Upload
phamkhanh
View
214
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
David Jug
Visoko kakovostni ojačevalni merilni modul USB
Magistrsko delo
Maribor, februar 2014
VISOKO KAKOVOSTNI OJAČEVALNI MERILNI MODUL
USB
Magistrsko delo
Študent: David Jug, dipl. inž. el (UN)
Študijski program: Magistrski študijski program 2. stopnje
Mehatronika
Mentor FERI: izr. prof. dr. Vojko MATKO, univ. dipl. inž. el.
Mentor FS: izr. prof. dr. Bojan DOLŠAK, univ. dipl. inž. str.
Somentor: doc. dr. Darko HERCOG, univ. dipl. inž. el.
ZAHVALA Zahvaljujem se mentorjema izr. prof. dr. Vojku Matku, izr. prof. dr. Bojanu Dolšaku ter somentorju doc. dr. Darku Hercogu za pomoč in vodenje pri pripravi podiplomskega dela. Zahvaljujem se osebju laboratorija za električne meritve FERI za pomoč pri razvoju modula. Prav tako se zahvaljujem osebju laboratorija za proizvodno strojništvo FS za pomoč pri izdelavi ohišja ter vsem, ki so kakorkoli pripomogli k nastanku tega dela, še zlasti Katji.
I
Visoko kakovostni ojačevalni merilni modul USB
Ključne besede: EMC, ojačevalni DAQ modul, instrumentacijski ojačevalnik, PCB, Labview, Multisim, Ultiboard, SolidWorks, ohišje, RPT, SLS
UDK: 621.376.3.037.372 (043.2)
Povzetek
Namen dela je bil izdelati merilni DAQ modul z vgrajenim ojačevalnikom ob upoštevanju
smernic za zmanjšanje motenj v okviru elektromagnetne združljivosti (EMC). V sklopu
prototipnega modula so bili v ospredju obravnavani instrumentacijski ojačevalnik INA128,
grafični uporabniški vmesnik LabVIEW™ ter načrtovanje tiskanega vezja (PCB) z orodjem
Multisim™/Ultiboard™. Namen izdelave prototipnega modula je merjenje zelo šibkih
signalov, katere je mogoče ojačiti do 20000 krat. Pri izdelavi so bile upoštevane smernice
za doseganje EMC, v sklopu katerih je bila izdelana t.i. Faraday-eva kletka. Predstavljeni
so eksperimentalni rezultati in karakteristike prototipnega modula v primerjavi z modulom
NI USB-6008. V sklopu konstruiranja in izdelave ohišja, katerega namen je predvsem
zaščitne, rokovalne in estetske narave prototipnega modula, so podane nekatere
smernice za konstruiranje izdelkov iz umetnih mas. Predstavljeni so SolidWorks™ CAD
modeli ohišij in izdelan fizični model ohišja.
II
High-quality USB measuring amplified module
Key words: EMC, amplification DAQ module, instrumentation amplifier, PCB, Labview, Multisim, Ultiboard, SolidWorks, housing, RPT, SLS
UDK: 621.376.3.037.372 (043.2)
Abstract
The main goal of this work was to make a measuring DAQ module with amplifier
integrated and with respect to EMC for interference reduction. As part of this module
prototype we specialy dealed with instrumentation amplifier INA128, graphical user
interface LabVIEW™ and PCB designing in Multisim™/Ultiboard™. The main purpose of
this prototype module is measuring very weak signals, which can be gained with factors
up to 20000. One of the realized measure for ensuring EMC is so-called Faraday's cage.
In the work are also presented experimental results and characteristics of the prototype
module compared with NI USB-6008. As part of the prototype-housing desing and its
production, which purpose is especially protecting, handling and aesthetic, are presented
SolidWorks™ CAD models of several housing designs with guadelines for the design of
plastic products. There is also physical model of chosen housing design.
