Z1= R1, Z2 = R2, Z3 = 1 sC2 , and Z4= 1 sC1 (3.3) vilket ger ett filter med brytfrekvens vid
fc=
1 2π√R1R2C1C2
(3.4) Komponenterna har valts s˚a att fc = 15 kHz, vilket ser till att nyttosignalen p˚a maximal
12.5 kHz passerar, men ej d¨ampas f¨or mycket.
F¨or att anpassa signalen till A/D-omvandlaren beh¨over den delas ned samt h¨ojas upp kring en DC-niv˚a. Enligt specifikationerna kan signalen variera ±2 V (±20 G). Som A/D-referens anv¨ands en precisionssp¨anningsk¨alla p˚a 2048 mV. Den inkommande signalen beh¨over allts˚a delas med tv˚a och h¨ojas upp till halva referenssp¨anningen (1024 mV). Allt detta g¨ors med en operationsf¨orst¨arkare kopplad i en summerande konfiguration. I figur 3.4 visas denna koppling.
Figur 3.4: En summerande operationsf¨orst¨arkarkoppling.
Kretsens funktion kan beskrivas som Vout = −R3 Vref R1 +Vsig R2 (3.5) Genom att s¨atta 2R1 = 2R2 = R3 kommer b˚ade sj¨alva signalen och A/D-referensen att
halveras innan de summeras. D˚a detta steg ¨ar inverterande anv¨ands ¨annu ett inverterande steg, utan f¨orst¨arkning, f¨or att v¨anda tillbaka signalen.
Resultatet av de ovanst˚aende ing˚angsstegen ¨ar en signal med borttagen DC-niv˚a, viknings- filtrerad som varierar med ±1 V kring 1024 mV. Denna ¨ar nu l¨ampligt anpassad f¨or att A/D- omvandlare. Tv˚a exakta kopior finns av detta ing˚angssteg, d˚a systemet har tv˚a kanaler f¨or accelerationsm¨atning.
Som A/D-omvandlare f¨or accelerometerstegen anv¨ands en extern krets fr˚an Texas Instru- ment vid namn ADS8329. Denna ¨ar tv˚akanalig, 16-bitars och har en maximal sampelfrekvens p˚a 500 kHz. Omvandlaren kommunicerar med mikrokontrollern via ett SPI-interface.
3.3
Ing˚angssteg till temperaturgivare
Som beskrivs i avsnitt 2.5 anv¨ands en temperaturgivare av typ PT-100. Som ett gr¨anssnitt mellan sj¨alva givaren och en A/D-omvandlare kan man anv¨anda en Wheatstone-brygga och en
instrumentf¨orst¨arkare. I figur 3.5 visas denna kopplingskedja.
Figur 3.5: Fl¨odesschema av ing˚angssteget f¨or temperaturm¨atningen.
B˚ade bryggkopplingen och instrumentf¨orst¨arkaren beh¨over konfigureras f¨or det aktuella m¨atomr˚adet och f¨or A/D-omvandlarens referenssp¨anning.
Wheatstone-bryggan (Figur 3.6) st¨alls in genom att s¨atta de tre motst˚anden till den resi- stans som givaren har vid den l¨agsta temperaturen man vill m¨ata. P˚a detta s¨att kommer den differentiella sp¨anningen i bryggan att var noll vid den l¨agsta temperaturen, f¨or att sedan ¨oka vid ¨okning i temperatur.
Figur 3.6: En Wheatstone-brygga.
Om de tre resistanserna i bryggan s¨atts till R blir funktionen mellan den differentiella sp¨anningen och givarens resistans
Vdif f = Vtemp− Vref = VDD(
Rtemp
Rtemp+ R− 0.5)
(3.6) d¨ar VDD ¨ar bryggans matningssp¨anning och Rtemp ¨ar givarens resistans.
F¨or att utf¨ora den differentiella m¨atningen p˚a ett effektivt s¨att anv¨ands en instrumentf¨orst¨arkare. Denna koppling visas i figur 3.7.
