezoelektrického snímače - nábojový zesilovač, napěťový zesilovač, ICP převodník. 2. Navrhněte a realizujte nábojový zesilovač a ICP převodník s převodní konstantou 10 mv/pc pro piezoelektrický snímač vibrací. 3. Porovnejte dosažené parametry - SNR, frekvenční rozsah, linearitu, stabilitu převodní konstanty s komerčně dostupnými zesilovači a převodníky. DOPORUČENÁ LITERATURA: Serridge,M. - Licht, T.R.: Piezoelectric accelerometer and vibration preamplifier handbook, Bruel&Kjaer, 1987. Termín zadání: 9.2.2015 Termín odevzdání: 25.5.2015 Vedoucí práce: doc. Ing. Petr Beneš, Ph.D. Konzultanti bakalářské práce: doc. Ing. Václav Jirsík, CSc. Předseda oborové rady UPOZORNĚNÍ: Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.

Abstrakt Cílem práce bylo najít a popsat různá zapojení převodníků pro piezoelektrické snímače vibrací. Její součástí je teoretický úvod do problematiky piezoelektrických snímačů a převodníků pro tyto snímače. V rámci bakalářské práce byl také proveden návrh dvou převodníků nábojového zesilovače v zapojení s aktivní zpětnou vazbou a nábojového zesilovače s ICP výstupem. Jejich parametry byly změřeny a výsledky jsou přiloženy k práci. Klíčová slova Převodníky pro piezoelektrické snímače, nábojový zesilovač, napěťový zesilovač, piezoelektrické snímače, návrh převodníku, ICP převodník Abstract The aim of this thesis was to find and describe different circuit designs of transducers for piezoelectric vibration sensors. The thesis contains introduction to piezoelectric sensors and transducers design. Two transducers were designed charge amplifier with active feedback and charge amplifier with ICP output. Measurement results of these were processed and are attached to the thesis. Keywords Transducers for piezoelectric sensors, charge amplifier, voltage amplifier, piezoelectric sensors, transducer design, ICP transducer 3

Bibliografická citace STOKLÁSEK, P. Převodník pro piezoelektrické snímače. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2015. 45 s. Vedoucí bakalářské práce doc. Ing. Petr Beneš, Ph.D. 4

Prohlášení Prohlašuji, že svou bakalářskou práci na téma Převodník pro piezoelektrické snímače jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této bakalářské práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb. V Brně dne 22.5.2015... Petr Stoklásek 5

1. OBSAH 1. Obsah 6 2. Úvod 8 3. Piezoelektrická čidla vibrací 9 4. Převodníky pro piezoelektrická čidla vibrací 12 4.1. Nábojový zesilovač 12 4.2. Napěťový zesilovač 14 5. Řešení převodníků 16 5.1. Zapojení nábojového zesilovače 16 5.1.1. Základní zapojení nábojového zesilovače 16 5.1.2. Nábojový zesilovač s T článkem ve zpětné vazbě 16 5.1.3. Nábojový zesilovač s aktivní zpětnou vazbou 17 5.1.4. Nábojový zesilovač se zesilováním napětí 17 5.1.5. Rozdílový nábojový zesilovač 18 5.1.6. Nábojový zesilovač s vyváženými vstupními impedancemi 18 5.1.7. Zapojení převodníku Aura C 2.2 19 5.1.8. Diferenciální nábojový zesilovač 19 5.1.9. Porovnání zapojení nábojového zesilovače 20 5.2. Zapojení napěťového zesilovače 21 5.2.1. Neinvertující napěťový zesilovač 21 5.2.2. Neinvertující napěťový zesilovač s vyváženými vstupními impedancemi 21 5.2.3. Napěťový zesilovač se vstupním T článkem 22 5.2.4. Napěťový zesilovač s nulováním stejnosměrného napětí na výstupu 22 5.2.5. Napěťový zesilovač s paralelními zesilovači 23 5.2.6. Porovnání zapojení napěťového zesilovače 23 6. ICP výstup převodníku 24 6.1. Napájení ICP snímače 24 6.2. Řešení ICP výstupu 25 6.2.1. Zapojení výstupu převodníku IEPE 100 25 6.2.2. Akustický snímač s ICP napájením a elektronickým katalogovým listem 27 7. Napájecí modul pro ICP snímače 28 8. Návrh nábojového zesilovače 29 8.1. Naměřené parametry převodníku 32 9. Návrh nábojového zesilovače s ICP výstupem 34 9.1. Postup návrhu nábojového zesilovače 34 9.2. Naměřené parametry nábojového zesilovače 37 10. Porovnání převodníků 40 11. Závěr 41 12. Seznam obrázků 42 6

13. Seznam použité literatury 43 14. Seznam příloh 45 7

2. ÚVOD Piezoelektrické snímače slouží k měření síly a zrychlení. Snímač pracuje na principu piezoelektrického jevu, kdy se při deformaci piezoelektrického krystalu hromadí na jeho povrchu náboj. Ze své fyzikální podstaty není možné tímto typem snímače provádět statická měření zrychlení. Proto se používají zejména k dynamickým měřením, jako je měření vibrací. Výstupní signál z piezoelektrického snímače je slabý a má velmi vysokou impedanci. Je proto vhodné ho zesílit a vytvořit z něj signál s malou výstupní impedancí, který je možné dále zpracovat, např. pomocí A/D převodníku. Tuto činnost provádí převodníky pro tento druh snímačů. Převodník vybíráme v závislosti na tom, jaký snímač chceme použít. Pro snímače s malou vnitřní kapacitou (a tudíž velkou napěťovou citlivostí) se používají napěťové zesilovače. Jeho velikou nevýhodou je, že převodník musí být umístěn velmi blízko snímače, protože jeho citlivost přímo závisí na délce přívodních vodičů. Při použití snímače s velkou nábojovou citlivostí je vhodné zvolit nábojový zesilovač. Vliv přívodních vodičů na zesilovaný signál je poměrně malý, takže je možné umístit převodník dál od snímače. V současné době se často používají převodníky napájené zdrojem konstantního proudu. Jejich velkou výhodou je připojení převodníku pouze pomoci dvou vodičů. Cílem mé práce je shromáždění různých zapojení obvodů pro zpracování signálu z piezoelektrických snímačů vibrací, popsat jednotlivá řešení a jejich výhody a nevýhody. Tato práce také zahrnuje postup návrhu dvou převodníků nábojového zesilovače s nulováním stejnosměrného napětí na výstupu a nábojového zesilovače v nejjednodušším zapojení s ICP výstupem. Dále byl navržen jednoduchý modul na napájení ICP převodníku. 8

