1 2 3 …

De volgende 3 stappen vormen één van de belangrijkste takken van sport in het analoge ontwerpdomein. De eisen die hier gesteld worden lopen wijd uiteen, waardoor er vaak een toepassingsspecifieke oplossing noodzakelijk is. Gelukkig bestaat er een zee aan min of meer standaard componenten waarmee dit gerealiseerd kan worden.

Analoge Input

Deze stap bestaat uit het beschermen van de rest van het circuit tegen de invloeden van de buitenwereld. Het gaat hier met name om EMS (elektromagnetische inkoppeling) en ESD (elektrostatische ontlading). Vaak is hier ook beveiliging tegen overspanning noodzakelijk.

Signaalconditionering

Bij deze stap wordt het signaal versterkt of verzwakt, en gefilterd. De bedoeling is het signaal binnen het dynamische bereik te brengen van de A/D converter, en signalen buiten de band weg te filteren. Dit kan ruis of ongewenst ander signaal zijn, maar ook gewenste signalen die buiten het frequentiebereik van de A/D converter liggen.

A/D conversie

Een A/D converter brengt een analoog ingangssignaal in digitale vorm. Het ingangssignaal is meestal een spanning en kan enkelvoudig of differentieel zijn. Het uitgangssignaal komt beschikbaar in één van de bekende digitale vormen, vaak HCT of HC, maar steeds vaker ook LVC. Het signaal kan eventueel parallel of serieel naar buiten gevoerd worden. In dat laatste geval is er spraken van een protocol, zoals I2C, SPI of vergelijkbare varianten. Om het signaal te kunnen digitaliseren, wordt het langs een meetlat gelegd: de referentie. Deze kan intern of extern van de A/D converter zijn.

Er bestaat een keur aan A/D converters, die in principe allemaal hetzelfde doen, maar desondanks nauwelijks vergelijkbaar zijn in stroomverbruik, snelheid, bandbreedte, uitgangsignaal, trigger-mogelijkheid, referentie, behuizing etc.

En niet te vergeten: prijs. Er is waarschijnlijk geen andere elektronische component met zo'n grote spreiding in prijs te vinden.

Na A/D conversie is het oorspronkelijke signaal onherstelbaar verminkt door kwantisatie (afrondingsfouten) en bemonstering (de conversie vindt slechts op bepaalde momenten plaats, tussen deze momenten gaat het signaal verloren). Indien het signaal op de juiste manier geconditioneerd is hoeft dit geen probleem te zijn. De kwantisatiefouten kunnen echter alleen klein genoeg gehouden worden door een A/D converter met de juiste resolutie toe te passen (het aantal bits), uitmiddelen van een afrondingsfout achteraf is onmogelijk.

Omzetting naar het tijddomein

In veel gevallen is het ook mogelijk het analoge (spannings-) ingangssignaal om te zetten naar een signaal in het tijddomein. Hier hoeft dus nog geen kwantisatie plaats te vinden (maar uiteraard wel een vorm van bemonstering). Indien dit signaal verder wel digitaal is, kan het direct aangesloten worden op bijvoorbeeld een microcontroller. Deze kan dan de frequentie of de periode van het signaal bepalen.

Dit heeft een aantal belangrijke voordelen:

• Het dynamische bereik is in het tijddomein veel groter en omvat in het algemeen het gebied van 1 ms tot 10 s.
• De resolutie wordt bepaald door de klok van de frequentiemeter. Dit kan de microcontroller zijn of een externe snelle teller.
• Opeenvolgende perioden van het signaal kunnen gemiddeld worden omdat de kwantisatiefout niet gecorreleerd is met het signaal. Dit is bij een gewone A/D converter niet mogelijk.
• De signalen in het tijddomein zijn robuuster en kunnen gemakkelijker over langere afstanden getransporteerd worden.
• Een zekere standaardisatie van de signaalconditionering en A/D conversie is dus hiermee mogelijk. De flexibiliteit blijft gehandhaafd door bepaalde functies in software uit te voeren.

Voor al deze gevallen is de Universal Transducer Interface (UTI) van Smartec bedoeld.

Smartec UTI

De UTI is een ASIC van de Nederlandse firma Smartec. Dit IC is te beschouwen als een oscillator waarvan de periode afhangt van de te meten grootheid. Hiermee is het mogelijk AC metingen uit te voeren die gefilterd worden voor LF (laagfrequente) en HF (hoogfrequente) storingen. Bovendien worden de metingen gecompenseerd voor offset en schaalfouten. De AC metingen vinden plaats rond de 20 kHz, een frequentiegebied dat ver verwijderd is van storingen afkomstig uit het lichtnet (50 Hz - 2 kHz) en van kloksignalen van microcontrollers en schakelende voedingen (> 100kHz).

Het uitgangssignaal van de UTI is echter een laagfrequent TTL of LV CMOS compatibel signaal met perioden tussen 10 ms en 50 ms, dat zich gemakkelijk over langere afstanden laat transporteren. De verschillende perioden komen overeen met de overeenkomstige sensor-, offset- en schaalmeting.

Sensoren die door dit IC ondersteund worden zijn gebaseerd op o.a.:

• Weerstand
• Weerstandsbruggen
• Capaciteit

Door het gebruik van een AC meting is de UTI met name geschikt om dicht bij de sensor te worden toegepast, bijvoorbeeld in een druksensor of capacitieve niveausensor.

Soms is het nodig de conditionering op enige afstand van de sensor te plaatsen, bijvoorbeeld omdat de sensor zich in een omgeving bevindt dat niet geschikt is voor elektronische componenten (hoge temperatuur, agressieve chemische stoffen). Door alsnog enige signaal preconditionering toe te voegen (bestaande uit een buffer en een chopper) vindt er effectief een DC meting plaats.

Deze truuk kan ook toegepast worden bij sensoren met een uitgangsspanning, zoals thermokoppels.

Ten opzichte van A/D conversie in het spanningsdomein kan de UTI met chopper een kosteneffectieve oplossing geven ten opzichte van een 24 bits A/D converter..

Exalon Delft heeft jarenlange ervaring op het gebied van industriële signaalconditionering en A/D conversie. Traditioneel met 8 tot 24 bits A/D converter óf UTI applicatie, wij hebben het op de plank of we ontwikkelen het snel.

Onze ervaring omvat onder andere:

• Gesegmenteerde capacitieve niveaumeting. De capaciteit van 0.15 pF wordt met 0.1 fF (1 fF = 0.001 pF) nauwkeurig gemeten
• Geaarde capacitieve sensormeting. De capaciteit van 500 pF wordt met 0.5 pF nauwkeurig gemeten
• Thermokoppelmeting. De spanning van +/- 12 mV wordt met 1 mV nauwkeurig gemeten.
• Pt100 meting. De weerstand van ongeveer 100 Ohm wordt met 10 mOhm nauwkeurig gemeten via 100 m lange bedrading.

Neem voor uw meetprobleem vrijblijvend contact met ons op.