AMPLIFICARE

Partea de prezentare (front end) a achiziției de date

Sistemele de achiziție a datelor diferă de instrumentele cu unul sau cu două canale în mai multe moduri. Ele pot măsura și stoca date colectate simultan de la sute de canale. Cu toate acestea, majoritatea sistemelor conțin de la 8 la 32 de canale, de obicei în multipli de opt. Prin comparație, un voltmetru simplu care poate selecta o măsurătoare între mai multe game diferite poate fi considerat un sistem de achiziție a datelor, dar nevoia de a schimba manual gamele de tensiune și lipsa de stocare a datelor împiedică utilitatea sa.

Figura 5.01 ilustrează un sistem simplu de achiziție a datelor constând dintr-o rețea de comutare (multiplexor) și un convertor analogic-digital (ADC), ambele discutate în capitolele 2 și 3. Subiectul principal al acestui capitol, amplificatorul de instrumentație (IA), este plasat între multiplexor și ADC. Blocurile de circuite individuale au capacități și limitări unice, care împreună definesc performanța sistemului.

Fig. 5.01. Un sistem simplu de achiziție a datelor este compus dintr-un etaj de intrare multiplexat, urmat de un amplificator de instrumentație care transmite la un ADC exact și relativ scump. Acest aranjament economisește costurile a mai multor ADC-uri.

ADC este ultimul într-o serie de etaje între domeniul analogic și calea de semnal digitizat. În orice sistem de date eșantionate, cum ar fi un sistem de achiziție a datelor multiplexate, este necesar un etaj sample-and-hold care precede ADC. ADC nu poate digitiza o tensiune variabilă în timp la rezoluția maximă a ADC, cu excepția cazului în care tensiunea se modifică relativ încet în raport cu rata de eșantionare. Unele ADC-uri au circuite sample-and-hold interne sau folosesc arhitecturi care imită funcția etajului sample-and-hold. Discuția care urmează presupune că blocul ADC include un circuit adecvat sample-and-hold (fie intern sau extern cipului) pentru a stabiliza semnalul de intrare pe durata perioadei de conversie.

Parametrii primari privind ADC-uri în sistemele de achiziție de date sunt rezoluția și viteza. ADC-urile de achiziție a datelor se execută de obicei de la 20 kHz la 1 MHz cu rezoluții de 16 până la 24 de biți și au unul din cele două tipuri de intrări, unipolare sau bipolare. Tipul unipolar variază de obicei de la 0 V la o tensiune pozitivă sau negativă, cum ar fi 5 V. Tipul bipolar variază de obicei de la o tensiune negativă la o tensiune pozitivă de aceeași mărime. Multe sisteme de achiziție de date pot citi tensiuni bipolare sau unipolare la rezoluția maximă a ADC, care necesită un etaj de schimbare a nivelului pentru a permite semnalelor bipolare să utilizeze intrări ADC unipolare și invers. De exemplu, un ADC tipic pe 16 biți, de 100 kHz, are un domeniu de intrare de -5 V până la + 5 V și un număr de 65.536 pe scală maximă. Zero volți corespunde unui număr nominal de 32.768. Dacă numărul 65 536 împarte intervalul de 10 V, câtul este o magnitudine LSB (cel mai puțin semnificativ bit) de 153 µV.

Multiplexarea prin impedanțe mari de sursă nu funcționează bine. Motivul pentru care impedanța redusă a surselor este necesară într-un sistem multiplexat este ușor de explicat printr-un simplu circuit RC prezentat în Figura 5.02.

Fig. 5.02. Rezistența sursei ar trebui să fie cât mai mică posibil pentru a micșora constanta de timp dată de capacitatea parazită a multiplexorului și rezistența serie R. O constantă de timp excesiv de mare poate afecta negativ acuratețea de măsurare a circuitului.

Multiplexoarele au o capacitate parazită mică de la toate intrările și ieșirile de semnal la comunul analogic. Aceste valori de capacitate mici afectează acuratețea măsurătorilor atunci când sunt combinate cu rezistența sursei și cu rate rapide de eșantionare. Un circuit simplu echivalent RC constă dintr-o sursă de tensiune DC cu o rezistență în serie, un comutator și un condensator. Când comutatorul se închide la T = 0, sursa de tensiune încarcă condensatorul prin rezistență. Când se încarcă 100 pF prin 10 kΩ, constanta de timp RC este de 1 μs. Într-un interval de timp de 10 μs (din care 2 μs sunt disponibile pentru timpul de stabilire), condensatorul este încărcat numai la 86% din valoarea semnalului, ceea ce introduce o eroare majoră. Dar un rezistor de 1 kΩ permite condensatorului să se încarce cu ușurință la o valoare exactă în 20 de constante de timp.

Figura 5.03A arată modul în care impedanța de intrare a sistemului și impedanța sursei traductorului se combină pentru a forma un divizor de tensiune, ceea ce reduce tensiunea citită de ADC. Impedanța de intrare a majorității canalelor de intrare este de 1 MΩ sau mai mult, deci nu este o problemă atunci când impedanța sursei este mică. Cu toate acestea, unele traductoare (piezoelectrice, de exemplu) au o impedanță mare a sursei și ar trebui folosite cu un amplificator special de sarcină. În plus, multiplexarea poate reduce foarte mult impedanța efectivă de intrare a sistemului de achiziție a datelor (a se vedea și capitolul 3, Multiplexarea, impedanța de intrare și a sursei). Efectele injecției de sarcină sunt prezentate în figura 5.03B.

Amplificatoare operaționale (op-amp)

Mulți senzori dezvoltă semnale de ieșire de nivele extrem de joase. Semnalele sunt, de obicei, prea mici pentru a fi aplicate direct intrărilor de sistem de achiziție a datelor multiplexate cu câștig mic, astfel încât este necesară o amplificare. Două exemple comune ale senzorilor de nivel scăzut sunt termocuplele și punțile de mărci tensometrice care oferă de obicei ieșiri la scală maximă mai mici de 50 mV.

Fig. 5.04. Cele două tipuri de amplificatoare operaționale de bază sunt inversor și neinversor. Câștigul etajului este raportul dintre valorile rezistoarelor de reacție și de intrare.

Cele mai multe sisteme de achiziție a datelor folosesc un număr de tipuri diferite de circuite pentru amplificarea semnalului înainte de prelucrare. Circuitele analogice moderne destinate acestor sisteme de achiziție de date cuprind amplificatoare operaționale integrate de bază, configurate cu ușurință pentru amplificarea sau tamponarea semnalelor. Amplificatoarele operaționale integrate conțin mai multe componente ale circuitelor, dar sunt în mod obișnuit reprezentate pe diagrame schematice ca un bloc funcțional logic simplu. Câteva rezistoare și condensatoare externe determină modul în care funcționează în sistem. Versatilitatea lor extremă le face blocul universal analogic pentru condiționarea semnalului.