3. PIEZOELEKTRICKÁ ČIDLA VIBRACÍ Při silovém působení na piezoelektrický materiál se začne kladný a záporný náboj shromažďovat na opačných koncích krystalu. Náboj vyloučený krystalem je přímo úměrný velikosti síly, která na něj působí. Tato závislost je lineární na velkém frekvenčním rozsahu. Pro výrobu piezoelektrických snímačů se používá nejčastěji křemík a piezoelektrická keramika. Přirozeným piezoelektrickým materiálem je křemík. Má malou vnitřní kapacitu, takže má relativně velkou napěťovou citlivost. Díky tomu je vhodný pro použití napěťového zesilovače. Naproti tomu jeho nábojová citlivost je velmi malá. Hranice užitečného teplotního rozsahu křemíku je cca 315 C. Žádné keramické materiály nejsou přirozeně piezoelektrické, proto musí být polarizovány silným elektrickým polem. Keramické krystaly však časem ztrácí piezoelektrické vlastnosti. Jednotlivé materiály mohou mít různou nábojovou či napěťovou citlivost. Užitečný teplotní rozsah je většinou menší než u křemíku. [1] Čidla jsou tvořena piezoelektrickým krystalem, na kterém je uchycena setrvačná hmota. Síla působící na krystal je pak podle druhého Newtonova zákona přímo úměrná velikosti zrychlení. F = m. a [ N] ( 1 ) F - síla působící na piezoelektrický krystal ve směru zrychlení [N] m - hmotnost setrvačné hmoty [kg] a - velikost zrychlení působící na čidlo [m.s -2 ] Obrázek 1 - Frekvenční charakteristika piezoelektrického snímače [2] Ze závislosti relativní citlivosti snímače na frekvenci (Obrázek 1) je zřejmé, že citlivost čidla se nemění ve velkém rozsahu frekvencí. Pro vysoké kmitočty se čidlo 9

dostává do rezonance, takže jeho citlivost se s rostoucím kmitočtem prudce zvětšuje. Horní frekvenční limit užitečného rozsahu se proto určuje jako frekvence, při které odchylka od skutečné hodnoty nepřekračuje maximální dovolenou odchylku. Obrázek 2 - Vliv svodového odporu na signál ze snímače [2] Ideální piezoelektrické čidlo by při deformaci vygenerovalo náboj, jehož velikost by se s časem neměnila. Reálné čidlo však obsahuje svodový odpor, který způsobuje, že vzniklý náboj se s časem zmenšuje (Obrázek 2). Proto není možné s piezoelektrickými čidly provádět statická měření zrychlení. Aby se potlačil vliv svodového odporu na signál, musí být k čidlu připojen zesilovač obsahující filtr typu horní propust. Chyba měření amplitudy zrychlení způsobená svodem náboje bude menší než 5%, pokud bude frekvence signálu f f m o [ Hz] 0,008 ( 2 ) [2] f o - frekvence obdélníkového signálu [Hz] f m - horní mezní kmitočet filtru [Hz] pro obdélníkový signál nebo f f m s [ Hz] 0,05 ( 3 ) [2] f s - frekvence jednocestně usměrněného sinusového signálu [Hz] pro jednocestně usměrněný sinusový signál. 10

Obrázek 3 - Náhradní schéma piezoelektrického snímače [2], [3] V závislosti na tom, který typ výstupu čidla využíváme, můžeme piezoelektrické čidlo namodelovat buď jako zdroj proudu s paralelně zapojeným kondenzátorem a svodovým rezistorem, nebo jako zdroj napětí s paralelní kombinací kondenzátoru a svodového rezistoru. Citlivost snímače může být udávána jako změna náboje za jednotku zrychlení pc S q = ( 4 ) [2] m. s 2 nebo jako změna napětí za jednotku zrychlení [1], [2] mv S V = ( 5 ) [2] m. s 2 11

4. PŘEVODNÍKY PRO PIEZOELEKTRICKÁ ČIDLA VIBRACÍ Převodníky zpracovávají signál z piezoelektrického elementu (náboj nebo napětí) na výstupní elektrický signál přiváděný na měřící obvody. Vysokoimpedanční signál z čidla je nevhodný pro zpracování dalšími měřícími obvody, proto musí být v převodníku přeměněn na signál s nízkou impedancí, který je vhodně zesílen. Převodníky lze rozdělit podle způsobu připojení na snímač: 1. Převodník je připojen přívodním kabelem k piezoelektrickému čidlu, takže se mohou uplatnit nepříznivé vlivy přívodních vodičů (parazitní kapacita, svodový odpor...). 2. Převodník je přímo uchycen na čidle. V tomto případě se minimalizuje vliv přívodních vodičů, ale převodník je vystaven stejnému prostředí jako čidlo (vliv teplotní závislosti). Často se u tohoto typu připojení využívá napájení zdrojem konstantního proudu. V tomto případě stačí k výstupu zesilovače vést pouze dvouvodičový kabel. [4] Dále můžeme převodníky rozdělit podle druhu zpracovávaného signálu na nábojové a napěťové zesilovače: 1. Nábojový zesilovač Výstupní napětí je závislé na náboji, který je generován čidlem 2. Napěťový zesilovač Výstupní napětí závisí na úrovni vstupního napětí [2] 4.1. Nábojový zesilovač Výstupem piezoelektrického čidla je náboj, který je přímo úměrný síle, která na něj působí. Nábojový zesilovač převádí nábojový signál na svém vstupu na výstupní napěťový signál. To zajišťuje kondenzátor zapojený ve zpětné vazbě operačního zesilovače. Náboj z piezoelektrického čidla se na něm shromažďuje, čímž vytváří napětí dle rovnice q U = [V ] ( 6 ) C U - Napětí na kondenzátoru [V] q - Náboj kondenzátoru [C] C - Kapacita kondenzátoru ve zpětné vazbě [F] 12

Zesílení nábojového zesilovače závisí na kapacitě kondenzátoru zapojeného ve zpětné vazbě operačního zesilovače (OZ). Čím menší bude jeho kapacita, tím větší bude zesílení. Obrázek 4 - Základní schéma nábojového zesilovače s parazitními kapacitami a svody [2] Rezistor zapojený ve zpětné vazbě zabraňuje saturaci kondenzátoru a spolu s ním vytváří horní propust. Kapacitu kondenzátoru volíme podle toho, jaké má mít převodník zesílení. Platí při tom, že čím větší požadujeme zesílení, tím menší kondenzátor musíme použít (rovníce 6).Abychom udrželi dolní mezní kmitočet dostatečně malý, musíme zvolit velký odpor rezistoru ve zpětné vazbě. 1 f0 = [ Hz] ( 7 ) 2πR C f 0 - mezní kmitočet RC článku [Hz] f R f - Odpor rezistoru ve zpětné vazbě [Ω] f C f - Kapacita kondenzátoru ve zpětné vazbě [F] Filtrování stejnosměrné složky signál z čidla nezkresluje, protože piezoelektrický krystal uvolňuje náboj pouze při své deformaci, takže ze své podstaty nemůže vytvořit stejnosměrný signál. Výstupní napětí nábojového zesilovače je dáno rovnicí U O = 1 + 1 C A f + Q 1 jωr f a + 1 C A t + 1 jωr t [ V ]( 8 ) [2] U O - Výstupní napětí [V] Qa - Vstupní náboj [C] A - Zesílení operačního zesilovače [-] 13

1 R t Ct - Součet kapacit čidla, kabelu a zesilovače C = C + C + C [F] Rt - Paralelní kombinace svodových odporů čidla, kabelu a zesilovače 1 1 1 = + + [Ω] R R R a c p ω - kmitočet zesilovaného signálu [rad.s -1 ] Pro ideální operační zesilovač s nekonečně velikým zesílením by výstupní napětí nábojového zesilovače záviselo pouze na RC článku zapojeném ve zpětné vazbě. Zesílení reálného OZ je konečné a navíc s rostoucí frekvencí klesá. Se zvyšující se frekvencí bude proto narůstat vliv kapacity t C t na výstupní napětí. Díky tomu, že je signál z čidla přenášen ve formě náboje, nemá na zesílení zesilovače délka přívodních vodičů téměř žádný vliv. Přesto by měly být přívodní vodiče co nejkratší, protože velikost šumu na výstupu je přímo úměrná poměru a c p C a Cf + Cc + C p [ ] ( 9 ) [2] C a - Kapacita čidla [F] C c - Kapacita přívodních vodičů [F] C p - Vstupní kapacita zesilovače [F] [2] 4.2. Napěťový zesilovač Výstupem zesilovače je napětí přímo úměrné napěťovému signálu piezoelektrického čidla. Velikost napětí na vstupu zesilovače závisí nejen na kapacitě čidla, ale i přívodních vodičů a vstupní kapacitě zesilovače. Obrázek 5 - Základní schéma napěťového zesilovače s parazitními kapacitami a svody [2] U I = Qa [V ] C + C + C ( 10 ) a c p I U - Napětí na vstupu zesilovače [V] Tato závislost je velmi nevýhodná. Zesilovač totiž musí být k čidlu připojen kabelem, na který je kalibrován. Další nevýhodou je snižování poměru signál/šum při 14

prodloužení vodičů mezi čidlem a zesilovačem. S jejich délkou totiž roste i kapacita což vede ke snížení napětí na vstupu převodníku. Dolní mezní kmitočet napěťového zesilovače je dán jeho celkovou vstupní kapacitou a odporem 1 f 0 = [ Hz] ( 11 ) 2πR C t t Pro přenos nízkých kmitočtů musíme zajistit, aby byl součin C t t C c, R co největší. Toho nejlépe docílíme volbou OZ s velkou vstupní impedancí. Na rozdíl od nábojového zesilovače velikost šumu nezávisí na vstupní impedanci. [2] 15

