Obvod SMARTEC UTI03
Informace o senzoru měření fyzikálních veličin Smartec UTI03. Obvod umí měřit univerzální kapacitní senzory, teploměry, termistory, ...
(Tento článek je z minulého tisíciletí a je na našem webu už jen z historických důvodů...)
Zajímavý obvod pro senzory fyzikálních veličin
Měření nejrůznějších fyzikálních veličin je častou úlohou v mnoha oborech. Dnes je na trhu k dispozici řada čidel pro všechny myslitelné fyzikální veličiny, jejich elektrický výstup se však liší podle typu vnitřní elektroniky. Pokud nemá čidlo vestavěnu další elektroniku, může být leckdy zpracování elektrického signálu obtížné. To se týká například kapacitních snímačů (vlhkoměry, snímače výšky hladiny), kdy je třeba měřit malé změny kapacity, nebo oblíbených odporových teploměrů (Pt100), kdy je třeba provést linearizaci, nebo snímačů, kdy je třeba provést více dílčích měření k získání výsledné hodnoty.
Pro zpracování signálu nejrůznějších senzorů lze použít zajímavý integrovaný obvod SMARTEC UTI03 (Universal Transducer Interface), jehož vlastnosti potěší konstruktéry čidel. Je určen pro následující snímače:
- Kapacitní senzory s výstupní kapacitou 0-2 pF, 0-12 pF a proměnným rozsahem do 300 pF
- Odporové teploměry Pt100, Pt1000
- Termistory 1 kW až 25 kW
- Odporové můstky 250 W až 10 kW s maximálním rozvážením +/-0.25% nebo +/-4%
- Potenciometry 1 kW až 50 kW
- Kombinace výše uvedených možností
Podívejme se nyní na blokové schéma na obrázku 1.
Obrázek 1. Blokové schéma obvodu UTI03
Na vstupu obvodu UTI03 je multiplexer, který umožňuje nejen připojení více snímačů, ale hlavně je nutný k využití základního principu měření (popsán dále). Zvolený vstup je buzen střídavým signálem, který je generován interně, čímž jsou potlačeny pomalu proměnné rušivé signály, jako jsou indukovaná napětí ze sítě 50Hz nebo parazitní termočlánky. Řídící vstupy SEL1 až SEL4 umožňují zvolit mód měření podle typu snímače a vstupy CML, SF a PD určují další chování obvodu. Měřená hodnota je převedena na interval (délku pulsu) na výstupu.
Hlavní vlastnosti:
- Měření několika senzorů
- Napájení 2,9 V až 5,5 V
- Spotřeba do 2,5 mA a v režimu "uspání" pouze 1,5 mA
- Rozlišení a linearita odpovídající 13 až 14 bitům
- Doba měření 10 ms nebo 100 ms
- Rozsah provozní teploty -40°C až 85°C
Zajímavý a vtipný je princip získání výsledné hodnoty: Obvod měří cyklicky a každé měření se skládá minimálně ze tří fází. V první fázi je měřena hodnota offsetu, ve druhé fázi referenční hodnota a ve třetí fázi je měřen výstup senzoru. Jednoduchým výpočtem podle vzorce M = (Mx-Moff) / (Mref-Moff) (Mx: výstup senzoru, Moff: offset, Mref: referenční hodnota) pak získáme výslednou hodnotu M. Podle zvoleného módu jsou "offsetová" a referenční hodnota měřeny na určeném vstupu multiplexeru.
Popsaný princip činnosti jednak vyloučí chyby nuly a změny zesílení a také umožní jednoduché nastavení rozsahu. Například: je třeba měřit výstup kapacitního snímače hladiny v rozsahu 100 pF až 150 pF. Pak stačí připojit na určené vstupy multiplexeru snímač a kondenzátory o kapacitách 100 pF a 150 pF, a je rozsah nastaven. Podobně je tomu u odporových snímačů. Použití referenčního prvku shodné fyzikální podstaty se snímačem zvyšuje stabilitu měření. Tato automatická průběžná kalibrace činí obvod UTI 03 velmi "přívětivý" pro konstruktéry.
Další výhodu je možnost nastavení jednoho 16 módu obvodu pro konkrétní snímač.
Módy 0 až 4 jsou určeny pro měření kapacitních snímačů. V módu 0 nebo 1 je rozsah obvodu 0-2 pF, což umožňuje připojit snímače, jejichž výstup by se jinak jen velmi obtížně zpracovával. Zde se právě uplatní automatické nulování offsetu, které vyloučí neodstranitelné parazitní kapacity. V módu 4 může být kapacita snímače 0 až 300 pF, mód 2 dovoluje použít externí multiplexer a měřit tak více snímačů.
Mód 5 umožňuje dvou, tří nebo čtyřvodičové připojení teploměru Pt100 nebo Pt1000, mód 7 pak měření 2 nebo 3 platinových teploměrů připojených třívodičově nebo dvouvodičově.
Obdobně módy 6 a 8 jsou určeny pro měření teploty jedním až třemi termistory. Linearita u teplotních měření je udávána lepší než 13 bitů.
Módy 9 až 14 jsou určeny pro připojení odporových můstků v různých konfiguracích. Časté využití bude například pro tenzometrické snímače. Zde se výhodně uplatní měření střídavým signálem. Je možné zvolit rozsah rozvážení ±0.25% nebo ±4%.
Pro měření až 3 potenciometrů je určen poslední mód 15. Protože jde o poměrové měření, na absolutní hodnotě odporu potenciometrů nezáleží.
S obvodem UTI03 se dobře pracuje, nemá žádné záludnosti a jeho výstup se běžnými mikropočítači dá lehce zpracovat.
Obrázek 2. První seznámení s obvodem UTI03 na zkušební desce.