Cele mai multe etaje ale amplificatorului operațional sunt denumite inversoare sau neinversoare (vezi figura 5.04). O simplă ecuație legată de fiecare configurație furnizează câștigurile de circuit idealizate ca o funcție de rezistențele și condensatoarele de intrare și de reacție. De asemenea, cazurile speciale ale fiecărei configurații alcătuiesc restul blocurilor fundamentale, și anume amplificatorul de urmărire cu câștig unitate și amplificatorul diferențial.

Etajele de amplificare inversoare

Etajul inversor este cea mai elementară configurație a amplificatorului operațional. Pur și simplu acceptă un semnal de intrare referit la comun, îl amplifică și inversează polaritatea la bornele de ieșire. Câștigul în buclă deschisă a unui amplificator operațional tipic este în sute de mii. Dar amplificatorul idealizat folosit pentru a obține funcția de transfer presupune un câștig infinit pentru a simplifica derivarea lui fără a introduce erori semnificative în calculul câștigului etajului. Cu un astfel de câștig ridicat al etajului, tensiunea de intrare vede doar divizorul de tensiune alcătuit din Rf și Ri. Semnul negativ al funcției de transfer indică faptul că semnalul de ieșire are polaritatea inversă a intrării. Fără a deriva funcția de transfer, ieșirea este calculată de:

EQN 5.01. Amplificator inversor: Vo = -Vin (Rf /Ri)

unde:
Vo = semnal de ieșire, V
Vin = semnal de intrare, V
Rf = rezistor de reacție, Ω
Ri = rezistor de intrare, Ω

De exemplu, pentru un semnal de intrare de 500 mV și o ieșire dorită de -5 V:

Vo = Vin (Rf / Ri)
Vo / Vin = Rf / Ri
5 / 0.50 = Rf / Ri = 10

Prin urmare, raportul între rezistoarele de intrare și de reacție ar trebui să fie 10, deci Rf trebuie să fie 100 kΩ când se selectează un rezistor de 10 kΩ pentru Ri. (vezi fig. 5.05)

Fig. 5.05. Polaritatea de ieșire a amplificatorului inversor este opusă la cea a tensiunii de intrare. Amplificarea în buclă închisă sau câștigul acestui etaj este
Acl = 10, care este raportul Rf/Ri sau 100 kΩ/10 kΩ.

Semnalul maxim de intrare pe care amplificatorul îl poate manevra fără deteriorări este de obicei cu aproximativ 2 V mai mic decât tensiunea de alimentare. De exemplu, atunci când alimentarea este de ±15 VDC, semnalul de intrare nu trebuie să depășească ±13 VDC. Aceasta este singura caracteristică critică a amplificatorului operațional care limitează capacitatea sa de manevrare a tensiunii (vezi Capitolul 4, Măsurători electrice).

Etajele de amplificare neinversoare

Amplificatorul neinversor este similar cu cel precedent, dar faza semnalului de ieșire se potrivește cu intrarea. De asemenea, ecuația câștigului depinde pur și simplu de divizorul de tensiune alcătuit din Rf și Ri (vezi figura 5.06).

Fig. 5.06. Polaritățile de intrare și ieșire ale amplificatorului neinversor sunt la fel. Câștigul etajului este Acl = 11 sau (Rf + Ri)/Ri.

Funcția de transfer simplificată este:

EQN 5.02. Amplificator neinversor: Vo = Vin (Rf + Ri) / Ri

Pentru același semnal de 500 mV de intrare,
Rf = 100 kΩ, și Ri = 10 kΩ:
Vo = Vi (Rf + Ri) / Ri
Vo = 0,50 (100 k + 10 k) / 10 k
Vo = 0,50 (110 k / 10 k) = 0,50 (11)
Vo = 5,5 V

Limitările tensiunii de intrare discutate pentru amplificatoarele inversoare se aplică la fel configurației de amplificator neinversor.

Amplificatoare diferențiale

Amplificatoarele cu intrare diferențială oferă câteva avantaje față de amplificatoarele inversoare și neinversoare. Ele apar ca o combinație de amplificatoare inversoare și neinversoare, așa cum se arată în figura 5.07.

Fig. 5.07. Tensiunea de ieșire a amplificatorului diferențial de bază este diferența dintre cele două intrări, sau Acl = g(V1-V2), unde g este factorul de câștig. Deoarece toate rezistoarele din acest exemplu sunt de valoare egală, câștigul este unitar. Totuși, poate fi obținut un câștig de 10 prin mărirea de 10 ori a rezistorului de reacție față de rezistoarele de intrare.

Semnalul de intrare este între bornele de intrare pozitivă și negativă ale amplificatorului operațional și poate fi izolat de comun sau de pinul de masă. Pinul opțional de masă reprezintă cheia flexibilității amplificatorului. Semnalul de ieșire al amplificatorului diferențial de intrare răspunde numai la tensiunea diferențială care există între cele două borne de intrare. Funcția de transfer pentru acest amplificator este:

EQN 5.03. Amplificator diferențial: Vo = (Rf / Ri) (V1 - V2)

Pentru un semnal de intrare de 50 mV,

unde:
V1 = 1,050 V și V2 = 1,000 V
Vo = (Rf /Ri) (V1 - V2)
Vo = (100k/100k)(0,05 V)
Vo = 0,05 V

Pentru un câștig de 10,

unde:
Rf = 100 k și Ri = 10 k
Vo = (Rf /Ri) (V1 - V2)
Vo = (100 k / 10 k) (0,05 V)
Vo = 0,50 V

Principalul avantaj al amplificatorului diferențial este capacitatea acestuia de a rejecta orice tensiuni care sunt comune la ambele intrări în timp ce amplifică diferența de tensiune. Tensiunile care sunt comune celor două intrări sunt denumite în mod corespunzător tensiuni de mod-comun (Vcm sau CMV). Calitatea de rejectare a tensiunii de mod-comun poate fi demonstrată prin conectarea celor două intrări împreună și la o sursă de tensiune raportată la masă. Deși o tensiune este prezentă la ambele intrări, amplificatorul diferențial răspunde numai la diferența, care în acest caz este zero. În acest aranjament, amplificatorul operațional ideal generează zero volți la ieșire (vezi secțiunea următoare privind Amplificatoarele de Instrumentație, Amplificatoare de mod-comun).