5. ŘEŠENÍ PŘEVODNÍKŮ 5.1. Zapojení nábojového zesilovače 5.1.1. Základní zapojení nábojového zesilovače Jedná se o nejjednodušší zapojení nábojového zesilovače. Schéma zapojení viz obrázek 4 Základní schéma nábojového zesilovače s parazitními kapacitami a svody. Zapojení je popsáno v kapitole 4.1. Nábojový zesilovač. 5.1.2. Nábojový zesilovač s T článkem ve zpětné vazbě Obrázek 6 - Nábojový zesilovač s T - článkem ve zpětné vazbě [5] Kondenzátor C 1 ve zpětné vazbě OZ určuje zesílení nábojového zesilovače. Podle vztahu (6) platí, že čím větší požadujeme zesílení, tím menší musíme zvolit kapacitu. Paralelně k C 1 je zapojen T článek, jehož celkový odpor spolu s C 1 ovlivňuje velikost časové konstanty filtru typu horní propust. Její mezní kmitočet je dán vztahem f mf = 2 π R 1 1 R 1 + R 2 3 C 1 [ Hz] ( 12 ) [5] Pro dosažení co největšího rozsahu frekvencí se mezní kmitočet volí co nejmenší. Použitím T článku docílíme vytvoření velkého odporu ve zpětné vazbě se součástkami s mnohem menším odporem. Jeho nevýhodou je zesilování šumu a stejnosměrné složky na vstupu operačního zesilovače. [5] Hodnoty prvků podle [5]: R1 = 20MΩ, R2 = 270kΩ, R3 = 2, 7kΩ, C1 = 680 pf. Použitý operační zesilovač OPA337. 16

5.1.3. Nábojový zesilovač s aktivní zpětnou vazbou Použití T článku ve zpětné vazbě zesílí stejnosměrné napětí na vstupu OZ 1. Toto napětí na výstupu operačního zesilovače můžeme vynulovat zapojením druhého operačního zesilovače. OZ 2 musí být zapojen jako neinvertující integrátor mezi výstup OZ 1 a rezistor R 4. Obrázek 7 - Nábojový zesilovač s aktivní zpětnou vazbou [6] Pro správnou funkci zapojení by měla být splněna podmínka, že časová konstanta integrátoru musí být alespoň desetkrát větší, než časová konstanta horní propusti ve zpětné vazbě OZ 1. V opačném případě by integrátor při nízkých kmitočtech rušil výstupní signál zesilovače. Při vhodné volbě časové konstanty integrátoru lze dosáhnout snížení dolního mezního kmitočtu převodníku. Hodnoty prvků podle [6]: R1 = R5 = 20MΩ, R2 = 100MΩ, R3 = 18kΩ, R = 2kΩ C1 = 1250 pf, C 2 = C3 = 2µ F. Použitý operační zesilovač LT1113. 4, Na základě tohoto zapojení byl proveden návrh nábojového zesilovače. Postup návrhu je zpracován v kapitole 8. Návrh nábojového zesilovače. 5.1.4. Nábojový zesilovač se zesilováním napětí Obrázek 8 Nábojový zesilovač se zesilováním napětí [7] Náboj na piezoelektrickém čidle se nahromadí na kondenzátoru C1, čímž na něm vznikne napětí, které je následně zesíleno v poměru 17

R1 + R2 1 1 K = [ V C ] ( 13) R C 2 1 Možné hodnoty prvků podle [7]: R1 = 100kΩ, R2 = 1kΩ, R = 100MΩ 3, C1 = 100 pf, použitý operační zesilovač LTC6087, dolní mezní kmitočet f d = 16Hz, horní mezní kmitočet f h = 17kHz 5.1.5. Rozdílový nábojový zesilovač Obrázek 9 - Rozdílový nábojový zesilovač [5], [8] Nevýhodou základního zapojení nábojového zesilovače je zesilování šumu na jeho vstupu. Při použití rozdílového zapojení je zesilován pouze rozdíl mezi vstupy OZ, proto je potlačen souhlasný šum, vyskytující se na obou vstupech. Pro správnou funkci obvodu musí být C 1 = C2 a R 1 = R2. Doporučený operační zesilovač podle [5]: OPA337. [5], [8] 5.1.6. Nábojový zesilovač s vyváženými vstupními impedancemi Obrázek 10 - Nábojový zesilovač s vyváženými vstupními impedancemi [9] 18

Pro vyvážení impedancí na vstupu operačního zesilovače je nutné na neinvertující vstup připojit kondenzátor C 1 a rezistor R 1, kde kapacita C 1 bude rovna paralelní kombinaci kondenzátoru C 2 a vnitřní kapacity snímače. Velikost R 1 vypočítáme jako paralelní kombinaci R 2 a svodového odporu snímače. Doporučený operační zesilovač podle [9]: AD745. 5.1.7. Zapojení převodníku Aura C 2.2 Obrázek 11 - Schéma převodníku Aura C 2.2 Zapojení bylo převzato z převodníku Aura C 2.2. Ve zpětné vazbě operačního zesilovače je vytvořen dvojitý T článek pro dosažení nízkého dolního mezního kmitočtu (0,66 Hz). Kondenzátor C 2 slouží k ochraně vstupu operačního zesilovače. C 3 stejnosměrně odděluje rezistor R 3 od země. 5.1.8. Diferenciální nábojový zesilovač Zapojení je uspořádáno podobně jako přístrojový zesilovač. Operační zesilovače U2A a U2B jsou zapojené jako integrátory. Převádí tak náboj na vstupu na napětí. Napětí na výstupu obou zesilovačů mají díky diferenciálnímu zapojení opačnou polaritu. Zesílení diferenciální složky signálu zesilovačem U1 je: R + R = R8 R R + R R + R 8 [ ] 8 9 6 9 K D ( 14) Zesílení souhlasné složky signálu: 7 6 19

R + R = R8 R R + R R R 8 [ ] 8 9 6 9 K S ( 15) 7 6 Obrázek 12 - Diferenciální nábojový zesilovač [10] Pro hodnoty součástek ze zapojení je podle vztahů (14) a (15) zesílení diferenciální složky signálu K = 20, 48 a zesílení souhlasné složky K = 0, 478. Je zřejmé, že D zapojení potlačuje souhlasnou složku signálu, jako je např. šum, který se indukuje na vodičích mezi senzorem a převodníkem. Operační zesilovače jsou napájeny nesymetricky, proto je nutné, aby měl signál stejnosměrnou složku o velikosti U CC 2. K tomu slouží rezistory R 1, R 2, R 5 a R 6. [10] S 5.1.9. Porovnání zapojení nábojového zesilovače Jednotlivá zapojení mají své výhody a nevýhody. Zapojení s T článkem umožňují použití běžných rezistorů k dosažení dostatečně nízkého dolního mezního kmitočtu. Bohužel to přináší zesilování šumu ze vstupu převodníku. V základním zapojení se pro nízký dolní mezní kmitočet používá rezistor s velkým odporem. Lepších vlastností z hlediska šumu lze dosáhnout např. vyvážením vstupních impedancí nebo použitím diferenciálního zapojení. 20