III
Kazalo vsebine
1 UVOD ........................................................................................................................ 1
2 ELEKTROMAGNETNA ZDRUŽLJIVOST EMC .......................................................... 4
2.1 Emisije preko prevodnosti ................................................................................... 6
2.2 Screening ........................................................................................................... 8
2.3 Pasivne komponente .......................................................................................... 9
2.3.1 Prevodniki .................................................................................................... 9
2.3.2 Kondenzatorji..............................................................................................10
2.3.3 Upor ...........................................................................................................14
2.3.4 Tuljava ........................................................................................................14
2.3.5 Transformator .............................................................................................16
2.4 Presluh ..............................................................................................................16
2.4.1 Presluh preko skupne impedance ...............................................................17
2.4.2 Kapacitivni presluh......................................................................................17
2.4.3 Induktivni presluh ........................................................................................18
2.4.4 Načini za omejevanje presluhov .................................................................18
2.5 Ozemljitev in referenca ......................................................................................20
2.6 Stroškovna učinkovitost .....................................................................................20
3 PROTOTIPNI MODUL ..............................................................................................22
3.1 Eksperimentalno vezje in EMC ..........................................................................22
3.2 Zasnova kanala .................................................................................................26
3.2.1 Delilnik ........................................................................................................27
3.2.2 Ojačevalnik .................................................................................................28
3.3 Zajemanje podatkov ..........................................................................................32
3.3.1 Mikrokrmilnik PIC18F ..................................................................................33
3.4 Termistor ............................................................................................................36
3.5 Projektiranje.......................................................................................................37
3.5.1 NI Circuit design suite .................................................................................38
3.5.2 Tiskanina ....................................................................................................38
4 GRAFIČNI VMESNIK................................................................................................42
4.1 Grafični uporabniški vmesnik (GUI) ...................................................................42
5 MERILNI REZULTATI................................................................................................45
5.1 Signal pri zaprti in odprti kletki ...........................................................................46
5.2 Šum pri DC baterijskem signalu in kratkem stiku ...............................................46
5.3 Frekvenčna karakteristika ..................................................................................49
IV
5.4 AC signali ..........................................................................................................50
5.4.1 Sinusni signal .............................................................................................51
5.4.2 Pravokotni signal ........................................................................................56
5.5 Eksperimentalno testiranje .................................................................................58
5.5.1 Merjenje deformacij - mostič .......................................................................58
5.5.2 Multi formni signali ......................................................................................62
5.5.3 Tuljava ........................................................................................................64
5.5.4 Piezo ..........................................................................................................65
5.5.5 Termočlen ...................................................................................................66
5.5.6 Gradiometer................................................................................................67
6 PROTOTIPNO OHIŠJE ............................................................................................71
6.1 Konstruiranje .....................................................................................................71
6.1.1 CAD model 1. variantne rešitve ..................................................................73
6.1.2 CAD model 2. variantne rešitve ..................................................................75
6.1.3 CAD model 3. variantne rešitve ..................................................................77
6.2 Hitra izdelava prototipov RPT ............................................................................82