Amplificatoare cu câștig programabil

Amplificatoarele cu câștig programabil sunt, în mod obișnuit, amplificatoare operaționale neinversoare, cu un comutator analogic controlat digital conectat la mai multe rezistoare în bucla sa de reacție. Un computer extern sau alt semnal logic sau binar controlează intrările adresabile ale comutatorului analogic, astfel încât să selecteze un anumit rezistor pentru un câștig particular (vezi figura 5.08).

Fig. 5.08. Amplificatorul neinversor este configurat pentru câștig programabil și controlat prin semnale de intrare binare de la un computer pentru intrările adresabile ale comutatorului analogic.

Condiționatorul de semnal al sistemului de achiziție a datelor sesizează amplitudinea semnalului de intrare și trimite automat codul binar corespunzător amplificatorului cu câștig programabil (PGA) pentru a crește câștigul pentru un semnal scăzut sau pentru a reduce câștigul pentru un semnal mare. Semnalul de intrare poate fi apoi măsurat și afișat fără distorsiuni.

AMPLIFICATOARE DE INSTRUMENTAȚIE

O problemă fundamentală

Deoarece nivelele semnalului de la unele traductoare pot fi doar câteva microvolți, problemele speciale legate de buclele de masă și de interferența falsă apar adesea atunci când se amplifică. Alte traductoare furnizează semnale de ieșire din surse de semnal diferențiale pentru a minimiza problemele de împământare și pentru a reduce efectul semnalelor de interferență de mod-comun. Amplificatoarele utilizate în aceste aplicații trebuie să aibă extrem de mici curentul de intrare, drift-ul și tensiunea de offset; câștigul de tensiune stabil și exact, impedanță de intrare ridicată și rejectare de mod-comun.

Deși sunt adesea utilizate amplificatoare operaționale integrate, cu mai multe etaje și rapoarte de rezistență extrem de stricte, sunt preferate amplificatoarele de instrumentație special proiectate pentru aceste aplicații. Amplificatoarele operaționale de înaltă performanță utilizează încă circuite de bază, dar asigură faptul că oferă o rejectare extrem de mare de mod-comun și nu au nevoie de rezistențe de înaltă precizie potrivite pentru a seta câștigul. Multe amplificatoare de instrumentație sunt proiectate pentru aplicații speciale și oferă caracteristici unice pentru a spori acuratețea și stabilitatea lor pentru aceste aplicații.

De exemplu, blocul funcțional care urmează rețelei de comutare într-un sistem de achiziție a datelor, figura 5.09, este un amplificator de instrumentație cu mai multe funcții critice. Acesta rejectează tensiunile de mod-comun, amplifică tensiunile semnalului, minimizează efectul multiplexorului asupra rezistenței și comandă intrarea ADC.

Fig. 5.09. Un amplificator de instrumentație este, tipic, un amplificator operațional cu intrare diferențială cu o înaltă rată de rejectare de mod-comun.

Amplificatoare de înalte tensiuni de mod-comun

Tensiunea de mod-comun este definită ca tensiunea aplicată de la comunul analogic la ambele intrări atunci când intrările sunt identice (a se vedea Figura 5.10). Cu toate acestea, atunci când cele două tensiuni de intrare sunt diferite, 4,10 și 4,20 V, de exemplu, tensiunea de mod-comun, Vcm, este de 4,10 V, iar tensiunea diferențială între cele două este de 0,10 V. În mod ideal, amplificatorul de instrumentație ignoră tensiunea de mod-comun și amplifică doar diferența dintre cele două intrări. Gradul în care amplificatorul rejectează tensiunile de mod-comun este dat de un parametru numit CMRR (rată de rejectare mod-comun). Abilitatea unui amplificator de instrumentație (IA) de a rejecta tensiunile înalte de mod-comun este uneori confundată cu capacitatea sa de a respinge tensiunile înalte (vezi capitolul 4, Măsurători electrice).

Fig. 5.10. Rejectarea tensiunii de mod-comun este măsurată cu cele două intrări scurtcircuitate împreună și o tensiune aplicată acelui nod. Potențiometrul este apoi ajustat pentru ieșire minimă (VoCM) de la amplificator, însemnând că a fost atinsă cea mai bună echilibrare între cele două intrări.

Tensiunile de semnal măsurate sunt frecvent mult mai mici decât intrarea maximă permisă a ADC-ului sistemului. De exemplu, un semnal de la 0 la 100 mV este mult mai mic decât gama de 0 la 5 V a unui ADC tipic. Un câștig de 50 este necesar pentru obținerea rezoluției practice maxime pentru această măsurare. Amplificatoarele de instrumentație sunt capabile de câștiguri de la 1 la mai mult de 10.000, dar în sistemele multiplexate, câștigurile sunt de obicei limitate la un interval de 1 până la 1.000.

Erorile de măsurare provin din rezistența ne-ideală ON a comutatoarelor analogice adăugate la impedanța oricărei surse de semnal. Dar impedanța de intrare extrem de ridicată a IA minimizează acest efect. Etajul de intrare al unui IA este alcătuit din două repetoare de tensiune, care au cea mai mare impedanță de intrare a oricărei configurații comune de amplificator. Impedanța ridicată și curentul de polarizare extrem de scăzut, extras din semnalul de intrare, generează o cădere minimă de tensiune pe secțiunile comutatoarelor analogice și produc un semnal mai exact pentru intrarea IA.

Amplificatorul de instrumentație are impedanță redusă de ieșire, ceea ce este ideal pentru comanda intrării ADC. ADC-ul tipic nu are impedanță de intrare ridicată sau constantă, astfel încât etajul anterior trebuie să furnizeze un semnal cu cea mai mică impedanță practică.

Unele amplificatoare de instrumentație au limitări privind tensiunea de offset, eroarea de câștig, lățimea de bandă limitată și timpul de stabilire. Tensiunea offset și eroarea de câștig pot fi calibrate afară, ca parte a măsurătorilor, însă lățimea de bandă și timpul de stabilire sunt parametri care limitează frecvențele semnalelor amplificate și frecvența la care sistemul de comutare de intrare poate comuta canalele între semnale. O serie de tensiuni DC relativ constante aplicate unui amplificator de instrumentație în succesiune rapidă generează un semnal compozit dificil de amplificat. Timpul de stabilire a amplificatorului este timpul necesar ca ieșirea să ajungă la o amplitudine finală cu o mică eroare (adesea 0,01%) după ce semnalul este aplicat la intrare. Într-un sistem care scanează intrări la 100 kHz, timpul total de citire a fiecărui canal este de 10 μs. Dacă conversia analogic-digitală necesită 8 µs, timpul de stabilire a semnalului de intrare la acuratețea cerută trebuie să fie mai mic de 2 µs.