5.2. Zapojení napěťového zesilovače 5.2.1. Neinvertující napěťový zesilovač Obrázek 13 - Neinvertující napěťový zesilovač [18] Jedná se o klasické zapojení neinvertujícího zesilovače. R 3 a C 1 určují horní mezní kmitočet převodníku. Rezistor R 1 vytváří spolu s vnitřní kapacitou senzoru filtr typu horní propust. Pro zesilování signálů s nízkou frekvencí proto musí být dostatečně velký. [18] 5.2.2. Neinvertující napěťový zesilovač s vyváženými vstupními impedancemi Obrázek 14 - Neinvertující napěťový zesilovač s vyváženými vstupními impedancemi [9] Operační zesilovač je zapojen jako neinvertující zesilovač. Zesílení je dáno rezistory R 1 a R 2 podle rovnice R1 + R2 1 1 K = [ V C ] ( 16) R C 1 1 21

Z důvodu vyvážení vstupních impedancí by se měla kapacita kondenzátoru C 1 rovnat vnitřní kapacitě snímače a R 4 = R 3. R 3 >>R 2. Čím větší bude hodnota odporu R3, tím větší bude časová konstanta spolu s vnitřním odporem snímače a bude možné zesilovat signály s menší frekvencí. Hodnoty prvků podle [9]: R 1 = 100Ω, R2 = 10kΩ, R3 = R4 = 100MΩ, použitý operační zesilovač AD745. Zesílení K = 100. Připojením dalšího kondenzátoru sériově k R 1 se zvětší teplotní rozsah. 5.2.3. Napěťový zesilovač se vstupním T článkem je Obrázek 15 - Napěťový zesilovač se vstupním T článkem [11] Vstupní odpor zesilovače je dán vztahem: R vst R ( + R ) K = R 2 + R R 2 3 + R + R 3 Hodnoty prvků podle [11]: 4 =. Zesílení převodníku 1 1 2 R3 R1 = 22MΩ, R2 = 19, 6kΩ, R 3 = 510Ω, R = 182kΩ R5 = 22MΩ použitý operační zesilovač LH2011. Zesílení K = 10 4, 5.2.4. Napěťový zesilovač s nulováním stejnosměrného napětí na výstupu Obrázek 16 - Napěťový zesilovač s nulováním stejnosměrného napětí na výstupu [12] 22

Signál ze snímače, přiváděný na neinvertující vstup OZ 1, je zesilován se zesílením K = + ( R 3 / R ). Stejně jako signál je zesilováno i stejnosměrné napětí na vstupu 1 2 OZ 1. K odstranění stejnosměrného napětí na výstupu zesilovače slouží druhý operační zesilovač (OZ 2), který je zapojený jako invertující integrátor. Vnitřní kapacita senzoru spolu s rezistory R 8 a R 7 vytváří filtr typu horní propust. Časová konstanta filtru zapojeného na invertujícím vstupu OZ 1 by se měla rovnat časové konstantě senzoru. Časová konstanta integrátoru by měla být alespoň desetkrát větší. Velikost vstupního odporu je R in R ( + R ) =. [12, 13] 8 1 7 R6 Hodnoty prvků podle [11]: R1 = 100MΩ, R 2 = 200Ω, R = 3, 9kΩ 3, R4 = R5 = 1MΩ, R6 = 100kΩ, R7 = 1MΩ, R8 = 100MΩ, C 2 = 0,47µ F použitý vstupní operační zesilovač LT1792 [12] nebo LT1113 [13]. Zesílení K = 20. 5.2.5. Napěťový zesilovač s paralelními zesilovači Obrázek 17 - Napěťový zesilovač s paralelními zesilovači [14] Zesílení obvodu je K = + ( R 3 / R ). Paralelním zapojením dvou zesilovačů je 1 2 docíleno snížení šumu. Pro zesílení nízkých kmitočtů je nutné volit velký R 1. Hodnoty prvků podle [14]: R1 = 1GΩ, R 2 = R 4 = 100Ω, R = R5 = 10kΩ R6 = R7 = 1kΩ, použitý operační zesilovač LTC6241. Zesílení K = 100. 3, 5.2.6. Porovnání zapojení napěťového zesilovače Zapojení s T článkem umožňují použití běžných rezistorů k vytvoření velkého vstupního odporu. Nevýhodou je zvětšení šumu převodníku. U ostatních zapojení je pro vytvoření velkého vstupního odporu použitý rezistor s velkým odporem. Nevýhodou tohoto řešení je vyšší cena. Pro snížení šumu převodníku je vhodné použít zapojení s vyváženými vstupními impedancemi nebo s paralelními zesilovači. 23

6. ICP VÝSTUP PŘEVODNÍKU ICP je obchodní známka skupiny PCB Group, Inc., jejíž součástí je také společnost PCB Piezotronics. ICP senzor (integrated circuit piezoelectric sensor) převádí signál s velkou impedancí z piezoelektrického snímače na nízkoimpedanční signál, který je přenášen po dvou vodičích k vyhodnocovací elektronice. Tyto vodiče slouží zároveň k napájení senzoru zdrojem konstantního proudu. Výhody ICP senzorů proti běžným snímačům s napěťovým nebo nábojovým výstupem: - Konstantní velikost zesílení nezávislá na délce přívodních vodičů nebo jejich kapacitě - Nízká impedance výstupního signálu (<100Ω), díky níž je signál odolný proti rušení - Dvouvodičový přenos signálu (umožňuje použití koaxiálního kabelu) - Kompatibilita se zařízeními pro sběr dat [4, 15] 6.1. Napájení ICP snímače ICP senzory jsou napájeny konstantním proudem o v rozmezí 2 až 20 ma (typicky 4mA). Napájecí napětí zdroje proudu musí mít 18 až 30 V. Velikost stejnosměrného napětí na snímači se pohybuje v závislosti na velikosti napájecího napětí od 8 do 14 V. Maximální amplituda signálu je typicky ±3 V, ±5 V a ±10 V. Obrázek 18 - Napájení ICP zesilovače [4] 24

Napájecí a vyhodnocovací jednotka (viz Obrázek 16) se může skládat z regulovaného zdroje napětí v sérii s proud regulující diodou. Pro další zpracování je nutné odfiltrovat stejnosměrnou složku signálu z ICP senzoru. Stejný princip napájení využívá mnoho výrobců pod různými názvy ICP, IEPE, CCLD, Isotron, Deltatron, Piezotron. [4], [17] 6.2. Řešení ICP výstupu 6.2.1. Zapojení výstupu převodníku IEPE 100 Zapojení bylo převzato z převodníku IEPE 100 od firmy Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.k. Svorka IEPE_výstup slouží k připojení k napájecímu modulu, tzn. zdroji konstantního proudu. Na svorku signál je přiveden signál ze snímače. Protože výstupem snímače může být náboj nebo napětí s příliš malou amplitudou, je nutné tento signál zesílit, popřípadě převést na napětí. Toho může být dosaženo vhodným zapojením operačního zesilovače. Na svorce Ucc je vyvedeno napětí 5 V pro jeho napájení. Podle napájecího proudu převodníku (nejméně 2 ma) je nutné volit operační zesilovač s malým napájecím proudem. Zapojení výstupu převodníku IEPE 100 lze rozdělit na tři dílčí části. První část tvoří tranzistor Q 4, rezistor R 9 a dioda D 1. Tento obvod zajišťuje konstantní napětí pro napájení operačního zesilovače. D 1 (BZX84-C5V1) je Zenerova dioda s napětím U z = 5, 1V. Q 4 (BFR30) je JFET tranzistor s N kanálem. Spolu s rezistorem R 9 vytváří zdroj konstantního proudu pro napájení OZ. Část napájecího proudu převodníku tedy bude vždy protékat do této větve obvodu. Tranzistor Q 3 je sice navázán na další větve obvodu, ale plní samostatnou funkci. Převodník může být napájen konstantním proudem v rozmezí 2 až 20 ma, takže je nutné převodník na tento rozsah napájecího proudu přizpůsobit. To provádí právě tranzistor Q 3, který udržuje velikost stejnosměrného napětí na převodníku. Pokud je úbytek DC napětí příliš velký, tranzistor se více otevře a odvede tak nadbytečný proud, který tento vyšší úbytek způsobuje. Q 3 (FDV304) je MOSFET tranzistor s P kanálem. 25

