1. METR0360 Mechatronics System Design
Ch2 : Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
2.1 บทนํา
้2.2 ทฤษฎีและวงจรออปแอมป์พื้นฐาน
- คุณสมบัติในอุดมคติของออปแอมป์
- วงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับเฟส
- วงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟส
- วงจรขยายผลต่าง
- วงจรรวมสัญญาณแบบกลับเฟส
- วงจรรวมสัญญาณแบบไม่กลับเฟส
2/2556 by psw1999@yahoo.com
2. METR0360 Mechatronics System Design
Ch2 : Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
2.3 วงจรปรับสภาพสัญญาณ
- วงจรขยายแบบอินสตรูเมนท์
- วงจรปรับ Zero - Span
- วงจรปรับ Zero - Span ด้วยออปแอมป์ตัวเดียว
2.4 พื้นฐานการแปลงสัญญาณแอนะล็อกและสัญญาณดิจิตอล
- Analog to Digital Converter
- Digital to Analog Converter
2/2556 by psw1999@yahoo.com
3. METR0360 Mechatronics System Design
วัตถุประสงค์ :
เพื่อให้สามารถออกแบบวงจรปรับสภาพสัญญาณได้เพอใหสามารถออกแบบวงจรปรบสภาพสญญาณได
เพื่อให้เข้าใจการเลือกใช้งานวงจรแปลงสัญญาณ
เพื่อสามารถออกแบบวงจรเชื่อมต่อเซนเซอร์เพอสามารถออกแบบวงจรเชอมตอเซนเซอร
เพื่อให้เข้าใจการเลือกใช้อุปกรณ์แปลงสัญญาณ
2/2556 by psw1999@yahoo.com
3
4. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
ํ2.1 บทนํา [1]
รูปที่ 2.1 ภาพรวมการเชื่อมต่อเซนเซอร์เข้ากับระบบคอมพิวเตอร์
ในระบบควบคมที่มีการประมวลผลด้วยตัวควบคมแบบดิจิตอลหรือคอมพิวเตอร์ในระบบควบคุมทมการประมวลผลดวยตวควบคุมแบบดจตอลหรอคอมพวเตอร
ส่วนประกอบสําคัญหนึ่งก็คือการเชื่อมต่อสัญญาณจากเซนเซอร์เข้ากับระบบซึ่งหากมอง
ในภาพใหญ่แล้วอาจมีลักษณะดังเช่นรปที่ 2 1 ซึ่งประกอบด้วยส่วนสําคัญคือในภาพใหญแลวอาจมลกษณะดงเชนรูปท 2.1 ซงประกอบดวยสวนสาคญคอ
- วงจรปรับสภาพสัญญาณ (Signal Conditioning)
ฮาร์ดแวร์นําสัญญาณเข้าส่ระบบ (Data Acq isition Hard are DAQ Hard are)- ฮารดแวรนาสญญาณเขาสูระบบ (Data Acquisition Hardware : DAQ Hardware)
4
5. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
Input
่ ป D t A i iti H d ื DAQ ์ ์ ป็ ่
รูปที่ 2.2 ส่วนประกอบของ DAQ Hardware
สวนประกอบของ Data Acquisition Hardware หรอ DAQ ฮารดแวรเปนสวน
สําคัญของการนําข้อมูลจากภายนอกเข้าสู่ตัวควบคุมที่เป็นแบบดิจิตอลโดยมี
่ ป ื้ ั ป ี่ 2 2 ึ่ ไ ้ ่ (A lifi ) ัสวนประกอบพนฐานดงรูปท 2.2 ซงไดแก วงจรขยาย (Amplifier), วงจรกรองสญญาณ
รบกวนด้วยวงจรกรองความถี่ต่ําผ่าน (Low Pass Filter), วงจรสุ่มและคงค่าสัญญาณ
(S l d H ld) ั ป ั ็ ป็ ั ิ ิ (A/D)(Sample and Hold), ตวแปลงสญญาณแอนะลอกเปนสญญาณดจตอล(A/D) และ
หน่วยความจําเพื่อเก็บข้อมูลที่ได้จากการแปลงสัญญาณ 5
6. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
Signal Conditioning Circuit คือวงจรเชื่อมต่อกับเซนเซอร์เพื่อจัดรูปสัญญาณให้g g ู ญญ
เหมาะสมก่อนนําสัญญาณไปใช้งาน ในระบบเมคคาทรอนิกส์มีความจําเป็นที่ต้องวัด
ปริมาณต่างๆเพื่อป้อนกลับมาให้ตัวควบคุมได้รู้ว่าสภาวะปัจจุบันของระบบทําให้ตัวๆ ุ ู ุ
ควบคุมสามารถควบคุมการทํางานได้ตามคําสั่งที่ป้อนให้กับระบบ ในบทนี้จะอธิบาย
การทํางานและการออกแบบวงจรเพื่อเชื่อมต่อกับเซนเซอร์และการปรับสภาพสัญญาณที่ญญ
ได้จากเซนเซอร์ให้เหมาะกับการประมวลผล โดยสิ่งแรกที่ควรพิจารณาในการออกแบบ
ก็คือเซนเซอร์นั้นมีอะไรเปลี่ยนแปลงเมื่อถูกนําไปวัดปริมาณที่ต้องการ เช่น ความู
ต้านทานเซนเซอร์เปลี่ยน หรือเซนเซอร์ให้เอาต์พุตเป็นกระแสหรือแรงดันที่เปลี่ยนตาม
ปริมาณที่วัด สิ่งที่ต้องคํานึงถึงอีกอย่างก็คือลักษณะของสัญญาณที่ได้หลังการปรับสภาพญญ
สัญญาณแล้วควรเป็นอย่างไร ทั้งสองอย่างนี้เป็นตัวกําหนดลักษณะวงจรในการเชื่อมต่อ
ว่าควรมีคุณสมบัติอย่างไรดังจะอธิบายต่อไปนีุ้
6
7. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
รูปที่ 2.3 ตัวอย่างลักษณะวงจรปรับสภาพสัญญาณในเชิงพาณิชย์