Deși calibrarea unui sistem poate minimiza tensiunea de offset și eroarea de amplificare, nu este întotdeauna necesar să faceți acest lucru. De exemplu, un amplificator cu o tensiune de offset de 0,5 mV și un câștig de 2 măsurând un semnal de 2 V produce o eroare de numai 1 mV la 4 V pe ieșire sau 0,025%. Prin comparație, un offset de 0,5 mV și un câștig de 50 măsurând un semnal de 100 mV produce o eroare de 25 mV la 5 V sau 0,5%. Eroarea de câștig este similară. Eroarea de câștig a etajului de 0,25% are un efect total mai mare, deoarece câștigul crește, producând erori mai mari la câștiguri mai mari și erori minime la câștigul unitate. Software-ul de sistem se poate ocupa în general de constante de calibrare cunoscute cu rutine mx+b, dar unele măsurători nu sunt suficient de critice pentru a justifica efortul.

Fig. 5.11. Amplificatorul de instrumentație prezintă impedanță extrem de ridicată la intrările V1 și V2. Resistorul Rm ajustează câștigul, iar ieșirea single-ended este o funcție de diferența dintre V1 și V2.

Amplificatoare integrate de instrumentație

Amplificatoarele integrate de instrumentație sunt op-amp-i de înaltă calitate care conțin rețele de reacție interne de precizie. Ele sunt ideale pentru măsurarea semnalelor de nivel scăzut în medii zgomotoase fără eroare și amplifica-rea semnalelor mici în mijlocul tensiunilor înalte de mod-comun. Amplificatoarele integrate de instrumentație sunt potrivite pentru conectarea directă la o gamă largă de senzori, cum ar fi mărcile tensometrice, termocuple, RTD-uri, șunturi de curent și celule de sarcină. Acestea sunt configurate în mod obișnuit cu trei op-ampi - două cu intrări diferențiale și un amplificator diferențial de ieșire (vezi figura 5.11). Unele au setări de câștig încorporate de la 1 la 100, iar altele sunt programabile.

Amplificatoare de instrumentație cu câștig programabil

O clasă specială de amplificatoare de instrumentație, numită amplificatoare de instrumentație cu câștig programabil (PGIA), comută între nivelele de câștig fix la viteze mari pentru diferite semnale de intrare furnizate de sistemul de comutare de intrare. Același circuit digital de control care selectează canalul de intrare poate, de asemenea, să selecteze o gamă de câștig. Principiul de funcționare este același cu cel descris mai sus pentru amplificatoarele cu câștig programabil.

FILTRAREA

Cele mai frecvente trei tipuri de filtre sunt numite Butterworth, Chebyshev și Bessel. (vezi figurile 5.12A, B și C.) Fiecare tip are caracteristici unice care îl fac mai potrivit pentru o aplicație sau alta. Toate pot fi utilizate pentru aplicații high-pass, low-pass, band-pass și band-rejection, dar au profile de răspuns diferite. Acestea pot fi utilizate în rețele de filtrare pasive sau active.

Filtrul Butterworth are un răspuns destul de plat în banda de trecere pentru care este destinat și o rată de atenuare abruptă. Funcționează destul de bine pentru o funcție treaptă, dar prezintă un răspuns de fază neliniar. Filtrele Chebyshev au o atenuare mai abruptă decât Butterworth, dar produce unele ripple-uri în banda de trecere și ring la un răspuns treaptă. Răspunsul în fază este mult mai neliniar decât Butterworth. În cele din urmă, filtrele Bessel au cel mai bun răspuns treaptă și liniaritatea fazei. Dar, pentru a fi cele mai utile, filtrele Bessel trebuie să aibă un ordin ridicat (numărul de secțiuni) pentru a compensa rata lor mai lentă de atenuare dincolo de frecvența cut-off, de tăiere.

Filtre low-pass (trece-jos)

Filtrul low-pass atenuează frecvențele mai înalte în grade diferite, în funcție de numărul de etaje și de magnitudinea frecvenței ridicate în raport cu frecvența de colț (cut-off). Un etaj al amplificatorului nu are nevoie de lățime de bandă mare atunci când semnalul măsurat este la o frecvență mult mai mică. De fapt, schema are rolul de a elimina lățimea de bandă excesivă în toate circuitele, ceea ce reduce zgomotul. Un avantaj major al etajelor de condiționare individuală a semnalelor pentru senzorii de nivel scăzut (spre deosebire de etajele multiplexate) este includerea filtrării low-pass per canal în calea semnalului. Într-un circuit multiplexat (un amplificator care este împărțit de mai multe semnale DC de nivel jos), calea principală de semnal, în general, nu poate funcționa ca un filtru trece-jos, datorită timpului rapid de stabilire necesar în sistemele multiplexate (a se vedea figura 5.13A)

Fig. 5.13C. Un sistem de achiziție a datelor, tipic, conține un amplificator de instrumentație și un filtru low-pass în fiecare canal ce precede MUX. Amplificatorul mărește suficient de bine semnalele de nivel-mic pentru a permite filtrului activ să lucreze la un raport semnal-zgomot optim.

Cel mai bun loc pentru filtrele low-pass este în calea de semnal individual înainte de tamponare și multiplexare (vezi figura 5.13B). Pentru semnale mici, amplificarea cu un amplificator de instrumentație înainte de filtrare permite ca un filtru activ low-pass să funcționeze la rate optime de semnal-zgomot. Figura 5.13C ilustrează o configurație tipică de amplificator-filtru-multiplexor.

Filtre high-pass (trece-sus)

Filtrele high-pass funcționează invers decât filtrele low-pass. Acestea atenuează frecvențele mai joase și sunt necesare atunci când interferențele de joasă frecvență pot masca semnalele de înaltă frecvență care transportă informația sau datele dorite. Interferențele electrice de frecvență joasă se cuplează uneori în sistem de la liniile de alimentare de 50 sau 60 Hz. În mod similar, atunci când se analizează o mașină pentru vibrații, semnalele dorite pot fi corupte de interferențele mecanice de joasă frecvență de la tolele ce vibrează ale unui transformator de putere montat pe cadrul său. Mai mult decât atât, o combinație de filtre high-pass și low-pass poate fi utilizată pentru a crea un notch filter (filtru de crestătură) pentru a atenua o bandă îngustă de frecvențe, cum ar fi de la 50 la 60 Hz și prima lor armonică. Un filtru high-pass cu 3 poli este prezentat în Figura 5.14.

Fig. 5.14. Filtrul high-pass este proiectat să aibă o frecvență de colț mai joasă lângă zero și frecvența cut-off la o valoare ceva mai înaltă. Numărul de perechi condensator/rezistor determină numărul de poli și gradul de cădere abruptă la cut-off.