Obrázek 19 - Zapojení výstupu převodníku IEPE 100 Zbytek obvodu slouží k zesílení vstupního signálu a nastavení pracovních bodů tranzistorů Q 1 a Q 2. Kondenzátor C 1 stejnosměrně odděluje signál. Aby byl splněn požadovaný frekvenční rozsah, musí být rezistor R 3 dostatečně velký. Q 1 a Q 2 (BFT46) jsou JFET tranzistory s N kanálem. 26

6.2.2. Akustický snímač s ICP napájením a elektronickým katalogovým listem Obrázek 20 - Akustický snímač s ICP napájením a elektronickým katalogovým listem [15] Navržení snímače s ICP napájením bylo tématem bakalářské práce na téma Akustický snímač s ICP napájením a elektronickým katalogovým listem vypracovanou Ing. Pavlem Dvorským. Nevýhodou tohoto zapojení je, že může být napájen pouze zdrojem konstantního proudu o velikosti 4 ma. [15] 27

7. NAPÁJECÍ MODUL PRO ICP SNÍMAČE Následující zapojení bylo realizováno pro napájení navrhovaného ICP převodníku. Zapojení bylo vytvořeno podle literatury [16]. Regulátor napětí LM317H vytváří spolu s potenciometrem R 1 zdroj konstantního proudu, jehož velikost můžeme tímto potenciometrem přesně nastavit. Kondenzátor C 1 slouží k odfiltrování stejnosměrné složky signálu. Spolu s rezistorem R 2 vytváří filtr typu horní propust s dolním mezním kmitočtem f m = 0, 00723 Hz. Kondenzátory C 2 a C 3 slouží k odrušení napájecího napětí. Obvod vyžaduje napájecí napětí 30 V. Obrázek 21 - Zapojení ICP napájecího modulu [16] Nevýhodou zapojení je vysoká impedance výstupního signálu, který je tak méně odolný proti rušení. Řešením tohoto problému může být zapojení operačního zesilovače v zapojení jako sledovač na signálový výstup napájecího modulu. Tento OZ by vyžadoval vytvoření symetrického napětí v napájecím modulu pomocí DC-DC měniče. 28

8. NÁVRH NÁBOJOVÉHO ZESILOVAČE Cílem návrhu byl nábojový zesilovač s podobnými parametry jako převodník Aura C 2.2. Jako operační zesilovač byl zvolen TL074. Pouzdro obsahuje čtyři operační zesilovače s JFET vstupy. Díky tomu má OZ velký vstupní odpor ( vstupní proud (maximálně i b = 200 pa ). r i = 10 12 Ω ) a malý Ve zpětné vazbě OZ1 je zapojen kondenzátor C 3 paralelně k odporovému T článku. Kapacita tohoto kondenzátoru určuje zesílení vstupní části zapojení převodníku. Napětí na kondenzátoru je dáno podle rovnice (6). Volím C3 = 100 pf pro zesílení U K = = pc ( 17) q C 1 1 1 = = 10mV 12 3 100 10 Odpor T článku ve zpětné vazbě OZ1 je dán vztahem Odpor R3 R f = R2 1+ [ Ω] ( 18) [5] R4 + R5 R f a kondenzátor C 3 určují dolní mezní kmitočet. Vzhledem k velikosti C 3 je nutné zvolit velký odpor Volím: R R R R 2 3 4 5 = 100MΩ = 10MΩ = 100kΩ = 0Ω R f. 6 R = + 3 6 10 10 R f R = + 2 1 100 10 1 = 10, 1 G Ω R4 100 000 Dolní mezní kmitočet RC článku ve zpětné vazbě je: ( 19) f = 1 1 = = 0, Hz mf 2 R C 2 10,1 10 100 10 158 9 12 π π f 3 ( 20) 29

Obrázek 22 - Zapojení navrženého nábojového zesilovače 30

Tomu odpovídá časová konstanta 1 1 τ = = = 1, s f C 0,99 01 ( 21) R f 3 OZ zapojený ve zpětné vazbě v zapojení jako integrátor slouží k vynulování stejnosměrného napětí na výstupu vstupního OZ. Pro správnou funkci zapojení by měla být splněna podmínka τ 10τ [ s] ( 22) I f Volím: R C 6 4 = R 7 = C 5 = 10MΩ = 2,2µ F τ I 10τ 22 10,1 6 6 τ I = R6 C4 = R7 C5 = 10 10 2,2 10 = 22s ( 23) f Obrázek 23 - Frekvenční charakteristika simulovaného zapojení nábojového zesilovače Na simulované frekvenční charakteristice je jasně vidět překmit při frekvenci 0,35 Hz. Vhodně zvolená časová konstanta τ I integrátoru ve zpětné vazbě tedy ovlivňuje dolní mezní kmitočet převodníku, a to jeho snížením. Výstupní OZ je zapojen jako invertující zesilovač. Ve zpětné vazbě má zapojený potenciometr, aby bylo možné měnit velikost jeho zesílení. 31

Volím hodnoty rezistorů: R = R = 3,9kΩ R R R 8 10 11 1max 9 = 3,3kΩ = 1kΩ = 5kΩ Maximální hodnota zesílení nastavitelného výstupního zesilovače je ( R + R ) 3300( 5000 + 1000) R10 1max 11 K max = = = 5,077 ( 24) R R 3900 1000 8 11 Minimální hodnota zesílení nastavitelného výstupního zesilovače je ( R + R ) 3300( 0 + 1000) R10 1min 11 K min = = = 0,846 ( 25) R R 3900 1000 8 11 Převodník je kvůli stínění umístěn v pocínované plechové krabičce o rozměrech 45x30x22 mm. Piezoelektrický snímač můžeme připojit pomocí koaxiálního kabelu s BNC konektorem (zástrčka). Pro připojení symetrického napájení slouží kabel zakončený třemi vodiči (bílá +, hnědá -, černá GND). Výstupní signál je vyveden pomocí dvoužilového stíněného kabelu (červená signál, bílá GND). 8.1. Naměřené parametry převodníku Převodní konstanta převodníku: K P = 63,795 mv pc 1 Převodní konstanta nábojového zesilovače byla nastavena podle převodníku Aura C 2.2. Maximální chyba linearity je δ = 0,4 % L max Frekvenční rozsah: Pro pokles o 5%: 70Hz 20kHz Pro pokles o 10%: 50Hz 70kHz Pro pokles o 3dB 20Hz 100kHz 32