6.3 Prototip ..............................................................................................................85
7 SKLEP ......................................................................................................................86
VIRI
Priloga A
Priloga B
V
Kazalo slik
Slika 2.1: Zveza med pojmi EMC ...................................................................................... 5 Slika 2.2: Osnovna shema EMI ......................................................................................... 6 Slika 2.3: Primer merilnih točk v sistemu dveh instrumentov [6] ........................................ 7 Slika 2.4: Razlika med priključno, differential-mode in common-mode napetostjo [6] ........ 7 Slika 2.5: Določitev screening kvocienta ........................................................................... 8 Slika 2.6: Porazdelitev tokovne gostote prevodnika [6] ....................................................10 Slika 2.7: Nadomestna shema kondenzatorja .................................................................. 11 Slika 2.8: Frekvenčna karakteristika kondenzatorjev [6] ................................................... 11 Slika 2.9: Shema X in Y kondenzatorja [6] .......................................................................12 Slika 2.10: Nadomestna shema upora .............................................................................14 Slika 2.11: Nadomestna shema tuljave ............................................................................15 Slika 2.12: Frekvenčna karakteristika navitij [6] ................................................................15 Slika 2.13: Nadomestna shema transformatorja [6] ..........................................................16 Slika 2.14: Shematski prikaz projektiranja po principu točkovnega razvejanja vodnikov
[6] .................................................................................................................................... 19 Slika 2.15: Stroški in ukrepi skozi čas ..............................................................................21 Slika 3.1: Električna shema prototipnega modula .............................................................23 Slika 3.2: PCB zasnova prototipnega modula – zgornja plast ..........................................24 Slika 3.3: Eksperimentalno PCB vezje s kletko ................................................................26 Slika 3.4: Shema stikalne logike delilnika .........................................................................27 Slika 3.5: Električna shema (a) in terminalska shema (b) INA128 [7] ...............................29 Slika 3.6: Terminalska shema OPA177 [15] ......................................................................30 Slika 3.7: Električna shema aplikacije za nastavitev referenčne točke .............................31 Slika 3.8: Shema stikalne logike za ojačevanje INA128 ...................................................31 Slika 3.9: Terminalska shema PIC [16] .............................................................................33 Slika 3.10: PCB zasnova oscilatorja [16] ..........................................................................34 Slika 3.11: Električna shema implementacije napetostnega regulatorja............................35 Slika 3.12: PCB zasnova USB mini B [14] ........................................................................35 Slika 3.13: Tiskanina ........................................................................................................39 Slika 3.14: Tiskanina – stikalni delilnik .............................................................................40 Slika 3.15: Tiskanina - ojačevalni segment .......................................................................40 Slika 3.16: Tiskanina - komunikacijski segment ................................................................41 Slika 4.1: GUI – čelna plošča ...........................................................................................44 Slika 5.1: Merilna oprema pri meritvah izmeničnih in enosmernih napetosti .....................45 Slika 5.2: Primerjava šuma modula pri odprti in zaprti kletki v kratkem stiku ....................46 Slika 5.3: Vezalna shema delilnika 1/100 (zgoraj) in 1/10 (spodaj) za DC ........................47 Slika 5.4: Primerjava šuma pri baterijskem signalu, NI 6008 in prototip G=10 ..................47 Slika 5.5: Vezalna shema - kratki stik ...............................................................................48 Slika 5.6: Primerjava šuma pri kratko sklenjenem vhodu, NI 6008 in prototip G=10,
G=100, G=1000, G=20000 ..............................................................................................48 Slika 5.7: Primerjava šuma prototipa pri odprti in zaprti kletki v kratkem stiku ..................49 Slika 5.8: Primerjava frekvenčnih karakteristik .................................................................50 Slika 5.9: Vezalna shema f-karakteristike prototipa (zgoraj) in NI 6008 (spodaj) ..............50 Slika 5.10: Vezalna shema delilnika 1/1000 (zgoraj) in 1/10 (spodaj) za AC meritve ........51 Slika 5.11: Primerjava, sinus 100 mV 50 Hz .....................................................................51 Slika 5.12: Primerjava, sinus 100 mV 100 Hz ..................................................................52 Slika 5.13: Primerjava, sinus 100 mV 500 Hz ..................................................................52
VI