F¨or att bruka s˚a mycket som m¨ojligt av A/D-omvandlarens spann vill man f¨orst¨arka den differentiella signalen s˚a att sp¨anningen maximalt blir A/D-omvandlarens referens (VA/D). Be-
Figur 3.7: En instrumentf¨orst¨arkarkoppling.
f¨or m¨atningen gentemot h¨ogsta m¨ojliga temperatur (Tmax). Genom att s¨atta Tmax l˚agt kommer
en h¨ogre noggrannhet uppn˚as, men h¨ogre temperaturer ej kunna m¨atas ¨overhuvudtaget. Genom att s¨atta VDD = VA/D f˚as
Adif f =
1
Rtemp(Tmax)
R+Rtemp(Tmax)− 0.5
(3.7) d¨ar Rtemp(Tmax) ¨ar givarens resistans vid den maximalt ¨onskade temperaturen.
N¨ar Adif f ¨ar k¨and s¨atts sedan motst˚anden i f¨orst¨arkaren enligt
Adif f = 1 +
2R Rg
(3.8) Efter f¨orst¨arkningen passerar signalen genom ett anti-vikningsfilter realiserat med en enkel RC-l¨ank (Figur 3.8).
Figur 3.8: Ett enkelt l˚agpassfilter.
Filtrets brytfrekvens best¨ams enligt fc=
1
2πRC [Hz] (3.9)
Denna frekvens har satts till cirka 2 kHz.
Efter dessa steg ¨ar signalen l¨ampligt anpassad och redo att kopplas till mikrokontrollerns interna 12-bitars A/D.
Det ska redan h¨ar n¨amnas att denna koppling ej fungerar precis som det var t¨ankt. Mer om detta i avsnitt 5.1.1.1.
3.4
Str¨omslingeing˚ang
Ett enkelt str¨omslingeing˚angssteg har konstruerats f¨or att andra enheter, till exempel sensorer, ska kunna kommunicera data till modulen. Detta ing˚angssteg matar ¨aven sj¨alva slingan med +24V. Detta g¨or det m¨ojligt f¨or en yttre enhet att bli str¨omf¨ors¨orjd via slingan, och samtidigt skicka data till modulen. Sj¨alva ing˚angssteget visas i figur 3.9.
Figur 3.9: Kopplingsschema str¨omslingeing˚angen.
Dess funktion ¨ar mycket enkel. Modulen str¨omf¨ors¨orjer slingan via Iout och kommer att
f˚a tillbaka en str¨om genom Iin. Denna str¨om, som ¨ar 4-20 mA, flyter genom motst˚andet R
vilket kommer att ˚astadkomma en proportionell sp¨anning p˚a operationsf¨orst¨arkarens positiva ing˚ang. R b¨or s¨attas i enlighet med den h¨ogsta instr¨ommen (Imax) samt A/D-omvandlarens
referensv¨arde (VA/D). Detta kan ber¨aknas enligt
R = VA/D Imax
(3.10)
3.5
Str¨omslingeutg˚ang
Det finns ett otal m¨ojligheter att konstruera en str¨omslinges¨andare med diskreta komponenter. Texas Instruments har sedan n˚agra ˚ar tillbaka tillverkat en s¨andare, XTR115, som inte kos- tar mer ¨an en diskret l¨osning. Kretsen har, f¨orutom en str¨omslinges¨andare, ¨aven en inbyggd sp¨anningsregulator p˚a +5V och en sp¨anningsreferens p˚a +2,5 V. Dessa tv˚a kan driva en mindre sensorkrets vilket g¨or s¨andarnoden helt fri fr˚an egen str¨omf¨ors¨orjning. I den h¨ar applikationen kommer dock inte sp¨anningsreferensen eller sp¨anningsregulatorn att anv¨andas, men kretsens pris ¨ar konkurrenskraftigt ¨aven om bara str¨omslinges¨andaren anv¨ands.
F¨or att skydda kretsen fr˚an sp¨anningsspikar och omv¨and polaritet p˚a str¨omslingan placeras en likriktarbrygga parallellt med en +39V zenerdiod p˚a str¨omslingan. XTR115 ¨ar specificerad att klara maximalt +40V p˚a str¨omslingan, zenerdioden ser till att denna specifikation uppfylls. Kretsen genererar en str¨om till str¨omslingan, IO, baserat p˚a hur stor str¨om som g˚ar in p˚a
IIN enligt IO = RVININ100 d¨ar RIN ¨ar ett motst˚and i serie med IIN. Den analoga sp¨anningen
fr˚an mikrokontrollerns D/A-omvandlare varierar mellan 0 och +3,3V, RIN v¨aljs enligt IO = VIN
RIN100 ⇒