Graf 3 - Frekvenční charakteristika 20 15 10 5 0 K [db] -5-10 -15-20 -25-30 0,1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 f [Hz] Zesílení převodníku -3dB -10% -5% Obrázek 24 - Změřená frekvenční charakteristika nábojového zesilovače Naměřené zesílení odpovídá výpočtům. Mezní kmitočty změřené frekvenční charakteristiky neodpovídají vypočteným ani simulovaným hodnotám. Při odpojení aktivní zpětné vazby a uzemnění rezistoru 4 R dolní mezní kmitočet převodníku odpovídá výpočtům. Dolní mezní kmitočet převodníku je tedy negativně ovlivněn zapojením integrátoru ve zpětné vazbě. Bohužel se mi nepodařilo zjistit příčinu tohoto problému. 33

9. NÁVRH NÁBOJOVÉHO ZESILOVAČE S ICP VÝSTUPEM 9.1. Postup návrhu nábojového zesilovače Pro realizaci ICP výstupu nábojového zesilovače bylo zvoleno zapojení použité v převodníku IEPE 100. Zapojení a jeho popis je uvedeno v kapitole 6.3.1. V návrhu byl tranzistor BFR 30 z původního zapojení nahrazen tranzistorem MMBF5459 s podobnými parametry. Volím C = 1µ F, takže dolní mezní kmitočet ICP výstupu bude: 1 f = 1 1 = = 0, 0159 Hz micp 6 2 π 1 10 6 ( R + R ) C 2 π ( 10 10 + 27 000) 3 4 1 ( 26) Pro zesílení signálu z piezoelektrického snímače bylo zvoleno klasické zapojení nábojového zesilovače s kondenzátorem a rezistorem ve zpětné vazbě operačního zesilovače. Požadavky na operační zesilovač: - Vysoký vstupní odpor - Malý vstupní proud - Dostatečná šířka pásma - Malý napájecí proud - Malá vstupní napěťová nesymetrie - Nízký napěťový a proudový šum - Vhodná velikost napájecího napětí Na základě těchto požadavků byly vybrány následující operační zesilovače: tabulka 1 Volba operačního zesilovače Parametr Značka Jednotka Poznámka ADA4692-2 LTC6081I LMV832 Supply voltage U ccmin V 2,7 2,7 2,7 min Supply voltage U ccmax V 5 5,5 5,5 max Offset voltage V os V 3,5m ±70µ ±1m max Input bias I b pa 0,5 (5) 0,2 (40) 0,1 (10) current typ (max) Voltage noise e n nv/hz f = 1kHz 16 13 12 density Slew rate SR V/µs 1,3 1 2 Supply current typ (max) I s ma 2 amplifiers 0,36 (0,45) 0,68 (0,85) 0,47 (0,52) 34

Pro realizaci převodníku byl vybrán operační zesilovač LTC6081. Operační zesilovač je napájen nesymetricky, proto je pro zajištění co největšího rozkmitu napětí nutné, aby stejnosměrná hodnota signálu byla rovna polovině napájecího napětí OZ. To zajišťují rezistory R 15, R16, R19, R20, kde R15 = R16 = R19 = R20 = 100 kω. Kondenzátory C 4 a C 5 slouží k odrušení, C = C 100 nf. 4 5 = Dle zadání má mít převodník zesílení výstupního signálu U out p max ± 5 K = 10 mv pc = V. Tím je určen rozsah snímače 1. Volím amplitudu ± U out p max ± 5 Qin p max = = = ± 500 pc ( 27) 12 K 0,01 10 Při realizaci zapojení ICP výstupu bylo změřeno jeho zesílení K = 6, 60. Pro výsledné zesílení platí vztah: ICP 1 1 1 K = 6,60 = 9,704 mv 12 7 680 10 K = ICP pc ( 28) C Pro dosažení dostatečně malého dolního mezního kmitočtu zpětné vazby OZ volím: R10 = 10 GΩ Dolní mezní kmitočet tedy bude: f = 1 1 = = 0, Hz mf 2 R C 2 10 10 680 10 0234 9 12 π π 10 7 ( 29) 35

Obrázek 25 - Zapojení ICP zesilovače Nastavení převodní konstanty převodníku je možné pomocí druhého OZ s potenciometrem ve zpětné vazbě. Volím velikost rezistorů a potenciometru: R R 12 18 = 10 kω = 9,1 kω RX 1 = 2 kω Maximální hodnota zesílení nastavitelného zesilovače je K max R = X 1max R + R 12 18 2000 + 9100 = = 1,11 10000 ( 30) Minimální hodnota zesílení nastavitelného zesilovače je K min R = X 1min R + R 12 18 0 + 9100 = 10000 = 0,91 ( 31) 36

Dioda D 3 chrání převodník při připojení napětí s opačnou polaritou o velikosti až 40 V. Kondenzátor C 6, rezistor R 11 a dioda D 2 chrání vstup operačního zesilovače. Obrázek 26 - Vzhled navrženého ICP nábojového zesilovače Převodník je kvůli stínění umístěn v pocínované plechové krabičce o rozměrech 45x30x22 mm. K piezoelektrickému snímači lze převodník připojit pomocí BNC konektoru (zásuvka). Na připojení napájecího modulu slouží druhý BNC konektor (zástrčka). 9.2. Naměřené parametry nábojového zesilovače Graf 2 - Korekční křivka 0,040 0,030 0,020 KU [V] 0,010 0,000 0 100 200 300 400 500 600-0,010-0,020 Q in peak [pc] Obrázek 27 - Korekční křivka 37

Převodní konstanta převodníku je: K P = 10,02 mv pc 1 Chyba linearity převodníku je δ = 0,7 L max % Graf 3 - Frekvenční charakteristika 2 0-2 -4 K [db] -6-8 -10-12 -14-16 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 f [Hz] Zesílení převodníku -3dB -10% -5% Obrázek 28 - Frekvenční charakteristika ICP nábojového zesilovače Při měření výstupního napětí při vstupu naprázdno byla naměřena efektivní hodnota šumu V = 181,4 šum rms µ V Z naměřených hodnot byl stanoven frekvenční rozsah převodníku pro různé tolerance poklesu výstupního signálu. Pro pokles o 5%: 0,3Hz 100kHz Pro pokles o 10%: 0,2Hz 120kHz Pro pokles o 3dB 0,1Hz 200kHz 38

Graf 4 - Teplotní závislost převodní konstanty 10,10 10,09 10,08 Kp [mv/pc] 10,07 10,06 10,05 10,04 10,03 0 10 20 30 40 50 60 70 T [ C] Obrázek 29 - Teplotní závislost převodní konstanty Koeficient teplotní závislosti převodní konstanty K T % 0,01082 % = K 1 39

10. POROVNÁNÍ PŘEVODNÍKŮ K porovnání parametrů navrženého převodníku s komerčně dostupnými zesilovači byly vybrány následující převodníky: tabulka 2 - Porovnání parametrů převodníku Výrobce PCB Piezotronics PCB Piezotronics Brüel & Kjær MMF Navržený převodník Typ 422E52 422E36 2647-B IEPE 100 Citlivost 10mV/pC 10mV/pC 10mV/pC 10mV/pC 10mV/pC Vstupní rozsah ±500pC ±250pC - ±500pC ±500pC Výstupní napětí ±5V ±2,5V - ±5V ±5V Dolní mezní kmitočet 5 Hz 5 Hz - 0,6 Hz 0,3 Hz (-5%) Horní mezní kmitočet 100 khz 75 khz - 23 khz 100 khz (-5%) Dolní mezní kmitočet - - 0,17 Hz 0,3 Hz 0,2 Hz (-10%) Horní mezní kmitočet - - 50 khz 33 khz 120 khz (-10%) Chyba linearity 1,0% <1,0% - - 0,7% Teplotní závislost převodní konstanty - - - -0,02%/K -0,01%/K K porovnání byly vybrány převodníky se stejnou převodní konstantou, jako má navržený převodník. Všechny převodníky v tabulce 2 jsou napájeny konstantním proudem. Každý výrobce bohužel u převodníků udává různé parametry, takže často není možné porovnat určité parametry všech převodníků. Navržený převodník má v porovnání s ostatními široký frekvenční rozsah. Nevýhodou velké šířky pásma je větší úroveň šumu. Převodníky 422E52 a 422E36 nepřenáší signály s velmi nízkým kmitočtem. Převodníky 2647-B a IEPE 100 naopak přenáší nízkofrekvenční signály, ale jejich horní mezní kmitočty jsou řádově desítky khz. Z hlediska velikosti chyby linearity se navržený převodník od ostatních nijak zásadně neliší. Oproti IEPE 100 má převodní konstanta navrženého převodníku menší závislost na teplotě. 40