Slika 5.14: Primerjava, sinus 100 mV 1000 Hz.................................................................52 Slika 5.15: Primerjava, sinus 100 mV 5000 Hz.................................................................52 Slika 5.16: Primerjava, sinus 1 mV 50 Hz ........................................................................53 Slika 5.17: Primerjava, sinus 1 mV 100 Hz ......................................................................53 Slika 5.18: Primerjava, sinus 1 mV 500 Hz ......................................................................53 Slika 5.19: Primerjava, sinus 1 mV 1000 Hz ....................................................................54 Slika 5.20: Primerjava, sinus 1 mV 5000 Hz ....................................................................54 Slika 5.21: Primerjava, sinus 10 µV 50 Hz .......................................................................54 Slika 5.22: Primerjava, sinus 10 µV 100 Hz .....................................................................55 Slika 5.23: Primerjava, sinus 10 µV 500 Hz .....................................................................55 Slika 5.24: Primerjava, sinus 10 µV 1000 Hz ...................................................................55 Slika 5.25: Primerjava, sinus 10 µV 5000 Hz ...................................................................55 Slika 5.26: Primerjava, pravokotni signal, 100 mV, 100 Hz ...............................................56 Slika 5.27: Primerjava, pravokotni signal, 100 µV, 100 Hz................................................57 Slika 5.28: Primerjava, pravokotni signal, 10 µV, 100 Hz .................................................57 Slika 5.29: Četrtinski mostič z merilnima lističema ...........................................................59 Slika 5.30: Merilna oprema - tehtanje ...............................................................................60 Slika 5.31: Mostič, NI 6008, 5 - 50 g ................................................................................60 Slika 5.32: Mostič, prototip, 5 - 50 g .................................................................................61 Slika 5.33: Mostič, NI 6008, 100 - 1500 g .........................................................................61 Slika 5.34: Mostič, prototip, 100 - 1500 g .........................................................................61 Slika 5.35: Sinusni signal (levo) in FFT(desno) – 5 kHz ...................................................62 Slika 5.36: Sinusni signal (levo) in FFT(desno) - 500 Hz ..................................................62 Slika 5.37: Trikotni signal (levo) in FFT(desno) - 5 kHz ....................................................63 Slika 5.38: Trikotni signal (levo) in FFT(desno) - 500 Hz ..................................................63 Slika 5.39: Pravokotni signal (levo) in FFT(desno) - 5 kHz ...............................................63 Slika 5.40: Pravokotni signal (levo) in FFT(desno) - 500 Hz .............................................63 Slika 5.41: Merilno okolje – tuljava ...................................................................................64 Slika 5.42: Povprečeni signal odziva (levo) in FFT (desno), odmikanje magneta od
tuljave .............................................................................................................................. 64 Slika 5.43: Merilno okolje – piezo senzor .........................................................................65 Slika 5.44: Povprečeni signal odziva (levo) in FFT (desno), delovanje sile na piezo
senzor .............................................................................................................................. 65 Slika 5.45: Merilno okolje – termočlen ..............................................................................66 Slika 5.46: Povprečeni signal odziva, termočlen ..............................................................67 Slika 5.49: Tipi gradiometrov [31] .....................................................................................67 Slika 5.50: Gradiometer 2. reda .......................................................................................68 Slika 5.51: Gradiometer - 15 mm .....................................................................................69 Slika 5.52: Merilno okolje - CD s supermagneti, gradiometer Ø15 mm ............................70 Slika 5.53: Povprečeni signal odziva in FFT, CD-supermagneti, gradiometer Ø15 mm ....70 Slika 6.1: Merilni modul a) iz zadnje strani in b) s sprednje strani s pokončno in ležečo
baterijo .............................................................................................................................72 Slika 6.2: Zaskočno pero [11] ...........................................................................................72 Slika 6.3: Model 1. variante ohišja ....................................................................................74 Slika 6.4: Podrobnosti modela 1. variante ohišja ..............................................................75 Slika 6.5: Model 2. variante ohišja ....................................................................................76 Slika 6.6: Podrobnosti modela 2. variante ohišja ..............................................................77 Slika 6.7: Model 3. variante ohišja ....................................................................................78 Slika 6.8: Podrobnosti modela 3. variante ohišja ..............................................................79
VII
Slika 6.9: Analiza rokovanja pri sestavljanju [5] ................................................................81 Slika 6.10: Projekcije vseh treh variant ohišij ...................................................................82 Slika 6.11: SLS [23] ..........................................................................................................83 Slika 6.12: SLA [24] .........................................................................................................83 Slika 6.13: FDM [21] ........................................................................................................84 Slika 6.14: LOM [22] ........................................................................................................84 Slika 6.15: Prototip ohišja in modula ................................................................................85