Filtre pasive vs. active

Filtrele pasive cuprind condensatoare, inductoare și rezistoare discrete. Pe măsură ce frecvențele se propagă prin aceste rețele, apar două probleme: semnalul dorit este atenuat cu o cantitate relativ mică și atunci când este conectat la o sarcină, caracteristicile inițiale de filtrare se modifică. Însă, filtrele active ocolesc aceste probleme (a se vedea figura 5.15). Acestea cuprind amplificatoare operaționale, construite atât cu rezistoare, condensatoare și inductoare separate, cât și integrate. Acestea pot furniza capabilitatea adecvată de pass-band (sau stop-band) fără încărcarea circuitului, atenuarea semnalelor dorite sau modificarea caracteristicilor inițiale de filtrare. Avantajele unui astfel de filtru sunt; este mai ușor de proiectat, are o reglare mai fină, mai puține piese și caracteristici îmbunătățite de filtrare.

Fig. 5.15. Filtrele pasive tind să varieze în caracteristicile de frecvență-cutoff odată cu variațiile în sarcină. Pentru a preveni aceasta, un dispozitiv activ, cum ar fi un tranzistor sau un op-amp izolează ultimul pol de sarcină pentru a menține stabile caracteristicile filtrului.

Filtre cu capacitate comutată

Deși filtrele active construite în jurul amplificatoarelor operaționale sunt superioare filtrelor pasive, ele conțin în continuare atât rezistoare integrate, cât și discrete. Rezistoarele din circuit integrat ocupă un spațiu mare pe substrat, iar valorile lor nu pot fi făcute cu ușurință la toleranțe ridicate, fie în valori relative sau absolute. Dar condensatoarele cu valori aproape identice pot fi formate mai ușor pe circuite integrate și, atunci când sunt utilizate într-un mod de comutare, pot înlocui rezistoarele în filtre.

Filtrul cu condensator comutat este o îmbunătățire relativ recentă față de filtrul activ tradițional. James Clerk Maxwell a comparat un condensator comutat cu un rezistor într-un tratat din 1892, dar numai recent a avut ideea, luată în așteptare, într-un comutator electronic cu zero-offset și un amplificator cu impedanță de intrare mare. Conceptul de condensator comutat este utilizat acum în circuite de filtre analogice extrem de complexe și exacte.

Teoria operării este prezentată în Figura 5.16. Se arată că cu S2 închis și S1 deschis, o sarcină de la V2 se acumulează pe C. Apoi, când S2 se deschide, S1 se închide și condensatorul transferă sarcina la V1. Acest proces se repetă la o anumită frecvență, iar sarcina devine curent prin definiție, adică curentul este egal cu transferul de sarcină pe unitate de timp.

Fig. 5.16. Deoarece rezistoarele au toleranțe mai largi și necesită mai mare arie de substrat decât condensatoarele, o tehnică ce utilizează mai multe condensatoare de precizie pentru a înlocui rezistoarele în filtre este numită circuit cu capacitate comutată.

Determinarea ecuatiei este in afara scopului acestui manual, dar se poate demonstra că rezistorul echivalent poate fi determinat de:

EQN 5.04 Filtre cu capacitate comutată: (V2 - V1) / i = 1 / (f C) = R

unde:
V2 = sursa de tensiune 2, V
V1 = sursa de tensiune 1, V
i = curentul echivalent, A
f = frecvența tensiunii, Hz
C = condensatorul, F
R = rezistența echivalentă, Ω

Ecuația de mai sus arată că condensatorul comutat este identic cu un rezistor în limitele constrângerilor frecvenței de tact și a condensatoarelor fixe. Mai mult, valoarea efectivă a rezistorului echivalent este invers proporțională cu frecvența sau mărimea condensatorului.

ATENUARE

Divizoare de tensiune

Cele mai multe intrări ale sistemului de achiziție de date pot măsura tensiuni numai în intervalul 5 până la 10 V. Tensiuni mai mari decât acestea trebuie atenuate. Divizoarele rezistive simple pot atenua cu ușurință orice gamă de tensiuni (vezi figura 5.17), dar două dezavantaje complică această soluție simplă. În primul rând, divizoarele de tensiune prezintă impedanțe substanțial mai mici la sursă decât intrările analogice directe. În al doilea rând, impedanța lor de ieșire este mult prea mare pentru intrările multiplexorului. De exemplu, luați în considerare un divizor de 10:1 de 50 V. Dacă se aleg un rezistor de 900 kΩ și 100 kΩ pentru a realiza o sarcină de 1 MΩ la sursă, impedanța văzută de intrarea analogică a multiplexorului este de aproximativ 90 kΩ, încă prea mare pentru ca citirea multiplexată să fie exactă. Când valorile sunt amândouă reduse cu un factor de 100, astfel încât impedanța de ieșire este mai mică de 1 kΩ, impedanța de intrare văzută de sursa măsurată este de 10 kΩ sau de 2 kΩ/V, pe care majoritatea instrumentelor nu o pot tolera la o măsurare a tensiunii. Prin urmare, atenuarea simplă nu este practică cu intrări multiplexate.

Fig. 5.18. Un op amp sau un tranzistor servește ca o impedanță corespunzătoare unui buffer pentru a preveni ca sarcina să afecteze tensiunea de ieșire a divizorului.

Diivizoare diferențiale echilibrate

Nu toate rețelele de divizare a tensiunii se conectează la masă sau la un punct de referință comun la unul din capete. Uneori, un divizor diferențial echilibrat reprezintă o soluție mai bună pentru comanda terminalelor de intrare ale sistemului de achiziție de date (a se vedea figura 5.19). În acest caz, CMRR a amplificatorului diferențial reduce în mod eficient zgomotul de mod-comun care se poate dezvolta între diferite mase din sistem.

Fig. 5.19. O placă, tipică, cu intrare de înaltă tensiune pentru un sistem de achiziție a datelor conține o intrare diferențială echilibrată și jumper-i pentru selectarea unei game a tensiunii de intrare de 10 V, 50 V, sau 100 V. Circuitul de intrare, de asemenea, compensează capacitatea firelor de legătură lungi care tinde să formeze un divizor de tensiune AC, ceea ce ar reduce acuratețea.

Divizoare de înaltă tensiune

Unele sisteme de achiziție de date utilizează module speciale de intrare care conțin divizoare de înaltă tensiune care pot măsura cu ușurință până la 1.200 V. Sunt izolate corespunzător pentru a manevra tensiunea înaltă și au rețele de rezistori pentru a selecta un număr de rapoarte diferite de divizare. Acestea conțin, de asemenea, potențiometre interne pentru a calibra configurația la toleranțe extrem de apropiate.