รูปแบบสัญญาณแอนะล็อกมาตรฐาน
ปริมาณทางไฟฟ้าจากเซนเซอร์กรณีที่เป็นสัญญาณแอนะล็อก สัญญาณเหล่านี้จะถูกู
เปลี่ยนเป็นสัญญาณมาตรฐานในรูปแบบต่างๆที่พบและมีการใช้งานกันในระบบควบคุม
และเครื่องมือวัดได้แก่
แรงดัน 0-10 V , 0-5V , -10 V ถึง +10V , 1 - 5V
สัญญาณกระแส 4-20 mA สําหรับรูปที่ 2.3 เป็นตัวอย่างฮาร์ดแวร์ของตัวปรับู
สภาพสัญญาณที่มีการใช้งานกันและมีผู้ผลิตจําหน่าย
7
13. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
iR
fR
OV
รปที่ 2 8 วงจรขยายแบบไม่กลับเฟส
inV
วงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับเฟส (Non Inverting Amplifier)
รูปท 2.8 วงจรขยายแบบไมกลบเฟส
รูปที่ 2.8 เป็นวงจรขยายสัญญาณชนิดไม่กลับเฟสสัญญาณซึ่งหมายถึงเฟสของ
สัญญาณด้านอินพตและเอาต์พตวงจรจะมีเฟสตรงกัน ในการวิเคราะห์วงจรจะเริ่มจากสญญาณดานอนพุตและเอาตพุตวงจรจะมเฟสตรงกน ในการวเคราะหวงจรจะเรมจาก
คุณสมบัติของออปแอมป์ที่บอกว่าผลต่างแรงดันที่ขาอินพุตทั้งสองมีค่าเท่ากับศูนย์ดังนั้น
แรงดันที่คร่อมตัวต้านทาน จึงมีค่าเท่ากับแรงดันอินพตซึ่งสามารถเขียนทิศกระแสiRแรงดนทครอมตวตานทาน จงมคาเทากบแรงดนอนพุตซงสามารถเขยนทศกระแส
และแรงดันในวงจรดังรูปที่2.9
i
13
14. R
Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
inV
-
+-
fR
i
iV
+
+
+iR
OV
รูปที่2.9 ทิศทางแรงดันและกระแสในวงจรขยายแบบไม่กลับเฟส
inV
-
-
ู
V
จากรูปเขียนสมการกระแสและแรงดันดังนี้
(2 1)
in
in
R
V
i −=
infO VRiV +⋅−=
…(2.1)
…(2.2)infO
แทนค่ากระแสลงในสมการเอาต์พุต in
in
f
ininf
in
in
O V
R
R
VVR
R
V
V +=+
−
−=
inin
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+= 1
in
f
inO
R
R
VV …(2.3) 14
15. ั ั
Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
วงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟส (Inverting Amplifier)
ใ ป ี่ 2 10 ั
fRinV
+ -
+
จากวงจรในรูปท 2.10 แรงดน
ระหว่างขาอินพุตออปแอมป์เท่ากับ
์ ั่ ื ั ่ RV
i
รปที่2 10 วงจรขยายแบบกลับเฟสสัญญาณ
ศูนยนนคอแรงดนตกครอมความ
ต้านทานด้านอินพุตเท่ากับแรงดัน
ิ ั ั้ i ํ
OV
iRinV
รูปท2.10 วงจรขยายแบบกลบเฟสสญญาณอนพุต ดงนนกระแส i คานวณจาก
สมการที่ (2.5)
inV
i =
inR VV i
= …(2.4)
…(2.5)
inR
i =
fO iRV −=
…(2.5)
…(2.6)
i
f
inO
R
R
VV −= …(2.7)และแรงดันเอาต์พุตคือ 15
16. ่
Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
วงจรขยายผลต่าง (Differential Amplifier)
fR
1R
OVi
bV
aV
2R
3R
2V1V
รูปที่ 2.11 วงจรขยายผลต่าง
วงจรนี้จะขยายผลต่างของสัญญาณที่เข้ามาที่ขาอินพุตของออปแอมป์ทั้งสองโดยมี
ลักษณะวงจรดังรูปที่ 2.11 จากคุณสมบัติของวงจรแบ่งแรงดันและออปแอมป์จะได้ว่า
32
3
2
RR
R
VVV ba
+
== …(2.8)
1
1
R
VV
i a−
=เมื่อพิจารณากระแส i จะได้ว่า …(2.9)
16
17. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
แรงดันเอาต์พุตของวงจรในรูปที่ 2.11 สามารถคํานวณได้จาก
afO VRiV +×−= แทนค่ากระแส i ลงในสมการเอาต์พุต
VV ⎞⎛ VV ⎞⎛
af
a
O VR
R
VV
V +×⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ −
−=
1
1
R
af
a
O VR
R
V
R
V
V +×⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−−=
11
1
แทนค่า
32
3
2
RR
R
VVa
+
=
RRVV ⎞⎛
32
3
2
321
32
1
1
)( RR
R
VR
RRR
RV
R
R
V
V ffO
+
+⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+
−−= …(2.10)
เพื่อให้การนําวงจรนี้ไปใช้งานได้ง่ายขึ้นก็จะกําหนดให้ค่าความต้านทานในวงจรมี
ความสัมพันธ์กันคือ fRRRR == 321 ,ความสมพนธกนคอ fRRRR 321 ,
17
18. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
2
21 f
f
f
fO
R
VR
RV
R
V
V +
⎟
⎟
⎞
⎜
⎜
⎛
−−=
)()( 1
2
111 f
f
f
fO
RR
VR
RRR
R
R
V
+
+
⎟
⎠
⎜
⎝ +
221 fff RVRRV
R
V
V
)()( 1
2
11
2
1
1
f
f
f
ff
fO
RRRRR
R
R
V
V
+
+
+
+−=
⎟
⎞
⎜
⎛ RRV
