Snímače a prevodníky: Základy, rozdelenie a digitalizácia signálu

Snímače – Základy

• Snímač: zariadenie na snímanie fyzikálnej veličiny
• Senzor: citlivá vrstva
• Zosilňovač: úprava (zosilnenie/zoslabenie) signálu
• Prevodník: prevod jednej veličiny na inú

Bloková schéma

Citlivá časť → merací obvod + zosilňovač → spracovanie signálu → A/D prevodník → mikroprocesor → rozhranie → počítač

Rozdelenie snímačov

• Aktívne: dávajú priamo výstupný elektrický signál
• Pasívne: potrebujú napájanie, menia dodaný signál

Fyzikálny princíp snímačov

• Odporové: mení sa odpor
• Kapacitné: mení sa kapacita
• Indukčné: mení sa indukčnosť

Vlastnosti snímačov

• Jednoznačnosť: 1 vstup → 1 výstup
• Linearita: rovnaká zmena vstupu → rovnaká zmena výstupu
• Citlivosť (rozlíšenie): najmenšia zmena vstupu vyvolá zmenu výstupu
• Doba odozvy: časové oneskorenie
• Stálosť: nemení sa bez zmeny vstupu
• Spoľahlivosť: MTBF
• Presnosť: zhoda so skutočnosťou
• Drift: posun hodnoty v čase
• Odolnosť voči šumu: schopnosť filtrovať rušenie
• Frekvenčná charakteristika: rozsah frekvencií

Termoelektrické snímače

• Menia teplotu na elektrickú veličinu
• Termistor: polovodič

PTC / NTC termistory

• PTC: ↑ teplota → ↑ odpor
• NTC: ↑ teplota → ↓ odpor
• PTC použitie: nadprúdová ochrana

Fotoelektrické snímače

Menia svetlo na elektrickú veličinu:

• Fotodióda: generuje prúd/napätie (záverný smer) → aktívny
• Fototranzistor: riadený svetlom → aktívny aj pasívny
• Fotorezistor: mení odpor → pasívny

Tenzometrický snímač

Deformácia → zmena odporu

Prevodníky – Základy

Prevod fyzikálnej veličiny na unifikovaný signál.

Prevodníky neelektrických veličín

• Prúdenie vzduchu → napätie/prúd
• Tlak → napätie/prúd
• Osvetlenie → napätie/prúd
• Elektromagnetické pole → napätie/prúd

Prevodníky elektrických veličín

• A/D prevodník
• D/A prevodník

Medzisystémové prevodníky

• Elektro-pneumatický
• Elektro-hydraulický
• Pneumaticko-hydraulický
• Pneumaticko-elektrický
• Hydraulicko-pneumatický
• Hydraulicko-elektrický

Digitalizácia signálu

Analógový (spojitý) → digitálny (číslicový)

Vzorkovanie

• Diskretizácia času
• Shannon: f_vz ≥ 2·f_max
• Aliasing: chyba pri malej vzorkovacej frekvencii

Kvantovanie

• Diskretizácia amplitúdy
• Kvantizačný šum: rozdiel medzi skutočnou a kvantovanou hodnotou

Kódovanie

Priradenie binárneho kódu každej vzorke.

Vzorkovanie + Kvantovanie

Výsledok = digitálny signál

Vlastnosti prevodníkov

• Rozlíšenie
• Kvantizačná chyba
• Nelinearita
• Perióda vzorkovania
• Aliasing

A/D prevodníky – Typy

• Paralelný (komparačný): veľmi rýchly, drahý
• S postupnou komparáciou: štandardný typ
• Kompenzačný čítací: počíta od 0 nahor, pomalší
• Kompenzačný sledovací: pripočítava/odčítava, rýchlejší pri zmene
• S postupnou aproximáciou (SAR): najpoužívanejší

Princíp A/D (skratka)

Porovnáva vstupné napätie s referenčnými hodnotami → výsledok = binárne číslo

D/A prevodníky – Typy

• Napäťový: delenie napätia (rezistorová sieť)
• Prúdový: sčítanie prúdov (operačný zosilňovač)

Princíp D/A

Digitálny kód → zodpovedajúce analógové napätie/prúd