Усовершенствование измерений с помощью передовых аналоговых датчиков

Аналоговые датчики занимают ключевое место в электронике благодаря своей способности генерировать непрерывное напряжение, которое изменяется в соответствии с физическими условиями. Их выход, представляющий собой переменное напряжение, прямо коррелирует с измеряемыми событиями. Эффективность аналоговых датчиков повышается при подключении к микроконтроллеру с аналого-цифровым преобразователем (ADC), позволяя точно обнаруживать и обрабатывать измерения.

В данном исследовании рассматриваются оптимальные методы использования аналоговых датчиков, на примере двух распространенных типов: прецизионного температурного датчика LM35 и датчика магнитного поля OH49E.

Исследование температурного датчика и датчика магнитного поля

Температурный датчик LM35 представляет собой калиброванную интегральную схему, предназначенную для измерения температуры. Его выходное напряжение, линейно связанное с температурой по Цельсию, не требует внешней калибровки и надежно отражает температуру в диапазоне от -55˚C до 150˚C.

Датчик отличается низким выходным импедансом, стабильной линейностью измерений и высокой точностью. Его простота подключения и низкое потребление энергии (60 мкА) минимизируют самонагрев, обеспечивая точность показаний. LM35 может питаться от источника напряжения от 4V до 20V для положительных температур и работать с двойным источником питания для отрицательных температур.

Датчик магнитного поля OH49E, работающий на основе эффекта Холла, реагирует на магнитные поля, создаваемые постоянными или электромагнитами. Он компактнее, чем LM35, и выдает напряжение, зависящее от напряжения питания и пропорциональное интенсивности магнитного поля. OH49E разработан с низким уровнем шума и не требует внешних фильтров, а точные встроенные резисторы способствуют его стабильности и точности.

Выходное напряжение OH49E указывает на интенсивность магнитного поля, охватывающего как положительные, так и отрицательные значения. Датчик работает в диапазоне температур от -20˚C до 100˚C и потребляет около 4,2 мА тока при напряжении питания 5 В.

Преодоление проблем однократных измерений в системах с АЦП

Системы аналого-цифрового преобразования (АЦП) являются неотъемлемой частью сбора и обработки широкого спектра аналоговых данных. Несмотря на широкое применение АЦП, часто встречаются неэффективности, вызванные акцентом на теоретических аспектах в инженерном образовании вместо практических последствий реальных систем.

Распространенной ошибкой, встречающейся даже у опытных разработчиков, является практика получения только одного образца данных на каждом временном интервале через систему с АЦП. Этот подход может привести к ненадежным результатам, особенно если система подвержена шумам, помехам или проблемам с датчиками.

На рисунке 2 показана проблема, демонстрируя неправильное получение однократных измерений температуры, сделанных каждую секунду без более сложной обработки, в течение 30 секунд. Один ошибочный образец, подверженный электрическим факторам, таким как шум или помехи, может исказить общие измерительные данные. Эта неточность усугубляется при вычислении средней температуры, так как она включает в себя эти ошибки измерения.

Для уменьшения ошибок измерения обычно используются математические методы и интеллектуальные фильтры. Одним из подходов является отбрасывание образцов, выходящих за пределы допустимого диапазона значений. Этот метод исключает значения, значительно отклоняющиеся от установленного порога. Однако эффективность этого подхода уменьшается с увеличением отклонения ошибочного образца от среднего.

Другим решением может быть использование геометрического среднего вместо арифметического для вычисления средней температуры. Но этот метод требует больших ресурсов памяти и вычислительной мощности, что может быть проблематично для небольших микроконтроллеров.

Хотя эти методы предоставляют некоторое решение проблемы, их применимость ограничена возможностями используемого оборудования.
Увеличение разрешения АЦП с помощью методов сверхвыборки

Сверхвыборка (supersampling) представляет собой ключевой метод увеличения разрешения аналого-цифрового преобразователя (АЦП), особенно важный в микроконтроллерах (MCU) и встроенных системах. Этот метод включает множественные чтения с аналогового порта MCU, при этом результаты чтений накапливаются в целочисленной переменной типа digital.

Примером может служить 1-битный АЦП с разрешением 2,5 В, где цифровое значение 00 соответствует напряжению от 0 В до 2,5 В, а 01 — от 2,5 В до 5 В.

В сравнении, 2-битный АЦП с разрешением 1,25 В предоставляет более точные считывания:

• Цифровое значение 00 охватывает от 0 В до 1,25 В.
• Цифровое значение 01 охватывает от 1,25 В до 2,5 В.
• Цифровое значение 10 охватывает от 2,5 В до 3,75 В.
• Цифровое значение 11 охватывает от 3,75 В до 5 В.

С каждым дополнительным битом в АЦП увеличивается разрешение считываемых аналоговых данных, но это также влечёт увеличение стоимости — с доступных 8-битных АЦП до значительно более дорогих 24-битных систем сбора данных.