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
+
+
+−=
)()( 11
1
11
2
1
1
ff
f
ffO
RRR
R
RRR
R
RVR
R
V
V
⎞⎛ )( RRV
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
+
+−=
)(
)(
11
1
2
1
1
f
f
ffO
RRR
RR
RVR
R
V
V Gain
1
2
1
1
R
R
V
R
R
VV
ff
O +−= )( 12
1
VV
R
R
V
f
O −= …(2.11)
18
19. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
1R
รูป2.12 วงจรขยายผลต่างที่มีอินพุตสองสัญญาณ
สรุปวงจรขยายผลต่างชนิดที่มีสัญญาณอินพุต 2 สัญญาณดังรูปที่ 2.12 จะมีสมการ
แรงดันเอาต์พตคือ
)( 12 VV
R
V
f
O −=
แรงดนเอาตพุตคอ
…(2.12))( 12
1R
O ( )
19
20. ่ ี ิ ี
Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
วงจรขยายผลต่างแบบมีอินพุตเดียว
วงจรแบบนี้แตกต่างวงจรในรูปที่ 2.12 เพียงเล็กน้อยคือสัญญาณอินพุตมีเพียง
ั ี ั ี่ ่ ั ํ ั ใ ิ ์ ั ิ ็ ื ่ ัสัญญาณเดียวดังรูปที 2.13 แต่หลักสําคัญในการวิเคราะห์ยังคงเดิมก็คือผลต่างของแรงดัน
ที่ขา Inverting และ non Inverting ของออปแอปม์ยังมีค่าเท่ากับศูนย์ดังนั้นจากรูป 2.13
ี ั ี้เขียนสมการตามกฎ KVL ดังนี
iiiin iRRiRiV 20 =×++×= …(2.13)
R
)
2
(
i
in
R
V
i = …(2.14)
iR
fR
i
inV
iR
OV
fRfR
รูปที่ 2.13 วงจรขยายผลต่างแบบอินพุตเดียว 20
21. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
เขียนสมการแรงดันเอาท์พุตคือ
+×−= )( fO
RiV
ั ่ ิ ป ป์ ่ ั ์ ั ั้ ั ์ ็ ื
แรงดันระหว่างขาอินพุตออปแอมป์ )( fRi ×−+ …(2.15)
แรงดนระหวางขาอินพุตออปแอมปเทากบศูนยดงนนแรงดนเอาตพุตก็คือ
)2( RiV ×−= )( in
V
i =)2( fO RiV ×= )
2
(
iR
i
ั ั้ fin
R
VR
V
V )2( (2 16)ดังนัน
i
f
inf
i
in
O
R
VR
R
V −=×−= )
2
2( …(2.16)
21
22. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
การปรับแต่งวงจรขยายผลต่าง
ในทางปฏิบัตินั้นค่าความต้านทานในวงจรที่เรากําหนดให้มีค่าเท่ากันและออฟเซตในฏ
ออปแอมป์จะทําให้เกิดปัญหาในการทํางานกล่าวคือเมื่อแรงดันอินพุตเป็นศูนย์เอาต์พุตไม่
เป็นศูนย์ การแก้ปัญหาทําโดยเปลี่ยนค่าความต้านทาน Rf ที่ขาอินพุตแบบไม่กลับเฟสู ญ f ุ
สัญญาณให้เป็นตัวต้านทานแบบปรับได้ดังรูปที่ 2.14 จากนั้นก็ป้อนแรงดันอินพุตเป็น
ขนาดเล็กในย่านมิลลิโวลต์ที่อินพุตทั้งสองศูนย์จากนั้นปรับค่าความต้านทานที่ปรับได้นี้ให้
fR
ุ ู
เอาต์พุตมีขนาดใกล้ศูนย์
iR
V
i
inV
iR
OV
fRinV
รูปที่ 2.14 วงจรขยายผลต่างที่มีจุดปรับแต่งการทํางาน 22
23. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
fR
วงจรขยายผลต่างแบบมีแรงดันอ้างอิง
inV
iR
OV
i
iR
fR
Vref
V
รูปที่ 2.15 วงจรขยายผลต่างที่มีแรงดันอ้างอิง
จากวงจรในรูปที่ 2.15 พบว่ากระแส i ยังคงมีค่าเหมือนเดิมแต่สิ่งที่เปลี่ยนไปก็คือ
แรงดันเอาต์พุตมีเทอมของแรงดันอ้างอิง เพิ่มเข้ามาrefVุ ref
+×−= )( fO
RiV แรงดันระหว่างขาอินพุต OpAmp reff VRi +×−+ )(
0 โวลต
ref
i
f
inO
V
R
R
VV +×−= )( …(2.17) 23
24. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
ปัญหาของวงจรขยายผลต่างคือเรื่อง
่ ้ ้
ปัญหาของวงจรขยายผลต่าง
fR
i
ความเกียวข้องกันระหว่างความต้านทาน
อินพุตของวงจรและอัตราการขยาย โดยinV
iR
OV
i
จากสมการ (2.17)
f
f
iO
V
R
VV +×−= )(
iR
fR
refVz ref
i
inO
V
R
VV +)(
รูปที่ 2.16 อินพุตวงจรขยายผลต่าง
ref
inz
ถ้าความต้านทาน อัตราขยายวงจรจะลดลงแต่ค่าความต้านทานด้านอินพุตของ
ี่ ี ่ I t i d ี ่ ิ่ ึ้ ั ั้ ้ ั
iR
วงจรทเรยกวา Input impedance จะมคาเพมขน ดงนนหากตองการอตราการ
ขยายแรงดันที่สูงและอินพุตอิมพีแดนซ์สูงๆด้วยก็อาจจะต้องใช้วงจรอื่น
inZ
24
26. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
วิธีทํา เนื่องจากเป็นวงจรบริดจ์อาจใช้วงจรขยายผลต่างหรือวงจรขยายอินสตรูเมนท์ก็
ได้ โดยในที่นี้เลือกใช้วงจรขยายผลต่างจากนั้นเขียนไดอะแกรมดังรูปที่ 2.18 แทนย่าน
0 mV -10 V
แรงดันอินพุตของวงจรและย่านแรงดันเอาต์พุตที่ต้องการ
Diff. Amp.
