Лекция 25: Элементная база интеллектуальных сенсоров. Часть 1

Краткие итоги

Во вновь создаваемых сенсорах сигналы на выходах чувствительных элементов часто очень слабы и не превышают нескольких микровольт или пикоампер. Поэтому обычно требуется усиление до 10000 раз по напряжению и даже в миллионы раз по электрическому току. Как правило, требуется не только усиление, но и согласование импедансов, улучшение соотношения сигнал/шум, иногда также электрическая изоляция ("развязка") чувствительного элемента и т.п. В настоящее время все усилители выполняют в виде монолитных интегральных схем на одном кристалле или в виде гибридных интегральных схем на общей подложке в одном корпусе. В технической документации к ним и в справочниках, как правило, приводятся исчерпывающие характеристики усилителей и типовые схемы их подключения, принципы расчета параметров при решении разнообразных схемотехнических задач. Одним из часто применяемых в сенсорах классов интегральных усилителей являются так называемые " операционные усилители " (ОУ). Они имеют высокий коэффициент усиления, широкий частотный диапазон, низкий коэффициент собственного шума, большое входное и малое выходное сопротивление, почти не чувствительны к помехам, действующим одновременно на оба входа, малочувствительны к помехам по шине питания. Широко применяют также т.н. " дифференциальные усилители ".

Когда сигналы от чувствительных элементов очень слабы или требуются максимальные чувствительность и разрешающая способность сенсора, тогда при выборе усилителей следует обратить особое внимание на все возможные источника шума. Шумы обычно делят на собственные, возникающие в самом сенсоре, и привнесенные, поступающие извне. Причиной возникновения собственных шумов является статистическая природа электрического заряда и тока. Значительный вклад в собственные шумы могут давать ненадежные электрические контакты и паразитные токи через загрязненную поверхность печатных плат и корпусов электронных элементов. Поэтому обеспечение высокой надежности соединений и сведение к минимуму всех паразитных связей являются обязательными требованиями к интеллектуальным сенсорам. Для уменьшения влияния внешних помех и привнесенных шумов применяют экранирование, развязки электрических схем, фильтрацию, источники питания с малым шумом, оптимальное расположение проводников, защиту от механических вибраций и резонансных явлений. Эффективным методом борьбы с помехами и привнесенными шумами является также использование дифференциальных пар и " мостовых схем ". Эти схемы позволяют в значительной мере компенсировать влияние многих внешних факторов, таких как изменения температуры, давления, сторонних электрических или магнитных полей.

В интеллектуальных сенсорах значительная часть обработки информации происходит в цифровой форме. Поэтому почти всегда их составными элементами являются и аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Их задача – превратить усиленные аналоговые сигналы от чувствительных элементов в цифровые данные для микрокомпьютера. Важнейшими характеристиками АЦП являются их точность, быстродействие и стоимость. Точность связана с разрядностью АЦП. Обычно чем выше точность (разрядность) АЦП, тем ниже его быстродействие; чем выше точность и быстродействие, тем выше и стоимость АЦП. Поэтому, проектируя интеллектуальный сенсор, параметры АЦП надо подбирать оптимально.

"Мозгом" интеллектуального сенсора является микрокомпьютер ( микропроцессор, микроконтроллер, микроконвертор ). Именно он и позволяет сделать сенсор "умным", интеллектуальным. Электронная промышленность выпускает ныне сотни разных типов микрокомпьютеров, микропроцессоров, микроконтроллеров, микроконверторов. Для простейших применений популярными являются малопотребляющие 4-разрядные микроконтроллеры. Но наиболее широкое применение находят 8-разрядные микроконтроллеры и микроконверторы архитектуры С51. Из большой их номенклатуры можно выбрать оптимальный для каждого применения вариант: с требуемой тактовой частотой, с нужными объемом и типом памяти программ и данных, с желательным количеством внешних выводов, с нужным количеством встроенных АЦП, таймеров/счетчиков, узлов внешнего интерфейса и т.п. Можно выбрать и любое конструктивное исполнение – в пластмассовом или металлическом корпусах разного типа, в мини-корпусе, бескорпусное. Ряд микроконтроллеров можно программировать и перепрограммировать непосредственно на рабочей плате, в том числе и в ходе эксплуатации. Некоторые типы микроконтроллеров этого семейства поддерживают даже и функцию "самоперепрограммирования".