11. ZÁVĚR V rámci bakalářské práce byl zpracován teoretický úvod do problematiky převodníků pro piezoelektrické snímače vibrací. Byla shromážděna možná řešení obvodů pro tyto převodníky, jak pro nábojový, tak napěťový zesilovač. Byl také realizován nábojový zesilovač využívající zapojení s T článkem a aktivní zpětnou vazbou. Protokol o měření parametrů převodníku je v příloze. Práce dále obsahuje zapojení výstupu ICP převodníku. Toto zapojení bylo realizováno na desce plošných spojů pro jeho ověření a změření parametrů. Zapojení bylo také využito při realizaci ICP převodníku. Při jeho návrhu bylo zvoleno základní zapojení nábojového zesilovače. Protokol o měření parametrů je v příloze. Pro simulaci zapojení byl použit program od společnosti National Instruments Multisim 13.0. Návrh DPS byl prováděn v programu Eagle Layout Editor 7.1.0. Schémata byla kreslena v programu ProfiCAD. 41

12. SEZNAM OBRÁZKŮ Obrázek 1 - Frekvenční charakteristika piezoelektrického snímače [2]... 9 Obrázek 2 - Vliv svodového odporu na signál ze snímače [2]... 10 Obrázek 3 - Náhradní schéma piezoelektrického snímače [2], [3]... 11 Obrázek 4 - Základní schéma nábojového zesilovače s parazitními kapacitami a svody [2]... 13 Obrázek 5 - Základní schéma napěťového zesilovače s parazitními kapacitami a svody [2]... 14 Obrázek 6 - Nábojový zesilovač s T - článkem ve zpětné vazbě [5]... 16 Obrázek 7 - Nábojový zesilovač s aktivní zpětnou vazbou [6]... 17 Obrázek 8 Nábojový zesilovač se zesilováním napětí [7]... 17 Obrázek 9 - Rozdílový nábojový zesilovač [5], [8]... 18 Obrázek 10 - Nábojový zesilovač s vyváženými vstupními impedancemi [9]... 18 Obrázek 11 - Schéma převodníku Aura C 2.2... 19 Obrázek 12 - Diferenciální nábojový zesilovač [10]... 20 Obrázek 13 - Neinvertující napěťový zesilovač [18]... 21 Obrázek 14 - Neinvertující napěťový zesilovač s vyváženými vstupními impedancemi [9]... 21 Obrázek 15 - Napěťový zesilovač se vstupním T článkem [11]... 22 Obrázek 16 - Napěťový zesilovač s nulováním stejnosměrného napětí na výstupu [12]22 Obrázek 17 - Napěťový zesilovač s paralelními zesilovači [14]... 23 Obrázek 18 - Napájení ICP zesilovače [4]... 24 Obrázek 19 - Zapojení výstupu převodníku IEPE 100... 26 Obrázek 20 - Akustický snímač s ICP napájením a elektronickým katalogovým listem [15]... 27 Obrázek 21 - Zapojení ICP napájecího modulu [16]... 28 Obrázek 22 - Zapojení navrženého nábojového zesilovače... 30 Obrázek 23 - Frekvenční charakteristika simulovaného zapojení nábojového zesilovače... 31 Obrázek 24 - Změřená frekvenční charakteristika nábojového zesilovače... 33 Obrázek 25 - Zapojení ICP zesilovače... 36 Obrázek 26 - Vzhled navrženého ICP nábojového zesilovače... 37 Obrázek 27 - Korekční křivka... 37 Obrázek 28 - Frekvenční charakteristika ICP nábojového zesilovače... 38 Obrázek 29 - Teplotní závislost převodní konstanty... 39 42

13. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [1] Introduction to Piezoelectric Accelerometers. PCB PIEZOTRONICS, Inc. PCB Piezotronics [online]. 2014 [cit. 2015-01-08]. Dostupné z: https://www.pcb.com/techsupport/tech_accel.aspx [2] SERRIDGE, Mark a Torben R. LICHT. BRÜEL & KJÆR. Piezoelectric accelerometers and vibration preamplifiers: Theory and application handbook. Nærum, Dánsko, 1987. Dostupné z: http://www.bksv.com/doc/bb0694.pdf [3] KARKI, James. TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED. Signal conditioning piezoelectric sensors. Dallas, Texas, USA, 2000. Dostupné z: http://www.ti.com/lit/an/sloa033a/sloa033a.pdf [4] PCB PIEZOTRONICS, Inc. General signal conditioning guide: An introduction to the operation of ICP and charge output sensors and instrumentation. Depew, NY USA, 2009. Dostupné z: http://www.pcb.com/techsupport/docs/pcb/pcb- G0001G-1209_Lowres.pdf [5] BARTOLOME, Eduardo. Signal conditioning for piezoelectric sensors. In: Analog Applications Journal [online]. 2010 [cit. 2015-01-08]. 2010 1Q. Dostupné z: http://www.ti.com/lit/an/slyt369/slyt369.pdf [6] Accelerometer Signal Amplifier. In: Simple Circuit Diagram [online]. 2009 [cit. 2015-01-24]. Dostupné z: http://www.simplecircuitdiagram.com/2009/12/25/accelerometer-signal-amplifier/ [7] Single Supply Shock/Vibration Sensor Amplifier. In: Linear Technology [online]. 2007 [cit. 2015-01-29]. Dostupné z: http://www.linear.com/solutions/1733 [8] BOUKABACHE, Hamza, Christophe ESCRIBA a Jean-Yves FOURNIOLS. Toward Smart Aerospace Structures: Design of a Piezoelectric Sensor and Its Analog Interface for Flaw Detection. Sensors [online]. 2014, vol. 14, issue 11, s. 20543-20561 [cit. 2015-01-08]. DOI: 10.3390/s141120543. Dostupné z: http://www.mdpi.com/1424-8220/14/11/20543/ [9] ANALOG DEVICES. Practical design techniques for sensor signal conditioning [online]. Norwood, Mass: Analog Devices, 1999 [cit. 2015-01-23]. ISBN 09-165-5020-6. Dostupné z: http://www.analog.com/en/training-tutorialsseminars/resources/analog-to-digital-converters/ad-converters/listing.html [10] Special Amplifier Conditions Piezo-Film Signal. 1999. Electronic design [online]. [cit. 2015-05-13]. Dostupné z: http://electronicdesign.com/analog/specialamplifier-conditions-piezo-film-signal [11] TRANSDUCER AMPLIFIER. In: SeekIC: Global IC Trading Platform [online]. 2009 [cit. 2015-01-24]. Dostupné z: http://www.seekic.com/circuit_diagram/amplifier_circuit/transducer_amplifi ER.html [12] Low Noise Hydrophone Amplifier with DC Servo. In: Linear Technology [online]. 1996 [cit. 2015-01-25]. Dostupné z: http://www.linear.com/solutions/1620 43