0 mV -10 V
500 mV 10 V
VOVin
รูปที่ 2.18
ความสัมพันธ์ระหว่างอินพุตเอาต์พุตวงจรดังนี้ CmVV inO +=
โดย m คือความชันของเส้นตรงที่แทนความสัมพันธ์
C คือค่าของเอาต์พตเมื่ออินพตเป็นศนย์
ุ ุ
C คอคาของเอาตพุตเมออนพุตเปนศูนย
ดังนั้น m หาได้จาก 40
05.0
)10(10
VV
VV
ΔV
ΔV
m
inmininmax
OminOmax
in
O
=
−
−−
=
−
−
==
inmininmaxin
และค่าของ C = -10 และเขียนสมการได้ดังนี้ 1040VV inO −= 26
27. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
หากเลือกใช้วงจรขยายผลต่างแทนความสัมพันธ์ดังสมการจะต้องมีการต่อแรงดัน
อินพุตให้ขั้วลบต่อเข้าที่ขา Inverting ของออปแอมป์ดังรูปที่ 2.19 และเลือกใช้แรงดัน
่Vref ที่มีค่าเท่ากับ -10 และเลือกค่า K = 40
refin VVV += KO refinO
1040O −= inVV
ืและเลือก R = 10kΩ , KR = 40 x 10kΩ = 400 kΩ Ans###
OV
รูปที่ 2.19 วงจร Differential Amp ที่ออกแบบ
refV
27
28. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
วงจรรวมสัญญาณแบบกลับเฟส (Inverting Summing Amplifier)
fO R
VVV
V )( 321
++−= fO
RRR
)(
321
รูปที่ 2.20 วงจร Inverting Summing Amplifier
จากวงจรจะได้ว่า i1 = V1 / R1 i2 = V2 / R2 i3 = V3 / R3
โดยที่โดยท
iT = i1 + i2 + i3 และ VO = -iT x Rf
fO R
R
V
R
V
R
V
V )(
3
3
2
2
1
1
++−=ดังนั้นจะได้ว่า …(2.18)
28
29. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
ไ
a
V +-
VV
i a )( 1 −
วงจรรวมสัญญาณแบบไม่กลับเฟส (Inverting Summing Amplifier)
R
i a )( 1
1 =
R
VV
i a )( 2
2
−
=
a
a
T
R
V
i
−
=
R
R
VV
i a )( 3
3
−
=
ี่
R
afTO
VRiV +−=RRRR === 321
รูปที 2.21 Non Inverting Summing Amplifier
จากคุณสมบัติของออปแอมป์ที่ว่าไม่มีกระแสไหลเข้าขาอินพุตและเงื่อนไขค่าความุ ุ
ต้านทานตามวงจรในรูปที่ 2.21 ดังนั้นจะได้ว่า
VVVViii 3)(0
)( 321 VVV
V
++ (2 19)a
VVVViii 3)(0 321321
−++==++
3
)( 321
Va = …(2.19)
29
30. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
้ )( VVV ++ ใ ์ดังนั้นแทนค่าของแรงดัน
3
)( 321
VVV
Va
++
= ลงในสมการของเอาต์พุต
afTO
VRiV +−= afTO
3
321
VVV
RiV fTO
++
+−= และแทนกระแส a
T
R
V
i
−
=
3 aR
3
321
VVV
R
R
V
V f
a
O
++
+= ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ ++
+⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ ++
= 321321
VVVVVVR
V f
O
3R
f
a
O ⎟
⎠
⎜
⎝
⎟
⎠
⎜
⎝ 33Ra
O
⎤⎡
⎟
⎞
⎜
⎛ ++ f
RVVV 321 (2 20)⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ ++
=
a
f
O
R
VVV
V 1
3
321 …(2.20)
30
32. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
์
-มีอิมพีแดนซ์ทางอินพุตสูง
้
วงจรขยายแบบอินสตรูเมนท์ (Instrument Amplifier)
R
-อัตราการขยายของวงจรนั้นไม่มี
ผลต่ออินพุตอิมพีแดนซ์ซึ่ง
R
R
R
aV
V V
แก้ปัญหาที่เกิดในวงจรขยาย
แบบดิฟเฟอเรนเชียลRbV
inV 1OV
OV
mR
i
bain VVV −=
VV
i ba −
=
…(2.21)
…(2.22)
R
R
b
mR
)(1 RmRRiVO ++=
รูปที่ 2.22 วงจร Instrumentation Amplifier …(2.23)
จากวงจรเมื่อกําหนดให้ค่าความต้านทานในส่วนที่เป็นวงจรขยายผลต่างมีความ
ต้านทานเท่ากันหมด ดังนั้นค่าแรงดันเอาต์พุตจึงมีค่าเท่ากับ
)1
2
()2()2(1 +−=+−=+−=−=
m
VmRR
mR
V
mRRiVV in
in
OO …(2.24)
32
33. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
ขั้นตอนการเลือกตัวต้านทานใน Instrumentation Amplifier
2
1. จากอัตราการขยาย )1
2
( +=
m
Gain
2
2. คํานวณค่า m จาก 1
2
−
=
Gain
m
3. เลือกค่า R ที่จะใช้โดยใช้ค่าที่มีจําหน่ายในท้องตลาด
ื ่ ั ้ ่ ้ ่ ่ ี่ไ ้ ้ ไ ่ ้4. เลือกค่าตัวต้านทาน mR จากค่า m คูณด้วย R แต่ค่าทีได้จะต้องไม่น้อย
