räknare & impedansbme.lth.se/fileadmin/biomedicalengineering/courses/... · 2019. 2. 7. ·...
TRANSCRIPT
Räknare & ImpedansSENSORER 2019
Mäta tid
Räkna antal
Mätning av frekvens
• Sensor med frekvens-utgång
• Varvtal
• Hjärtfrekvens
• Number of events
5
Räknare - varför
• Ett oscilloskop har normalt 3 – 4 siffors noggrannhet som
bäst
• En räknare kan ha upp till 9 siffor
6
Räknare - frekvens
Periodtid för två olika signaler
• Frekvens anger hur många gånger en signal repeteras per sekund.• Periodtidens inverterade värde, f = 1/T = N/TN
7
Räknare - puls
Konventionell frekvensräknare
Mäter antalet ingångscykler (N) under en viss tid, typiskt 1 sekund
Fyrkantspuls
Konventionell frekvensräknare
Tidfönster 1 s.
Okänd signal
10
Räknare - upplösningMätosäkerhet då man kan få med delar av perioder, ± 1 insignalscykel (relativt fel).
Kvantiseringsfel (absolut fel) = 1 / Mättiden
10 sekunder ger t. ex. upplösningen 1/10= 0.1 Hz
11
Räknare - tidmätning
Genom att byta plats på ingångsteget och oscillatorn får man en tidräknare.
12
Räknare - reciprok
• Klarar av att mäta frekvens enligt f = N / TN • 2 separata räknarsteg som ser till att mäta överett helt antal perioder
Reciprok frekvensräknare
Okänd signal
N=5
Starttrig
Stopptrig
TidsfönsterTN
Klockfrekvens
14
Räknare - upplösning
• Hög upplösning även vid låga frekvenser• Relativa felet är nu ± 1 klockcykel men detabsoluta felet är oförändrat
15
Räknare - interpolation
• Genom att hålla koll på var i klockpulserna man startar mätningen kan man få
ännu högre noggrannhet
• En interpolatorkrets mäter fasläget på klockpulsen
16
Räknare - tidmätning
17
Räknare - tidintervall
SR-vippa öppnar och stänger OCH-grinden
18
Räknare - tidintervall
Ingen synkning av start/stop och klockan geren upplösning som är 1 klockpuls
10 MHz tidbasoscillator => 100 ns upplösning
19
Räknare – tidmätning
• Mätosäkerhet på ± 1 klockcykel
• För att höja noggrannheten kan man
– Öka klockfrekvensen
– Interpolera
– Använda medelvärdesbildning
20
Räknare - ingångssteg
1 M, frekvensberoende ok för < 100 MHz mindre belastning på objektet
50 för HF system
x1 eller x10Frekvensoberoende dämpning
21
Räknare - ingångssteg
AC-kopplingskondensatorVars kapacitans bestämmer den undre gränsfrekvensen för ingången, vanligen 10-50 Hz
Det dynamiska området är typiskt -5V / +5V. Kan gå upptill -50 /+50V med 10x dämpningen. Över det kapar dioderna topparna för att skydda instrumentet.
Övre gränsfrekvensofta 50-100 kHzreducerar brus
22
Räknare - komparatorn
Jämför insignalen med en triggnivå och slår om när triggnivån passeras
23
Räknaren - hysteresband
Skillnaden mellan triggpunkten och återställningspunkten kallas hysteresband
24
Räknare - hysteresband
Hysteresbandets förhållande till insignalen kan varieras genom enställbar komparator eller genom att dämpa insignalen.
Lågpassfilter samt ställbar hysteres => bra brusundertryckning
Smalt Brett
25
Räknare – triggnivå
Med AC-kopplingen liggertriggnivån på 0V och därmedligger även hysteresbandetkring 0V.