[13] Hydrophone Pre-Amplifier Circuit. In: Simple Circuit Diagram [online]. 2009 [cit. 2015-01-25]. Dostupné z: http://www.simplecircuitdiagram.com/2009/12/24/hydrophone-pre-amplifier-circuit/ [14] Low Noise Non-Inverting Shock Sensor Amplifier. In: Linear Technology [online]. 2005 [cit. 2015-01-31]. Dostupné z: http://www.linear.com/solutions/1164 [15] DVORSKÝ, Pavel. Akustický snímač s ICP napájením a elektronickým katalogovým listem. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2009. 54s. Vedoucí práce Ing. Zdeněk Havránek. [16] Ask an expert Integrating Isotron (IEPE) accelerometers with your own current source. 2010. Measurement news [online]. [cit. 2015-05-12]. Dostupné z: https://www.endevco.com/news/archivednews/2010/2010_05/f1.html [17] IEPE Standard. METRA MESS- UND FREQUENZTECHNIK IN RADEBEUL E.K. MMF [online]. 2012 [cit. 2015-04-25]. Dostupné z: http://www.mmf.de/iepe_standard.htm [18] High Frequency Amplifiers for Piezoelectric Sensors Noise Analysis and Reduction Techniques. In: IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings, I2MTC 2015, Pisa (IT), 11.-14.05.2015. s. 893-898. 44

14. SEZNAM PŘÍLOH 1. DPS navrženého nábojového zesilovače 2. DPS napájecího modulu 3. DPS ICP nábojového zesilovače 4. Protokol o měření nábojového zesilovače 5. Protokol o měření ICP nábojového zesilovače 45

PŘÍLOHA 1 DPS NAVRŽENÉHO NÁBOJOVÉHO ZESILOVAČE PŘÍLOHA 2 DPS NAPÁJECÍHO MODULU

PŘÍLOHA 3 DPS ICP NÁBOJOVÉHO ZESILOVAČE 2

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV AUTOMATIZACE A MĚŘICÍ TECHNIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF CONTROL AND INSTRUMENTATION MĚŘENÍ PARAMETRŮ NÁBOJOVÉHO ZESILOVAČE Petr Stoklásek ID: 153181 Měřeno dne 12. 5. 2015

Cíle měření: - Změření převodní charakteristiky převodníku - Určení linearity převodníku - Změření frekvenční charakteristiky převodníku Předmětem měření byl nábojový zesilovač navržený v rámci mé bakalářské práce. Schéma zapojení měření Obrázek 1 - Schéma zapojení měření Převodní charakteristika převodníku Podmínky měření: Měření bylo prováděno při sinusovém vstupním signálu s frekvencí 10kHz. Převodník byl napájen zdrojem stejnosměrného napětí ±15V. Piezoelektrický snímač byl nahrazen sériovým zapojením kondenzátoru a funkčního generátoru. Kapacita kondenzátoru C = 102, 96 pf Vzorové výpočty pro druhý řádek tabulky V out peak = V out rms 2 = 0,0569 2 = 0,0805 V V in peak = V in rms 2 = 0,0028 2 = 0,0040 V Qin peak = C V in rms 2 = 102,96 10 12 0,0028 2 = 0,408 pc Naměřenou převodní charakteristiku lze proložit přímkou U out peak = in peak kde: U out Q in peak peak [V] [pc] 0,063569 Q + 0,045443 Převodní konstanta převodníku je tedy: K P = 63,569 mv pc 1

Určení linearity převodníku Výpočet pro druhý řádek tabulky δ L = U U out peak out peak max U out U peak lin out peak min 0,0805 0,408 0,063569 0,045443 = 13,2356 0,0494 = 0,07% Maximální chyba linearity je δ = 0,3 % L max Absolutní odchylka U = U out peak lin U out peak = 0,408 0,063569 0,00,45443 0,0805 = 0, 009 V Korekce ( 0,009) = 0, V KU = U = 009 Relativní odchylka δ U = U U out peak = 0,009 0,0805 = 0,113 = 11,3% U in rms [V] tabulka 1 - Tabulka naměřených a vypočtených hodnot převodní charakteristiky U out rms P in rms [V] P out rms [V] U in peak U out peak Q in peak [V] [V] [V] [pf] [%] 0 0,0349 0,003 0,004 0,000 0,049 0,000 0,03 0,004 7,9-0,004 0,0028 0,0569 0,003 0,004 0,004 0,080 0,408 0,07 0,009 11,3-0,009 0,0332 0,2298 0,003 0,006 0,047 0,325 4,834 0,21-0,028 8,5 0,028 0,0680 0,4573 0,004 0,010 0,096 0,647 9,901 0,21-0,028 4,4 0,028 0,1349 0,9200 0,005 0,017 0,191 1,301 19,64 0,05 0,007 0,5-0,007 0,2790 1,8696 0,007 0,031 0,395 2,644 40,62 0,12 0,016 0,6-0,016 0,4217 2,8098 0,009 0,045 0,596 3,974 61,40 0,19 0,025 0,6-0,025 0,5642 3,752 0,011 0,086 0,798 5,306 82,15 0,29 0,038 0,7-0,038 0,7061 4,637 0,014 0,100 0,999 6,558 102,8 0,18-0,023 0,4 0,023 0,8527 5,601 0,016 0,114 1,206 7,921 124,2 0,13-0,017 0,2 0,017 0,9960 6,547 0,018 0,128 1,409 9,259 145,0 0,04-0,006 0,1 0,006 1,1391 7,489 0,020 0,142 1,611 10,591 165,9 0,01 0,002 0,0-0,002 1,2826 8,433 0,022 0,156 1,814 11,926 186,8 0,07 0,009 0,1-0,009 1,4259 9,359 0,024 0,170 2,017 13,236 207,6 0,06-0,008 0,1 0,008 δ L U [V] δ U [%] K U [V] U in rms efektivní hodnota napětí generátoru [V] U out rms efektivní hodnota napětí na výstupu převodníku [V] P in rms absolutní chyba napětí generátoru [V] P out rms absolutní chyby napětí na výstupu převodníku [V] U in peak špičková hodnota napětí na generátoru [V]

U out peak špičková hodnota napětí na výstupu převodníku [V] Q in peak špičková hodnota náboje na vstupu převodníku [pf] δ L chyba linearity [%] U absolutní odchylka napětí na výstupu převodníku [V] δ U relativní odchylka napětí na výstupu převodníku [%] K U korekce napětí na výstupu převodníku [V] Z dokumentace multimetru byly zjištěny následující údaje δ M = 1,5% = 0,015 d = 30 D = 3999 Vyznačené hodnoty byly měřeny na rozsahu U R = 40 V Pro měření ostatních hodnot byl použit rozsah U R = 4 V Absolutní chyba údaje číslicového měřícího přístroje d 30 P in rms = δ M U in rms + U R = 0,015 0,0028 + 4 = 0, 003 V D 39999 Graf 1 - Převodní charakteristika nábojového zesilovače 14,0 12,0 10,0 Uout peak [V] 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 0 50 100 150 200 250 Q in peak [pc]

Graf 2 - Korekční křivka 0,030 0,020 0,010 KU [V] 0,000-0,010-0,020 0 50 100 150 200 250-0,030-0,040-0,050-0,060 Q in peak [pc] Frekvenční charakteristika Podmínky měření: Měření bylo prováděno při sinusovém vstupním signálu s maximální amplitudou (13,24V).Převodník byl napájen symetrickým stejnosměrným napětím ±15V. Piezoelektrický snímač byl nahrazen sériovým zapojením kondenzátoru a funkčního generátoru. Kapacita kondenzátoru C = 102, 96 pf.