15. Параллельные, последовательные, последовательно-параллельные и интегрирующие аналого-цифровые преобразователи.

16. Интерфейсы, параметры, применение аналого-цифровых преобразователей.

17. Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП): назначение, классификация, применение, схема ЦАП с широтно-импульсной модуляцией и особенность ШИМ.

18. Параллельные цифроаналоговые преобразователи: разновидность, применение.

19. Последовательные цифроаналоговые преобразователи: интерфейсы, применение, параметры цифроаналоговых преобразователей.

20. Параллельные и последовательные цифроаналоговые преобразователи: назначение, классификация, основные характеристики, функциональная схема и временная диаграмма, особенности применения.

21. Аналого-цифровые преобразователи: назначение, процедура АЦП, возникновение шума квантования, основные характеристики, параметры АЦП, особенности применения.

22. Классификация аналого-цифровых преобразователей, интерфейсы АЦП, применение, тип АЦП обладающий наибольшим быстродействием.

Раздел 2. Схемотехнические решения

Тема 15 (4 час)

Интегральные датчики

17. Датчики температуры.

18. Датчики ускорения (акселерометры).

19. Датчики давления.

20. Датчики влажности (гигрометры).

21. Датчики магнитного поля.

17. Датчики температуры.

1.1Датчики температуры на биполярных транзисторах

Современные интегральные датчики температуры (ДТ) обеспечивают высокие точность и линейность в диапазоне примерно — 55°С...+150°С. Встроенные в датчики усилители позволяют привести масштаб преобразования температуры в напряжение к удобной нормированной величине (например, 10 мВ/°С).

Большинство полупроводниковых датчиков температуры используют соотношение между напряжением база—эмиттер биполярного транзистора и током его коллектора:

(1)

где к — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, q — заряд электрона, Is — тепловой ток коллекторного перехода.

Если взять N +1 совершенно одинаковых транзисторов и все, кроме одного, соединить параллельно (Рис. 1), то токи коллекторов N тр анзисторов, включенных параллельно, будут равны.

Рис. 10.1. Базовая схема измерения

При равенстве токов, втекающих в коллектор одиночного транзистора и в коллекторы Nтемпературы параллельно соединенных транзисторов, разностьнапряжений база—эмиттер

(2)

Таким образом, разность этих напряжений оказывается пропорциональной абсолютной температуре.

Схемы ячеек датчиков температуры

Схема, представленная на Рис. 2, реализует уравнение (10.2) и известна как ячейка Брокау.

Транзистор VT2 представляет собой N включенных параллельно транзисторов, таких же, как VTi. Разность потенциалов эмиттеров транзисторов приложена к резистору R₂. Ток эмиттера транзистора VТ₂ поэтому равен

Рис. .2. Схема «классического»датчика температуры на ширине запрещенной зоны

За счет отрицательной обратной связи че рез ОУ коллекторные токи транзисторов равны. Их сумма проходит через резистор R1. В результате напряжение, падающее на резисторе R1 пропорционально абсолютной температуре. Действительно, с учетом (2) получаем

(3)

При надлежащем выборе отношения R1 / R2 и N напряжение на базе транзистора VTi и, следовательно, на выходе операционного усилителя станет равным ширине запрещенной зоны кремния 1.205 В. Это напряжение не зависит от температуры. Схема на Рис. 2 — основной полупроводниковый датчик температуры и широко используется в промышленности.

Таким образом, ячейка датчика температуры может использоваться одновременно и в

качестве источника опорного напряжения. Сравните схему на Рис. 2 со схемой ИОН на ширине запрещенной зоны и вы убедитесь, что они практически идентичны. Поэтому ряд моделей ИОН, например, МАХ872, AD780 и др., имеет выводы датчика температуры.

Другой вариант ячейки ДТ приведен на Рис. 3

Схема имеет V_BE приблизительно (0.2 мВ/°К)Г Усилитель обеспечивает равенство токов через транзисторы, причем плотность токов через их коллекторы соотносится как 1:10. Поскольку напряжение V_BE приложено к резистору R, то общее падение напряжения на цепочке, включающей резисторы R, 26R и 23R, составит (10 мВ/°К)-7Г Резистор, обозначенный 100R, используется для подстройки смещения.

Рис. 10.4. Ячейка датчика температуры Мейджера

Схемы ДТ, приведенные на Рис. 2 и Рис. 3, очень популярны, но они, по сути, являются датчиками абсолютной температуры и как следствие имеют смещение шкалы выходного напряжения в 2.73 В относительно более привычной шкалы температур в градусах Цельсия. Дж. Мейджер разработал схему ячейки ДТ, которая легко калибруется в градусах Цельсия (Рис. 4).