Divizoare de tensiune compensate și sonde

Ratele divizoarelor de tensiune aplicate tensiunilor DC sunt consistent exacte pe distanțe relativ lungi între rețeaua divizorului și intrarea sistemului de achiziție de date atunci când tehnica de măsurare elimină rezistența DC a firelor și a cablurilor. Aceste tehnici includ un al doilea set de conductori de măsurare a intrărilor, separate de cele la care se aplică alimentarea la divizor, cum ar fi conexiunea Kelvin discutată în Capitolul 4.

Divizoarele de tensiune utilizate la tensiunile AC trebuie să compenseze întotdeauna capacitatea efectivă dintre conductori și masă sau comun, chiar și atunci când frecvența este mai jos de 60 Hz. Nu este neobișnuit să constatăm că atunci când tensiunile AC sunt calibrate la o valoare de 0,01% la rețeaua de divizoare, tensiunile care ajung la terminalele de intrare ale sistemului de achiziție de date pot depăși toleranțele cu mai mult de 5%. Acest lucru se datorează faptului că capacitatea legăturilor intră în ecuația divizorului. O cale de rezolvare este de a șunta terminalele de intrare a datelor de achiziție (sau rețeaua divizoarelor) cu un condensator de compensare. De exemplu, sondele osciloscopului conțin un condensator variabil precis tocmai în acest scop. Condensatorul sondei este ajustat pentru a se potrivi cu impedanța de intrare a osciloscopului și, ca urmare, trece cu fidelitate frontul anterior al generatorului de undă dreptunghiulară de 1000 Hz intern al osciloscopului fără undershoot sau overshoot.

IZOLAREA

Când este necesară izolarea

În mod frecvent, intrările sistemului de achiziție de date trebuie să măsoare semnalele de nivel scăzut unde tensiuni relativ mari sunt comune, cum ar fi în regulatoare de motor, transformatoare și înfășurări ale motorului. În aceste cazuri, amplificatoarele de izolare pot măsura semnalele de nivel scăzut între tensiunile înalte de mod-comun, rup buclele de masă și pot elimina conexiunile surselor la masă fără a supune operatorii și echipamentele la tensiune înaltă. Ele oferă, de asemenea, o interfață sigură într-un spital între un pacient și un monitor sau între sursă și alte instrumente și echipamente electronice. Cu toate acestea, alte aplicații includ amplificatoare de izolare a punții de precizie, amplificatoare de fotodiode, amplificatoare cu termocuplu multiplu și amplificatoare de sumare și bucle izolate de control curent de 4 până la 20 mA.

Amplificatoare de izolare

Amplificatoarele de izolare sunt împărțite în secțiuni de intrare și ieșire, izolate galvanic unele de altele. Mai multe tehnici asigură izolarea; cele mai utilizate pe scară largă includ mijloace capacitive, inductive și optice. Gama tensiunii de izolație este de obicei de 1.200 până la 1.500 VAC, la 60 Hz, cu o gamă tipică a semnalului de intrare de ±10 V. În mod normal, acestea au un raport ridicat de rejectare a modului de izolare (IMR) de aproximativ 140dB. Deoarece sarcina primară a amplificatoarelor de cost relativ scăzut este de a asigura izolarea, multe vin cu câștig unitar. Dar unitățile mai scumpe sunt disponibile cu câștiguri reglabile sau programabile (a se vedea figura 5.20).

Fig. 5.20. Un front end al amplificatorului diferențial de izolare poate flota la fel de mult ca tensiunea de mod-comun (CMV) fără stricarea sau diminuarea acurateței. Bariera de izolare în unele condiționatoare de semnal poate rezista de la 1.500 la 2.200 VDC.

Un avantaj al unui amplificator de izolare este acela că elimină buclele de masă. Conexiunea comună a secțiunii de intrare este izolată de conexiunea la masă a semnalului de ieșire. De asemenea, sunt utilizate două surse de alimentare diferite, Vcc1 și Vcc2, câte una pentru fiecare secțiune, care ajută în continuare la izolarea amplificatoarelor (vezi figura 5.21).

Fig. 5.21. Izolarea galvanică poate utiliza oricare dintre tehnici pentru a izola intrarea de circuitul de ieșire. Scopul este de a permite dispozitivului să reziste la o tensiune mare de mod-comun (CMV) dintre semnalul de intrare și ieșire și masele surselor de alimentare.

Module analogice de izolare

Amplificatoarele analogice de izolare utilizează toate cele trei tipuri de izolare între secțiunile de intrare și ieșire: capacitive, optice și magnetice. Un tip de amplificator cuplat capacitiv modulează semnalul de intrare și îl cuplează peste o barieră capacitivă, cu o valoare determinată de ciclul de sarcină (vezi figura 5.22). Secțiunea de ieșire demodulează semnalul, îl restaurează la echivalentul de intrare analogică original și filtrează componenta ripple, care rezultă din procesul de demodulare. După ce sunt fabricate secțiunile de intrare și ieșire ale circuitului integrat, un laser aranjează ambele etaje pentru a se potrivi cu precizie cu caracteristicile lor de performanță. Apoi sunt montate pe fiecare capăt al pachetului, separate de condensatoarele de izolare. Deși diagrama schematică a amplificatorului de izolație pare destul de simplă, el poate conține până la 250 sau mai multe tranzistoare integrate.

Un alt amplificator de izolare cuplează optic secțiunea de intrare la secțiunea de ieșire printr-o pereche de transmițător și receptor cu LED, așa cum se arată în figura 5.23. Un ADC convertește semnalul de intrare într-un flux de biți mediat în timp și îl transmite în secțiunea de ieșire prin intermediul LED-ului. Secțiunea de ieșire convertește semnalul digital înapoi într-o tensiune analogică și îl filtrează pentru a elimina tensiunea ripple.

Amplificatoarele de izolare cuplate magnetic vin în două tipuri. Unul conține transformatoare hibride toroidale atât în ​​calea de semnal, cât și în calea de alimentare, iar celălalt conține o bobină care transmite semnalul peste o barieră la un circuit în punte magnetorezistor gigantic (GMR) (a se vedea figura 5.24A). În tipul de transformator, figura 5.24B, ieșirea redresată a unui generator de impulsuri (T1) alimentează etajele de intrare și ieșire (T3). O altă înfășurare a transformatorului (T2) operează un modulator și un demodulator care poartă semnalul peste barieră. Acesta oferă o izolație de la 1.000 până la 3.500 VDCC între cele trei mase ale amplificatorului, precum și un semnal de ieșire izolat egal cu semnalul de intrare cu izolație galvanică totală între bornele de intrare și ieșire.