För en osymmetrisk signalkan därför triggvillkoret blifel
26
Räknare - triggnivå
27
Räknare - skillnader
Skillnader mellan tid och frekvensmätningar
28
Tidbasoscillatorn•Vanligast är kvartskristall (SiO2)•Bygger på piezoelektrisk effekt•Resonansfrekvensen beror bl.a. tjockleken, ytan och massan•Problem; åldring, gravitation, stötar
29
TidbasoscillatornTre olika typer av kristalloscillatorer för olika krav
Standardoscillatorer (UCXO = uncompensated x-tal oscillator)10 ppm frekvensändring 0-50 C (ca 100Hz)
Temperaturkompenserade oscillatorer (TCXO)en termistor styr en fintrimmningskondensator1 ppm frekvensändring 0-50 C (ca 10Hz)
Ugnsstabiliserade oscillatorer (OCXO)kristallen sitter i ett hölje/ugn som hålls vid konstant temperatur (70 C ± 0,01 ) av effekttransistorer 0,1-0,002 ppm frekvensändring 0-50 C (ca 1-0,02 Hz)
30
Mätosäkerheten
• Mätningens upplösning
• Triggerfel p.g.a. brus
• Tidbasoscillatorns osäkerhet
• Triggerpunktens inställningsosäkerhet
• Skillnader mellan ingångskanaler
De vanligaste osäkerhetsfaktorerna för frekvens- och tidintervallmätning är:
Impedans och impedansmätning
Impedans
Många givare baseras på förändring av impedans
Temperatur
Komponentegenskaper
Töjning
Position
Resistivitetsmätning i jordlager
Impedans
Belopp Fasvinkel
R = Resistans = Re(Z),
X = Reaktans = Im(Z)
Z = R + jX
Impedans
Spole + resistor
Kondensator + resistor
OBS!
De reaktiva delarna är
frekvensberoende:
XL = jwL
XC = 1/jwC
Fasvinkel
ResonanskretsLCR – serie/parallell-resonans
f0 =1
2p LC
Serieresonans
Resonansfrekvens
Parallellresonans
Zp max vid resonansZs min vid resonans
ResonanskretsKvarts-kristall
Både serie- och parallellresonans
Zx
fs=1
2p LC1
R fp=1
2p LC1C2
C1 +C2
ResonanskretsKvarts-kristall
Elektriska ekvivalenter till de mekaniska
egenskaperna – tröghet, mekanisk
spänning, friktion
Zx
fs=1
2p LC1
R fp=1
2p LC1C2
C1 +C2
C2 bildas av de ledande plattorna på var
sida om kristallen
Resonans avklingning
Resistans
R= r ´ lA
R=UI
, Ohmslag
: resistivitet
l: längd
A: tvärsnittsarea
Resistans
Färgkodning av resistorer
Resistans
Karakteriseras och mäts med:
Multimeter
Konstant ström
Brygga
Sensorsystem
Brygga
Multimetern
44
Multimeter - resistansmätning
Fyrtrådsmätning
Tvåtrådsmätning
45
Ex. Trådtöjningsgivare
46
Wheatstonebrygga
Resistansbestämning
Balansering av bryggan:
UA = UB (-> U = 0)
ger balansvillkoret:
R1/R2 = R3/Rx
eller
Rx = R3×R2/R1
OBS! Oberoende av UB!
UB
47
Historik
48
WheatstonebryggaUtslagsmetod
Ex. Töjningsgivare
Mätning av förändring i Rx genom mätning av obalanspänning
UB
Bryggan balanseras vid
t ex opåverkad
töjningsgivare, 0-läget:
R1 = R2 = R3 = Rx0
Då töjningsgivaren
påverkas blir U blir ett mått
på avvikelsen från 0-läget.
Genom att ha samma
temperaturberoende på
ingående komponenter blir
kopplingen temperatur-
kompenserad.
49
Wheatstonebrygga
Fördelar:
Spänning ut
Balansering
Temperaturkompensering
50
Wheatstonebrygga
Fördelar:
Spänning ut
Balansering
Temperaturkompensering
Nackdelar:
Liten spänning ut
Fordrar förstärkning
51
Wheatstonebrygga
=Pt 100
Ex. Temperaturmätning
52
Pt 100
Resistiva givare
Funktion – utspänningen, W i fig, ett mått på vinkel eller position
Resistiva givare
Resistiv positionsgivare, potentiometer
Resistiva givare
Resistiv vinkelgivare, potentiometer
Resistiva givare
Membrangivare, balkgivare
Tryckgivare, accelerometer
Piezoresistiv tryckgivaregivarkonfiguration
MembrankantM
emb
ran
kan
t
Komponenter med reaktans
CL
KondensatorSpole
Kondensator (Kapacitans)
C = eA
d
: Permittivitet
A: Plattornas area
d: Avståndet mellan plattorna
C
Kondensatorn
U = Xc ´ I Þ Xc =UI
Xc: Reaktansen (Impedansen hos en kondensator)
Strömmen 90° före spänningen!