Схема работает следующим образом: ток I_PTAT пропорциональный абсолютной температуре, генерируется источником тока.

Выходной ток I ₀ равен разности этого тока и тока, пропорционального напряжению V_BE транзистора VT₄, и имеет температурный коэффициент 1 мА/°С. Ток через этот транзистор задается токовым зеркалом на p-n-p транзисторах VT₁ и VT₂ и транзистором VT₃, который играет роль усилителя с обратной связью. Градуировка этой схемы может быть выполнена для любой температурной шкалы. Изменением резистора /?4 можно корректировать чувствительность схемы I_O/ Т, а подстраивая резистор в источнике тока I_PTAT можно установить начальную температуру для нулевого тока. __

ДТ с токовым выходом

Концепции, изложенные выше, служат основой для построения многих разновидностей интегральных схем датчиков температуры (ДТ). В зависимости от выходной величины различают датчики с выходом по току и датчики с выходом по напряжению. Примером ДТ с токовым выходом может служить AD592, имеющий коэффициент преобразования 1 мкА/°С (Рис. 5). Типовая схема включения этого ДТ приведена на Рис.5а, а график характеристики преобразования — на Рис.5б.

Рис. 5. Типовая схема включения датчика температуры AD592 (а) и характеристика преобразования (6)

Датчик изготавливается в трехвыводном корпусе ТО-92 и практически не требует внешней калибровки. При температуре +25°С датчик модели AD592CN имеет наименьшую абсолютную погрешность измерения температуры T— не более +0.5°С. В диапазоне рабочих температур —25°С...+125°С абсолютная погрешность не превышает +1°С. Для более точной настройки может быть использован подстроечный ре-зистор (R2 на схеме Рис. 5а). Этот ДТ может работать в широком диапазоне питающих напряжений — 4...30 В, однако точностные характеристики определены для напряжения 5 В, а его изменение влияет на точность измерения: коэффициент влияния нестабильности напряжения питания KSR составляет от 0.5°С/В при низких напряжениях и до 0,1^ОС/В при высоких, поэтому напряжение питания желательно поддерживать постоянным.

Другим примером токового ДТ может служить недорогой LM234. Это 3-выводной подстраиваемый источник тока с коэффициентом трансформации рабочего тока 10000:1 и простым регулированием тока, который устанавливается сопротивлением одного резистора. Микросхема работает в широком диапазоне питающего напряжения: 1...40 В. Модели LM234-3 и LM234-6 предназначены для преобразования температуры в ток. Начальная погрешность измерения температуры не превышает +3°С для LM234-3. Температурная чувствительность ИМС составляет +0.33%/°С. Токовые датчики идеальны для измерения температуры удаленных объектов, поскольку для их подключения требуется только два провода. Кроме того, сопротивление проводов, включенных последовательно с датчиком, не вносит заметной погрешности, так как крайне мало по сравнению с динамическим сопротивлением датчика, которое, например, при токе 100 мкА составляет 100 МОм.

То, что токовые ДТ имеют всего лишь два вывода, обеспечивая большую гибкость их применения. На Рис. 6 представлены три схемы с использованием токовых ДТ на AD592.__

Рис. 6. Различные схемы включения токовых ДТ для определения:

а — среднего значения температуры в трех точках пространства,

б — точки с минимальной температурой из трех контролируемых,

в — разности температур в двух точках

Если требуется определить среднее значение температуры в трех точках пространства можно применить схему на Рис. 6а. Здесь через резистор протекает сумма токов всех трех датчиков. Сопротивление резистора выбрано в три раза меньше, чем в типовой схеме с тем, чтобы обеспечить общую чувствительность по напряжению 1 мВ/°С.

На Рис. 6б представлена схема определения минимальной из температур в трех точках. Только тот из датчиков, температура которого наименьшая, будет работать в активном режиме. Два других перейдут в насыщенное состояние, поэтому их динамические сопротивления (а следовательно и падения напряжения на них) резко уменьшатся.

Наконец, на Рис. 6бв приведена схема для определения разности температур в двух точках. Точка соединения двух ДТ соединена с инвертирующим входом операционного усилителя, имеющим нулевой потенциал. Ток I_DIB равный разности токов датчиков, создает на резисторе падение напряжения I_DIB R₂ пропорциональное разности температур. Резистор R₁ включен для компенсации начального разброса токов ДТ.