จนเกินไปเพราะจะทําให้ค่ากระแสไหลสูงในทางปฏิบัติทําไม่ได้
ควรใช้ตัวต้านทานชนิดค่าผิดพลาด 1%
33
38. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
รูปที่ 2.25 โครงสร้างของ Instrumentation Amplifier เบอร์ INA110 38
39. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
รปที่ 2 26 โครงสร้างของ I t t ti A lifi เบอร์ AD524รูปท 2.26 โครงสรางของ Instrumentation Amplifier เบอร AD524
39
40. ใ ์
Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
ผลความต้านทานสายสัญญาณในวงจรขยายแบบอินสตรูเมนท์
กรณีที่วงจร Instrument Amp. ต่อสายที่ยาวขึ้นเพื่อนําสัญญาณOutput ไปใช้งานกรณทวงจร Instrument Amp. ตอสายทยาวขนเพอนาสญญาณOutput ไปใชงาน
นั้นอาจจะเกิดปัญหาได้เนื่องจากแรงดันตกคร่อมในสายได้ซึ่งในรูปต่อไปนี้จะได้วิเคราะห์
ผลความต้านทานของสายที่มีผลต่ออัตราการขยายผลความตานทานของสายทมผลตออตราการขยาย
R R Rw
S
R R Rw
mR
R
Vin
I
V
Rw
RL
Sense
O/P
I
V
Rw
RL
Vo
R RR
Rw
RL
Ref
Vo
RR Rw
RL
a) b)
รูปที่ 2.28 วงจรที่ใช้ชดเชยปัญหาความต้านทานในสายของ Instrument Amp.ู ญ p
40
41. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
จากรูป b)
R2
V
I =
V
)( RwRRRwIVo +++−= )(
2
RwRRRw
R
V
+++−=
)R2Rw2(
V
+−= )
R2Rw2
(V +−=)(
R2
)
R2R2
(V +
)1
Rw
(VVo +−= …(2.25))1
R
(VVo + ( )
จากรูป )RmRR(iV ++=
)mRR2(
Vin
+= )(
mR
)
mR
mR
mR
R2
(VinV += )1
m
2
(Vin +=
mRmR m
41
42. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
แทนค่าของ V ลงในสมการ Vo ซึ่งจะได้สมการแรงดันที่ Output ที่รวมผลความ
ต้านทานสายไปด้วยดังนี้
)1
R
Rw
)(1
m
2
(VinVo ++−= …(2.26)
Rm
จากการวิเคราะห์ผลของสายนั้นสิ่งที่แตกต่างจากที่ผ่านๆมาคือการกําหนดOutputๆ p
ของวงจรนั้นจะกําหนดที่ RL ซึ่งเป็น Load ของวงจรซึ่งก็ถูกต้องแล้วเพราะเป็นจุดที่เรา
นําไปใช้งานและก็ได้นําค่าความต้านทานสายมาคิดในการคํานวณอัตราการขยายด้วย
จากสมการหากให้ผลของสายตัวนํามีผลน้อยที่สุดต้องเลือก R >> Rw
42
43. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
อย่างไรก็ตามหากการใช้งานต้องการต่อสายจากวงจรขยายอินสตรูเมนท์ให้ยาวก็
อาจจะต้องเพิ่มวงจรขยายกระแสเอาต์พุตของออปแอมป์โดยใช้ทรานซิสเตอร์ดังรูปทีุ่ ู
2.29 โดยทรานซิสเตอร์ชนิด NPN จะทํางานกรณีกระแสจากออปแอมป์มีค่าเป็นบวก
(ไหลออก) และทรานซิสเตอร์ชนิด PNP ทํางานช่วงกระแสเอาต์พุตออปแอมป์มีค่าเป็นค่าุ
ลบ (ไหลเข้า)
R R Sense
mR
R
Vin
I
V
+V
Vo
mR
R
Vin V
RL
-V
Output
RR
Reference
รปที่ 2 29 การใช้ทรานซิสเตอร์ช่วยขยายกระแสวงจรขยายแบบอินสตรเมนท์รูปท 2.29 การใชทรานซสเตอรชวยขยายกระแสวงจรขยายแบบอนสตรูเมนท
43
45. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
ทุกเสนความชันเทากัน
แตจุดตัดแกน Y ตางกัน
่
การปรับคณสมบัติของวงจร 2 อย่างด้วยกันคือการปรับ Zero และการปรับ Span
รูปที 2.31 ผลการปรับค่า Zero ของวงจร Zero-Span
การปรบคุณสมบตของวงจร 2 อยางดวยกนคอการปรบ Zero และการปรบ Span
การปรับค่า Zero คือการการปรับจุดตัดแกนแนวตั้งของกราฟความสัมพันธ์ระหว่าง
แรงดันเอาต์พต-อินพตของวงจรซีโร่-สแปนนั่นเองแรงดนเอาตพุต อนพุตของวงจรซโร สแปนนนเอง
45
46. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
รูปที่ 2.32 ผลการปรับค่า Span ของวงจร Zero - Span
การปรับ Span ก็คือการปรับค่าความชันของกราฟความสัมพันธ์ระหว่างเอาต์พุต-
อินพตวงจรปรับ Zero-Span โดยที่ค่าของจดตัดแกนแนวตั้งนั้นไม่ได้เปลี่ยนแปลงอนพุตวงจรปรบ Zero Span โดยทคาของจุดตดแกนแนวตงนนไมไดเปลยนแปลง
46
47. R
Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
OSR fR
R
R
CCV+
CCV±
R
iR
inV
2/R
CCV−
in
่รูปที 2.33 วงจรปรับ Zero-Span
วงจรปรับ Zero-Span ดังรูปที่ 2.33 ที่จริงแล้วก็คือวงจรขยายผลรวมสัญญาณp ู ญญ
แบบไม่กลับเฟส หรือที่เรียกว่า Inverting Summing Amplifier นั่นเองโดยมีการนํามา
ต่อกับวงจร Inverting Amp. ให้ได้เครื่องหมายของแรงดันเอาต์พุตตามต้องการโดยp ุ
วงจรมีสมการแรงดันเอาต์พุตคือ
(2 27)ff
V
R
V
R
V …(2.27)CC
OS
f
in
i
f
O V
R
V
R
V ⋅+⋅=
47
48. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
RR
เปรียบเทียบสมการเส้นตรงกับสมการแรงดันเอาต์พุตวงจรปรับ Zero-Span
CC
OS
f
in
i
f
O V
R
R
V
R
R
V ⋅+⋅=
CVmV inO +⋅=
OV
จุดตัดแกน Y f
R
R
m =
CC
OS
f
V
R
R
C =
iR
inV
รูปที่ 2.34 กราฟความสัมพันธ์ระหว่างอินพุตเอาต์พุตวงจรปรับ Zero-Span 48
49. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
ขั้นตอนการออกแบบวงจรปรับ Zero-Span
้ ํ ิ ์ V Vจากขอกําหนดอินพุต-เอาตพุต
maxOVmaxinV
mininV minOV
minmax
minmax
inin
OO
VV
VV
m
−
−
=1) คํานวณค่าความชันกราฟจาก
2) จากความสัมพันธ์ CmVV inO +=
แทนค่า m และค่า mininV minOV เพื่อหาค่า C
หรือ mininV minOV เพื่อหาค่า C
่3) นําค่าที่ได้จากข้อ 2) ไปคํานวณหาค่าตัวต้านทาน
fR
m = CC
f
V
R
C =
iR
CC
OSR
49
50. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
จากค่าความต้านทานที่คํานวณได้นั้นมักจะเลือกให้ค่าความต้านจากคาความตานทานทคานวณไดนนมกจะเลอกใหคาความตาน
OSR และ iR เป็นตัวต้านทานแบบปรับค่าได้ดังในรูปที่ 2.35
Ωk50
Ω= kROS 50
Ωk20 Ωk50
รูปที่ 2.35 การเลือกค่าความต้านทานหลังจากการคํานวณ
50
52. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
ั ่ ี่ 2 3ตวอยางท 2.3
สมมุติว่าต้องการออกแบบวงจรให้มีความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันอินพุต-
เอาต์พุตดังรูปที่ 2.36 ให้เขียนสมการแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง Vo และ Vin
Signal conditioning
Vin(max) = 5V Vo(max) = 5 V
V
Circuit
Vin(min) = 1V Vo(min) = 0 V
V
O
รูปที่ 2.36
52
53. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
วิธีทํา ความชันสมการเส้นตรง
ΔVo Vo(max) - Vo(min)
m = =
ΔVin Vin(max) - Vin(min)
5 - 0
m = 1.25
5 - 1
=
จาก Vo = mVin + C แทนค่า Vo = 5 และ Vin = 5 และ m = 1.25
ั ั้ ่ ไ ้
ั ั ์ ื
ดังนันจะหาค่า C ได้จาก C = Vo – mVin = 5 – (1.25 x 5) = -1.25
สรุป ความสัมพันธ์ Vo , Vin คือ Vo = 1.25Vin – 1.25
53
54. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
6
4
5
3
Vo(V)
1
2
1 2 3 4 5
0
Vin (V)
รูปที่ 2.37 กราฟความสัมพันธ์ Vo , Vin ตามสมการ Vo = 1.25Vin – 1.25
54
57. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
10
50
5
252
05
==
−
−
==
f
R
R
m
ดังนั้นสมการความสัมพันธ์อินพุตและเอาต์พุต CVV inO +⋅=10
5.025.2iR
แทนค่าของแรงดันอินพุต Vin(min) = 2 โวลต์ และ VO(min) = 0 โวลต์
ลงในสมการ VO เพื่อหาค่า C จะได้ว่า
C = VO - 10Vin
C = 0 - 10(2) = -20C 0 10(2) 20
ดังนั้นความสัมพันธ์ของอินพุต-เอาต์พุตคือ 2010 −⋅= inO VV
เทียบกับวงจร Zero Span CC
f
in
f
O V
R
R
V
R
R
V ⋅+⋅=
OSi RR
57
58. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
นั่นคือ 10=
f
R
R
20−=⋅
f
CC
R
R
V
เลือก VCC เป็น -15 V ตามเครื่องหมายลบในสมการซึ่งจะได้ว่า
iR OSR
R
15
2020
−
−
=
−
=
CCOS
f
VR
R
เลือกค่าความต้านทาน
ั ั้
Ω= k100fR
ΩΩ k10k
100fR
Rดงนน Ω=Ω== k10k
10
100
10
f
iR
×− k10015fR
Ω=
−
×
=
−
⋅= k75
20
k10015
)20(
f
CCOS VR