Cel de-al doilea tip, amplificatorul de magnetorezistor gigant utilizează aceeași tehnologie de bază ca cea a driver-elor de hard disk de mare viteză. Bobina generează un câmp magnetic cu o forță proporțională cu semnalul de curent ce comandă intrarea sa, iar GMR dielectric amplifică și îl condiționează. Variațiile potențialului de masă la intrare nu generează curent, astfel încât acestea nu sunt detectate de structura magnetorezistorului. Ca rezultat, semnalul de ieșire este egal cu semnalul de intrare cu izolare galvanică completă. Aceste unități sunt relativ ieftine și pot rezista de la 1000 la 3500 VDC. Răspunsul în frecvență al semnalului la putere maximă este mai mic de 2kHz, dar răspunsul la semnal mic este la fel de mult ca la 30 kHz.

Fig. 5.24A. Cuploarele magnetice transferă semnale printr-un câmp magnetic peste un dielectric peliculă subțire. In acest caz, un circuit în punte magneto-rezistiv sensibil la câmp oferă o mare variație în rezistență când este expus la câmpul magnetic de la o mică bobină așezată deasupra lui.

Fig. 5.24B. Amplificatorul de izolare cuplat prin transformator utilizează alimentări separate pentru etajele de intrare și ieșire, care sunt izolate datorită înfășurărilor transformatorului. Acesta oferă etaje de intrare și ieșire cu masă decuplată. În plus, modulatorul/demodulatorul transferă semnalul măsurat peste barieră prin intermediul altor înfășurări ale transformatorului pentru izolare galvanică completă între intrare și ieșire.

Metoda digitală de izolare

Modulele software de izolare digitală sunt similare în multe privințe cu amplificatoarele analogice. Ele transmit date digitale peste bariera de izolare la rate de până la 80 Mbaud, iar unele pot fi programate să transmită date în ambele direcții, adică prin intrare la ieșire sau ieșire la terminalele de intrare. Datele, sub formă de impulsuri complementare, cuplează peste barieră prin condensatoare de înaltă tensiune sau inductoare fără miez. Cuștile Faraday, de obicei, înconjoară inductoare sau condensatoare pentru a preveni declanșarea falsă de la câmpuri externe. Receptorul readuce impulsurile la nivelurile logice standard originale. Ca și amplificatoarele analogice, sursele de alimentare pentru fiecare secțiune sunt de asemenea izolate galvanic (a se vedea figura 5.25).

Fig. 5.25. O altă metodă de izolare plănuită specific pentru circuite digitale angajează un encoder și decoder CMOS de mare viteză la intrare și ieșire, cuplate printr-un transformator monolitic fără miez.

Senzori izolați în mod inerent

Pe lângă măsurarea directă a tensiunii, curentului și rezistenței, care necesită un anumit grad de izolare, anumiți senzori care măsoară alte cantități sunt în mod inerent izolați datorită construcției sau principiului lor de funcționare. Senzorii cei mai des utilizați măsoară poziția, viteza, presiunea, temperatura, accelerația și proximitatea. De asemenea, ei utilizează un număr de dispozitive diferite pentru măsurarea acestor cantități, inclusiv potențiometre, transformatoare diferențiale variabile liniar (LVDT), dispozitive optice, dispozitive cu efect-Hall, dispozitive magnetice și semiconductori.

Dispozitivele cu efect de Hall, de exemplu, măsoară câmpurile magnetice și sunt izolate electric de sursa magnetică pe care sunt proiectate să le măsoare. Izolația poate fi aer sau alt material, cum ar fi plastic sau ceramică, iar aranjamentul le izolează în mod esențial de buclele de masă și de tensiuni înalte. Figurile 5.26A și B ilustrează două aplicații în care dispozitivele cu efect-Hall măsoară viteza. Primul detectează câmpul magnetic alternativ direct de pe roata în mișcare. În a doua aplicație, un magnet permanent aflat în spatele dispozitivului cu efect Hall furnizează câmpul magnetic. Dinții roții care trec de unitate perturbă câmpul, iar dispozitivul Hall sesizează fluctuațiile rezultate. În plus, figura 4.08 prezintă un al treilea exemplu, în care dispozitivul cu efect Hall este utilizat într-un circuit de wattmetru.

Transformatoarele de curent și transformatoarele de potențial pentru măsurarea tensiunii și curentului AC sunt de asemenea izolate în mod inerent între înfășurările primare și cele secundare (a se vedea figura 5.27). Izolația transformatorului între primar și secundar poate fi făcută să reziste la mii de volți și să aibă valori extrem de scăzute de scurgere. Raportul de transformare este, de asemenea, ușor de selectat pentru trecerea de la o tensiune înaltă la o tensiune standard mai mică de 5 până la 10 VAC.

Alți senzori includ pickup magnetici compuși din bobine de sârmă înfășurate în jurul unui miez magnetic permanent. Un metal feros care trece peste un capăt al bobinei perturbă fluxul magnetic și generează o tensiune la bornele bobinei. Senzorul nu necesită o sursă de alimentare separată, iar tensiunea de ieșire este în mod obișnuit suficient de mică pentru a necesita numai condiționare obișnuite de semnal (a se vedea figura 5.28).

Materialele piezoelectrice și mărcile tensometrice sunt utilizate în mod obișnuit pentru măsurarea accelerației și sunt în mod inerent izolate de obiectele pe care sunt montate în virtutea carcasei lor de protecție. În cazul unor aplicații rare, pot fi adăugate izolații de înaltă tensiune și ecranare magnetică la baza de montare (vezi Capitolul 7, Măsurători cu mărci tensometrice).

LVDT-urile conțin un modulator și un demodulator, fie intern sau extern, necesită o putere DC mică și furnizează un semnal mic AC sau DC la sistemul de achiziție de date. Adesea, acestea sunt scalate la ieșire de la 0 la 5 V. LVDT-urile pot măsura atât poziția, cât și accelerația (vezi capitolul 9, Detectarea deplasării și a poziției).

Dispozitivele optice precum encoderele sunt utilizate pe scară largă în senzorii de poziție liniari și rotativi. Posibilele configurații sunt multe, dar practic principiul lor de funcționare se bazează pe întreruperea unui fascicul de lumină între un emițător optic și un receptor. Un disc opac rotindu-se cu mai multe orificii plasate între emițător și receptor permite alternanța luminii pentru a genera impulsuri. De obicei, LED-urile generează lumina și o diodă foto pe partea opusă detectează impulsurile rezultate, care sunt apoi numărate. Impulsurile pot indica poziția sau viteza (vezi Capitolul 9, Detectarea deplasării și a poziției).