Xc =1
jwC
w: 2f
C: Kapacitansen
C
Membrantryckgivarekapacitiv
d = avstånd till metallelektroden
w = membrannedböjning i position (x, y)
= dielektricitetskonstant
Spole (Induktans)
XL = jwLw: 2f
L: Induktans
U = XL ´ I Þ XL =UI
XL: Reaktansen (Impedansen hos en spole)
Spänningen 90° före strömmen!
L
Spole (Induktans)
XL = jwLInduktansen, L, och därmed reaktansen, XL, hos en
spole är beroende av antal lindningsvarv i spolen,
storlek (area, längd) samt materialet i kärnan.
Ferromagnetiska material i kärnan ger stor ökning
av induktansen.
Ex. Induktiv positions-givare
XL = jwL
Avståndet mellan en spole och en kärna av
ferromagnetiskt material påverkar spolens
induktans. Reaktansen blir ett mått på avståndet
(sambandet dock ej linjärt i exemplet).
Sammanfattning
Generella impedanser
Karakteriseras och mäts med:
LCR-meter
Impedansanalysator
Brygga
Sensorsystem
Brygga
Frekvens
PLL
ImpedansanalysatorLCR-analysator
En impedansanalysator mäter en
okänd impedans ofta med
spänning/ström-metoden vid en
viss inställd frekvens eller genom
att svepa mätfrekvensen över ett
område. Belopp och fasvinkel
mäts och kan räknas om till de
olika modeller för impedanser.
68
Frekvensegenskaper hos ”verkliga”
komponenter - Resistanser
Ex. Parasitkomponenter
Önskad komponent
69
Frekvensegenskaper hos ”verkliga”
komponenter - Kondensatorer
Önskad komponent
0.1 mF kondensator
Serieresonans!
Xc =1
jwC
Ideal kondenator:
70
Frekvensegenskaper hos ”verkliga”
komponenter - Spolar
Önskad komponent
Parallellresonans!
XL = jwL
Ideal spole:
71
Transmissionsledning
Utbredningshastighet i en koaxialkabel: 2•108 m/s
72
TransmissionsledningLF-system
73
TransmissionsledningHF-system
74
Transmissionsledning
När?
• Ledningens längd, L, är av samma storleksordning som en
kvarts våglängd av signalen eller större (sinussignaler)
L > l/4
• Ledningens fördröjningstid, tp, för t ex en puls är av samma
storleksordning som signalens stigtid/falltid eller längre
(pulssignaler).
tp > tr el. tf
75
Transmissionsledning
76
TransmissionsledningExempel
• En koaxialkabel med 1 meters längd (dvs 5 ns fördröjningstid)
• Sinussignaler då våglängden är kortare än 4 m, vilket motsvarar frekvenser över
ca 50 MHz.
• For pulssignaler med kortare stigtider än ca 5 ns, oavsett, pulssignalens
repetitionsfrekvens
77
TransmissionsledningKarakteristisk impedans, Z0
Den karakterisktiska impedansen kan sägas vara den
impedans man i teorin skulle mäta in i en oändligt lång
ledning. Betecknas Z0
Z0 =r + jwl
g+ jwc
För en förlustfri ledning, r = g = 0, gäller:
Z0 =l
c
Z0 är då rent resistiv. Vanliga värden:
Koaxialkabel på lab – 50 Ω
Antennkabel – 75 Ω
78
TransmissionsledningUtbredningshastighet
Utbredningshastigheten för en signal i en förlustfri ledning:
Ex. Koaxialkabel: 2•108 m/s
v=1
lc
79
TransmissionsledningAnpassning
För att undvika reflektioner på en transmissionsledning
måste ledningen avslutas med impedanser med samma
storlek som den karakteristiska impedansen.
r =Reflekterade vågens amplitud
Infallande vågens amplitud=ZL -Z0
ZL +Z0
Reflektionskoefficient:
80
TransmissionsledningReflektioner – Stående våg
Om ≠ 0 erhålls reflektioner, vilket ger upphov till
stående vågor -> mätfel!
Ex. ZL = 0 vilket ger = -1:
81
TransmissionsledningReflektioner – Stående våg
Ex. ZL = ∞ vilket ger = +1:
82
TransmissionsledningEx. Pulseflektioner vid = + 0,5
Tid: t=0 Tid: t=100ns
Tid: t=200ns
Denna effekt kan användas för att
mäta vilken impedans som avslutar en
ledning – Hur?