AnsΩ=Ω=Ω= k75,k10,k100 OSif RRR
58
59. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
ตัวอย่างที่ 2.5
สมมุติว่าเซ็นเซอร์วัดความดันชนิดหนึ่งให้แรงดัน O/P เท่ากับ
2 .48 Volt ที่ความดัน 1 KPa
3.90 Volt ที่ความดัน 10KPa
ต้องการแปลงแรงดันดังกล่าวให้อยู่ในช่วง 0 – 5 V เพื่อต่อกับวงจรแปลงสัญญาณ
Analog เป็น Digital ขนาด 8 บิต จงออกแบบวงจรเพื่อแปลงสัญญาณจากเซ็นเซอร์ย่านAnalog เปน Digital ขนาด 8 บต จงออกแบบวงจรเพอแปลงสญญาณจากเซนเซอรยาน
แรงดัน 2.48-3.90 V ให้อยู่ในย่าน 0-5 V
วิธีทํา จากความสัมพันธ์ของแรงดันอินพุตและเอาต์พุตหาความชันสมการเส้นตรงแทน
ความสัมพันธ์ดังกล่าวดังนี้
3.52
2.483.90
05
ΔVin
ΔVo
m =
−
−
==
2.483.90ΔVin
59
60. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
จากค่า Gain m จะต้องเลือกค่า Rf ที่มากพอที่จะไม่ให้ Ri นั้นมีค่าต่ําจนเกินไปเพราะ
ไ ่ ใ ่ ไ ้โ ใ ่ ้อาจจะไป Load ที O/P ของวงจรในส่วนเครืองมือวัดได้โดยในทีนีเลือกค่า Rf
ั ั้ ํ ่ ้Ωk470R ดังนันคํานวณค่าความต้านทาน Ri จากΩ= k470fR
Ω=
Ω
== k52.133
k470R
R
f
i
ส่วนกรณีอินพุตของวงจร = 2.48 Vo จะมีค่าเป็น 0 V จะเขียนสมการได้
5.33
52.3m
i
ุ
ดังนี้คือ Vo = 0 = mVin + C
0 = 3.52 x 2.48 + C
จะได้ค่า C = - 3.52 x 2.48 = - 8.7296
60
61. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
จาก C
R
R
V
f
CC ⋅=−= 729.8
OSR
จากสมการหากต้องการค่า C ที่เป็นลบจําเป็นต้องเลือกค่าแรงดัน VCC = -12V
โ ี่ ื Ωk470Rโดยจากทเราเลอก
ดังนั้นจะหาค่า Ros ได้จาก
Ω= k470fR
Ω=
−
×−=⋅= k07.646
729.8
000,470
12
C
R
VR
f
CCOS
ส่วนค่า OSif // R// RRR =Comp
kk//k//k
เลือก ###
Ω== k56.89k07646//k52.133//k470 .
Ω= k90CompR ###Comp
61
62. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
สรุป
ΩΩ
Ω=Ω=
k90k07646
k52.133,k470
RR
RRf i
(เลือก R และ R เป็นแบบปรับค่าได้ค่าความต้านทาน 150 kΩ และ 1 MΩ)
Ω=Ω= k90k07.646 CompRROS
(เลอก Ri และ Ros เปนแบบปรบคาไดคาความตานทาน 150 kΩ และ 1 MΩ)
OSR fR
CCV±
R
R
iR
CCV+
CC
2/R
CCV−
inV
CCV
รูปที่ 2.39 วงจรปรับ Zero-Span ที่ใช้ในการออกแบบู
62
63. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
+VCC
RR
วงจรปรับ Zero - Span ด้วยออปแอมป์ตัวเดียว
RfRi
VB
+
-
V
VO
Vin
รปที่ 2 40 วงจรปรับ Zero-Span ด้วยออปแอมป์ตัวเดียว
วงจรดังรูปที่ 2.40 เป็นวงจร Zero Span ที่ใช้ออปแอมป์เพียงตัวเดียวโดยสมการ
ั ์ ี ั ี่ 2 28
รูปท 2.40 วงจรปรบ Zero-Span ดวยออปแอมปตวเดยว
แรงดนเอาตพุตของวงจรสามารถเขยนดงสมการท 2.28
ff
V
R
V
R
V )()1( += (2 28)B
i
in
i
O V
R
V
R
V )()1( −+= …(2.28)
63
64. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
การวิเคราะห์อาจใช้วิธีการที่เรียกว่า Superposition โดยคิดเอาต์พุตวงจรที่เกิดจาก
แหล่งจ่ายแรงดันแต่ละตัวแล้วนํามารวมกันเพื่อเป็นแรงดันเอาต์พุตที่เกิดจริง
- จากวงจรในรูป 2.41 เป็นกรณีแรงดัน VoVB คือแรงดันเอาต์พุตที่เกิดจากแรงดัน VB
f
V
R
V )(
รูปที่ 2.41 วงจรที่ใช้พิจาณาผลของแรงดัน VB ต่อแรงดันเอาต์พุต
B
i
f
O V
R
V VB
)(−= …(2.29)
64
65. ใ ป ี่ 2 42 V ื ั ์ ี่ ิ ั Vi
Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
- จากวงจรในรูปท 2.42 VoVin คอแรงดนเอาตพุตทเกดจากแรงดน Vin
รปที่ 2 42รูปท 2.42
in
f
O V
R
R
V V
)1( += (2 30)in
i
O
RinV
)(
inBV VOOO VVV +=
…(2.30)
…(2.31)
้ ์ ่ ็ดังนันตามหลัก Superposition แรงดันเอาต์พุตวงจรรูปที 2.40 ก็คือการนําแรงดัน
เอาต์พุตที่ได้ดังสมการ (2.29) และ (2.30) มารวมกันดังสมการ (2.28)
B
i
f
in
i
f
O V
R
R
V