Методика одиночных считываний может быть ненадежной из-за помех. Вместо этого предпочтительнее использовать многократное считывание близких значений с одного порта, суммировать их и вычислять арифметическое или геометрическое среднее. Геометрическое усреднение, требующее логарифмических вычислений, часто является более эффективным в шумных условиях, как демонстрируется на соответствующем графике.

Сверхвыборка позволяет разработчикам "имитировать" более высокое разрешение АЦП, проводя множество близких считываний и уменьшая цифровую частоту системы. Это превращает уровни неопределенности в значения, близкие к реальным, с увеличением разрешения пропорционально количеству считываний за короткий временной интервал.

Изучение функциональности схем цифрового термометра и детектора магнитного поля

Изучение функциональности схем цифрового термометра и детектора магнитного поля, особенно с использованием интегральных схем LM35 и OH49E, представляет собой важную область в электронике.

Цифровой термометр, основанный на LM35, работает по принципу преобразования температуры в аналоговый электрический сигнал. LM35 является точным датчиком температуры, выдающим сигнал, который линейно пропорционален измеряемой температуре. Это позволяет легко считывать и обрабатывать данные о температуре, что особенно полезно в различных приложениях, от бытовой электроники до промышленных систем.

С другой стороны, детектор магнитного поля на базе OH49E использует принципы магниторезистивности для обнаружения магнитных полей. OH49E - это датчик Холла, который изменяет свое выходное напряжение в ответ на изменения магнитного поля. Это делает его идеальным для применения в различных устройствах, где требуется обнаружение или измерение магнитных полей, таких как компасы, системы позиционирования или даже в некоторых типах двигателей.

В обоих случаях понимание работы этих схем позволяет разработчикам создавать более эффективные и надежные системы для измерения и контроля окружающей среды. Это также подчеркивает важность точности и стабильности в электронных компонентах, которые используются в таких приложениях.

Обе эти схемы питаются от источника 5 В и предназначены для подключения к АЦП микроконтроллера. Схема LM35 включает резистор R1, значение которого определяется по техническому описанию LM35.

Можно использовать тестер для считывания выходных напряжений этих датчиков и преобразования их в результаты измерений температуры и магнитного поля, но применение микроконтроллера упрощает процесс и добавляет возможность хранения данных. Датчики генерируют электрическое напряжение, которое необходимо преобразовать в физические измерения с помощью соответствующих формул.

В системе с Vref 5 В и 10-битным АЦП расчет температуры с помощью LM35 и определение магнитного поля с помощью OH49E выполняются по особым уравнениям.

Для точной интерпретации измерений важно помнить о пересчете 1 тесла в 10 000 гаусс.

Решение проблемы сбора данных с помощью псевдокода

Псевдокод играет ключевую роль в сборе данных с аналоговых датчиков. Независимо от типа датчика, принцип работы остается неизменным.
Предположим, что данные о температуре или магнитном поле собираются каждую секунду. Изначальный подход на основе псевдокода фокусируется на простом сборе данных, который может быть подвержен ошибкам и помехам.

Более эффективный подход включает сверхвыборку, проводимую 100 раз в секунду, что повышает качество сигнала, особенно при фильтрации случайных шумов.

Первая запись графика показывает базовый сигнал, а последующие записи демонстрируют улучшение чистоты сигнала с увеличением степени сверхвыборки, имитируя более высокое разрешение АЦП.

Повышение разрешения АЦП за счет сверхвыборки

Сверхвыборка (oversampling) в АЦП (аналого-цифровом преобразователе) встроенной системы или микроконтроллера (MCU) может эффективно повышать его разрешение. Этот процесс заключается в сборе данных с более высокой, чем необходимо, частотой, а затем использовании этих данных для улучшения точности измерения. Например, микроконтроллер с 10-битным АЦП может добиться более высокого разрешения за счет применения сверхвыборки.

Когда производится сверхвыборка, микроконтроллер собирает данные с более высокой частотой, чем минимально требуемая частота Найквиста. Затем, путем математической обработки этих данных, например, усреднения, можно уменьшить шум и повысить точность измерения. Это позволяет АЦП с более низким разрешением работать как АЦП с более высоким разрешением.

В таблице ниже показано разрешение, достигаемое в зависимости от степени сверхвыборки.

Включение ста шагов суммирования и усреднения в цикл исходного кода может привести к разрешению АЦП примерно в 16,6438 бит, как показано в следующей формуле.

Точность в этих расчетах важна, и для получения точного разрешения в целое число бит рекомендуется использовать степень сверхвыборки, равную 2.

Сверхвыборка не только повышает производительность сбора данных в схемах с аналоговыми датчиками, но и улучшает соотношение сигнал/шум в системе. Эта техника расширяет динамический диапазон, хотя требует дополнительного программирования. Важно также внимательно проверять распиновку датчиков, так как она может отличаться в разных моделях.