LINIARIZAREA

De ce este nevoie de liniarizare

Funcția de transfer pentru multe dispozitive electronice, care corelează intrarea cu ieșirea, conține un factor neliniar. În majoritatea cazurilor, acest factor este suficient de mic pentru a fi ignorat. Cu toate acestea, în unele aplicații, acesta trebuie compensat fie în hardware, fie în software. Termocuplele, de exemplu, au o relație neliniară între temperatura de intrare și tensiunea de ieșire, suficient de severă pentru a necesita o compensare. Figura 5.29 prezintă tensiunea de ieșire pentru mai multe tipuri de termocuple reprezentate în funcție de temperatură. Tensiunile de ieșire ale termocuplelor se bazează pe efectul Seebeck (discutat mai departe în capitolul 6). Atunci când panta coeficientului Seebeck este reprezentată grafic funcție de temperatură, răspunsul la ieșire este clar neliniar, așa cum se arată în Figura 5.30. Un dispozitiv liniar, prin comparație, ar trasa o linie orizontală dreaptă. Numai termocuplul de tip K este cel mai aproape de o linie dreaptă în gama de la 0 la 1000°C.

Curba arată că un factor de scalare constant nu este suficient pe întreaga gamă de temperatură pentru un anumit tip de termocuplu pentru a menține o precizie adecvată. Acuratețea mai mare provine din citirea tensiunii termocuplului cu un voltmetru și aplicarea acesteia pe tabelul termocuplelor de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie, așa cum se arată în figura 5.31.

Fig. 5.31. Deoarece ieșirile termocuplului sunt neliniare, un tabel este o metodă exactă pentru a converti citirea de tensiune în temperatură pentru un tip specific de termocuplu.

Un sistem de achiziție a datelor bazat pe computer, în schimb, automatizează procesul de conversie a temperaturii folosind citirea tensiunii de termocuplu și un algoritm de rezolvare a unei ecuații polinomiale. Ecuația care descrie această relație este:

EQN 5.05. Temperatura polinomială: T = ao + a1 x + a2 x²+ a3 x³+ ... an xⁿ

unde:
T = temperatura, °C
x = tensiunea termocuplului, V
a = coeficienți polinomiali unici pentru fiecare tip de termocuplu
n = ordinul maxim al polinomului

Acuratețea crește proporțional cu ordinul n. De exemplu, atunci când n = 9, se poate realiza o acuratețe de ±1° C. Dar, deoarece polinoamele de înalt ordin necesită timp pentru a procesa, ordinele mai mici pot fi utilizate pe game de temperatură limitate pentru a crește viteza de procesare.

Liniarizare software

Polinoamele sunt puse la lucru în calculatorul sistemului de achiziții de date pentru a calcula temperatura reală pentru tensiunea termocuplului. De obicei, programul de calculator se ocupă de un polinom imbricat pentru a accelera procesul, în loc să calculeze direct exponenții. Polinoamele imbricate sunt singurele modalități practice de abordare a ecuațiilor complicate. Fără astfel de tehnici, este dificil să se manipuleze tabele mari de stări care au mai mult de câteva sute de intrări (vezi figura 5.32). De asemenea, polinoamele de ordin înalt pot fi calculate mai repede când curba caracteristică a termocuplului poate fi împărțită în mai multe sectoare și fiecare sector aproximat printr-un polinom de ordinul trei, așa cum se arată în figura 5.33.

Fig. 5.32. Acest tabel polinomial NIST este un mijloc mult mai exact de a calcula o funcție de liniarizare pentru un termocuplu particular ca un singur coeficient, chiar dacă el folosește o ecuație polinomială.

Fig. 5.34. Modulele cu intrare de tensiune izolate permit sistemelor de achiziție a datelor să izoleze mai multe canale de intrare analogică, până la 500 V canal-cu-canal și canal-cu-sistem.

Un alt aspect trecut adesea cu vederea este conectarea intrărilor active la un sistem de achiziție de date ne-alimentat. Practica de siguranță comună solicită ca toate semnalele conectate la intrarea sistemului de achiziție de date nealimentat să fie deconectate sau oprită alimentarea lor. Frecvent, condiționatoarele de semnal ale sistemelor de achiziție a datelor nealimentate au impedanțe de intrare substanțial mai mici decât atunci când sunt alimentate, iar chiar și semnalele de intrare de joasă tensiune mai mari de 0,5 VDC pot deteriora circuitele de intrare a condiționatoarelor de semnal.

Protecția la suprasarcină

Sunt utilizate mai multe metode pentru a proteja intrările condiționatorului de semnal de la deteriorări atunci când sunt expuse la tranziții de la 10 până la 100 V. Deseori, un rezistor de limitare a curentului de 1000Ω este în serie cu intrarea atunci când nu se aplică tensiune la intrarea amplificatoarelor instrumentului. Pentru tensiunile de intrare tranzitorii la 3000 V și mai sus, sunt instalate un rezistor serie și un supresor de tensiune tranzitorie pe terminalele de intrare (vezi figura 5.35).

Fig. 5.35. Unele multiplexoare CMOS pot fi protejate contra distrugerii prin supratensiune cu rețele de diode și rezistoare care opresc orice tranzistor parazit din dispozitiv, limitează intrarea de curent la un nivel sigur, șuntează semnalele de intrare la masă când sursa de alimentare este oprită (Circuit A). Tranzistoarele JFET protejează, de asemenea, intrările multiplexorului când sunt conectate ca diode. JFET-ul se deschide la aprox. 0,6 V, protejând intrarea sensibilă a op amp-ului de la distrugere (Circuit B).

Protecția ESD

Distrugerea electrostatică este o problemă specială care poate fi evitată prin manipularea cu atenție a plăcilor de circuite individuale și asigurarea unei protecții corespunzătoare. ESD provine din sarcina statică acumulată pe multe tipuri diferite de materiale, care găsește o întoarcere la împământare sau o masă care atrage excesul de electroni. Sarcina poate crea diferențe de potențial care pot produce arc pe distanțe mari. Un arc care conține numai câțiva microjoule de energie poate distruge sau deteriora un dispozitiv semiconductor. Numai împământarea nu este suficientă pentru a controla acumularea ESD, ci numai pentru a asigura că toți conductorii sunt la același potențial. Controlul umidității la aproximativ 40% și ușor ionizarea aerului sunt cele mai eficiente metode de control al sarcinii statice.

O descărcare poate traversa un picior într-o nanosecundă și ar putea crește până la 5 A. Un număr de dispozitive simulează condițiile de protecție împotriva descărcării statice, inclusiv un pistol care generează impulsuri la o tensiune și o rată fixe. Testarea componentelor începe, de obicei, cu tensiuni relativ scăzute și progresează treptat la valori mai mari.