R
R
V )()1( −+= 65
71. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
ความสัมพันธ์ของสัญญาณดิจิตอลที่เอาต์พุตของ A/D และสัญญาณแอนะล็อกที่
อินพุตของ A/D มีความสัมพันธ์ดังสมการที่ (2.33)
)2( N
×= in
out
V
V
D …(2.33)
ุ
refV
โดย N คือจํานวนบิตของ A/D
Dout คือข้อมูลเอาต์พุต A/D
Vref คือแรงดันอ้างอิงของ A/D ที่ใช้ในการแปลงสัญญาณref ญญ
Vin คือแรงดันอินพุตที่ต้องการแปลงเป็นดิจิตอล
Resolution of A/D เป็นค่าความละเอียดของ A/D ซึ่งเป็นความกว้างของย่านแรงดันที่Resolution of A/D เปนคาความละเอยดของ A/D ซงเปนความกวางของยานแรงดนท
ทําให้ค่าดิจิตอลเปลี่ยนแปลงไป 1 บิต และคํานวณได้จากสมการต่อไปนี้
V
N
2
Resolution
refV
= …(2.34)
71
81. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
หากต้องการป้องกันไม่ให้เกิด Aperture Error โดยไม่ใช้วงจรช่วยก็อาจทําได้โดยการ
ใช้ A/D ที่มีค่าเวลาในการแปลงสัญญาณที่เหมาะสมกับรูปแบบสัญญาณที่ต้องการแปลง
จากรป Aperture Timeคือเวลาที่ค่าแรงดันอินพตจากรูป Aperture Timeคอเวลาทคาแรงดนอนพุต
มีการเปลี่ยนแปลงแรงดันไม่เกินค่า 1 LSB และถ้า
คิดในกรณีที่สัญญาณอินพตเป็นรปไซน์ก็สามารถคดในกรณทสญญาณอนพุตเปนรูปไซนกสามารถ
คํานวณค่า Aperture Time ได้จากสมการต่อไปนี้
f
ta N
π22
1
= …(2.35)
f คือค่าความถี่สัญญาณอินพุต
่ ใรูปที 2.49 กราฟใช้อธิบาย Aperture Error
81
82. ั ั้ ื่ ้ ั ิ ึ ไ ้ ี ิ่ ใ ่ ี่ ํ ใ ้ ิ
Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
ดังนันเพือป้องกันการเกิด Aperture Error จึงได้มีการเพิมวงจรในส่วนทีจะทําให้เกิด
ค่าแรงดันอินพุตที่คงที่ในช่วงที่การเปลี่ยนสัญญาณยังไม่เสร็จโดยวงจรดังกล่าวนี้เรียกว่า
ึ่ ใ ปั ั ้ ิ ็ไ ้ ี ํ ้ ไปใSample and Hold ซึงในปัจจุบันผู้ผลิตก็ได้มีการนํา Sample and Hold รวมเข้าไปใน
A/D บ้างเหมือนกันโดย Sample and Hold จะมีลักษณะดังในรูปต่อไปนี้
รูปที่ 2.50 หลักการพื้นฐานของวงจรสุ่มและคงค่าสัญญาณ 82
83. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
ตัวอย่าง Sample and Hold ตระกูล LF198
ต้องพิจารณาค่านี้ด้วยเพราะ
เป็นเวลาที่ใช้ตั้งแต่เริ่มสั่งให้เปนเวลาทใชตงแตเรมสงให
Holdค่าแล้วเอาต์พุตนั้นคงที่
รูปที่ 2.51 Sample & Hold เบอร์ LF198 83
84. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
ตัวอย่าง Sample and Hold HA-2420 และ HA-2425
รูปที่ 2.52 Sample & Hold เบอร์ HA-2420, HA-2425 84
85. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
ตัวอย่าง การใช้ Sample/Hold แบบ Unity Gain (ตระกูล HA บริษัท Intersil)
รปที่ 2.53 Sample & Hold ตระกล HA ของบริษัท INTERSILรูปท 2.53 Sample & Hold ตระกูล HA ของบรษท INTERSIL
85
86. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
ตัวอย่าง ADC 0802 / 0803 / 0804
รูปที่ 2.54 ตัวอย่าง A/D ชิป 8 bit แบบ Parallel
86
98. Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
Di it l t A l C t DAC ื D/A ื ป ั ิ ิ ป็Digital to Analog Converter : DAC หรอ D/A คอวงจรแปลงสญญาณดจตอลเปน
สัญญาณแอนะล็อกซึ่งขาสัญญาณของ D/A จะไม่มีอะไรซับซ้อนดังรูปที่ 2.66
รูปที่ 2.66 Digital to Analog Converter
แอนะล็อกเอาต์พุต เป็นสัญญาณแอนะล็อกที่ขาเอาต์พุตของ D/A ที่ได้จากการแปลง
สัญญาณดิจิตอลที่อินพตสญญาณดจตอลทอนพุต
ดิจิตอลอินพุต เป็นสัญญาณดิจิตอลที่อินพุตวงจร D/A ซึ่งข้อมูลดิจิตอลนี้จะแบ่งเป็น
บิตๆโดยแต่ละบิตมีเพียงระดับสัญญาณ 0 หรือ 1 เท่านั้นบตๆโดยแตละบตมเพยงระดบสญญาณ 0 หรอ 1 เทานน
แรงดันอ้างอิง เป็นแรงดันที่ใช้เปรียบเทียบเพื่อการแปลงสัญญาณของ D/A 98