Kazalo tabel
Tabela 3.1: Konfiguracija delilnega segmenta ..................................................................28 Tabela 3.2: Konfiguracija ojačitvenega segmenta ............................................................32 Tabela 5.1: Podatki o signalih pri določanju frekvenčnih karakteristik ...............................49
Seznam kratic
3D – tri dimenzionalno
AC – izmenični tok / alternating current
AD – analogno digitalna pretvorba / analog to digital
A/D – analogno v digitalno / analog to digital
CAD – računalniško podprto načrtovanje / computer aided design
CAM – računalniško podprta proizvodnja / computer aided manufacturing
CM – napetostni signal proti potencialu mase / common mode
DAQ – zajemanje podatkov / data acquisition
DC – enosmerni tok / direct current
DIP – dvovrstno-pinsko ohišje / dual in-line package
DM – nasproti rezultirajoča napetost / differential mode
EDA – avtomatizacija elektronskega snovanja / electronics design automation
EMC – elektromagnetna združljivost / electromagnetic compatibility
EME - elelektromagnetne emisije / electromagnetic emission
EMI – elektromagnetna interferenca, sovpad / electromagnetic interference
EMS - elektromagnetna dovzetnost / electromagnetic susceptibility
VIII
FDM – fused deposition modeling / izdelava s faznim nanašanjem materiala
FFT – hitra fourierova transformacija / fast fourier transform
GUI – grafični uporabniški vmesnik / graphical user interface
L – fazni potencial / line
LOM – lamelna izdelava objektov / laminated object manufacturing
N – nulti potencial / neutral
PC – osebni računalnik / personal computer
PCB – tiskano vezje / printed circuit board
PE – ozemljitveni potencial / protective earth
PIC – periferni vmesniški krmilnik / peripheral interface controller
RPT – hitra izdelava prototipov / rapid prototyping technology
SLA – stereolitografija / stereolithography
SLS – selektivno lasersko sintranje / selective laser sintering
SMD – površinsko namestitvena oblika / surface mount design
SPICE - simulacijski program s poudarkom na integriranih vezjih / simulation program with
integrated circuit emphasis
SQUID – naprava za superprevodno kvantno merjenje magnetnih polj / superconducting
quantum interference device
USB – univerzalno serijsko vodilo / universal serial bus
WiFi – brezžična kakovost / wireless fidelity
Magistrsko delo UM FERI
1
1 UVOD
Sodobne merilne kartice (Data Acquisition – DAQ), ki vsebujejo analogno-digitalni (A/D)
pretvornik in analogne vhode in izhode (I/O), običajno nimajo ojačevalne komponente za
ojačanje šibkih signalov. Na DAQ strojne module so običajno priključeni senzorji (za
temperaturo, tlak, pretok, itd.), lahko tudi mostična vezja, kateri pretvarjajo neelektrične
signale v električne. V primerjavi s klasičnim merilnim DAQ sistemom, vključitev
računalnika (Personal Computer - PC) v DAQ sistem, ki dodatno izkorišča zmogljivost PC-
ja, pomeni dodano vrednost v smislu veliko možnosti pri prikazovanju podatkov ter
povezovanje naprav. PC DAQ posledično pomeni učinkovitejše, prilagodljivo in cenovno
ugodnejše raziskovanje merjenega objekta. Takšni moduli so v današnjem času
največkrat s PC-jem povezani preko univerzalnega (universal serial bus – USB) vodila.
Grafični gonilnik za PC DAQ sistem je velikokrat implementiran s programom LabVIEW™.
[29]
Primer tako zgrajenega DAQ strojnega modula je sodoben industrijski modul NI myRIO-
1950 s tehnologijo prenastavljivih I/O. Odlikuje ga dvojedrni procesor ARM Cortex-A9 667
MHz in prilagodljivi FPGA I/O. Vsebuje 12-bitni A/D s 500 kS/s in vhodnim napetostnim
območjem 0 V – 5 V. NI myRIO-1950 vsebuje analogne izhode, digitalne I/O, RAM
pomnilnik in 3-osni pospeškometer [32]. Naslednji primer DAQ modula je industrijski
nizko-cenovni NI myDAQ. Gre za merilno napravo z osmimi PC instrumenti, med drugim
funkcijskim generatorjem, osciloskopom in multimetrom. Omogoča široke možnosti analiz
realno-časovnih signalov in sočasno dvokanalno zajemanje signalov z 200 kS/s s 16-bitno
A/D pretvorbo v ±10 V območju. Na voljo so še digitalni I/O [28]. Za eksperimentalno
primerjavo smo uporabili DAQ modul NI USB-6008. Ta nizko-cenovni modul vsebuje 8
analognih vhodov, 12-bitni A/D pretvornik z 10kS/s vzorčenjem signala in minimalnim oz.
najobčutljivejšim ±1 V napetostnim območjem. Omogoča tudi analogne izhode ter
digitalne I/O [25]. Obstaja še kvalitetnejša različica NI USB-6009 s 14-bitno A/D
pretvornikom in 48 KS/s [27]. Spletno iskanje produktov, principielno podobnih
prototipnemu modulu v tem delu, ni prav produktivno. Omeniti velja primer 4-kanalnega
ojačevalnega modula s ceno cca. 650 €. Omogoča frekvenčno filtriranje in ročno
nastavljanje ojačanje posamičnega kanala s faktorji vrednostih 10, 100, 200 in 500.
Magistrsko delo UM FERI
2
Priključitev s PC je izvedena preko CA-37x vodila [33]. Tako so cena, ojačanje in
komunikacijsko vodilo omenjenega modula v primerjavi z obravnavanim prototipnim
modulom v tem delu, precej slabši.
V magistrskem delu je opisan prototip DAQ merilnega modula z integriranim
ojačevalnikom. Prototip merilnega modula je zgrajen iz ojačevalnega segmenta, katerega
največje napetostno ojačanje je, iz tovarniško predvidenega faktorja 10000, izboljšano na
faktor 20000. Skupaj z A/D pretvornikom in USB komunikacijo na mikrokrmilniku PIC,
predstavlja ta modul nadgradnjo zgoraj opisanih modulov, še posebej zaradi velikega
ojačanja preko ojačevalnika. Pri mnogih tehniških procesih, kot so merjenja šibkih
magnetnih polj, merjenja raztezkov, stiskov in upogibov v strojništvu in gradbeništvu,
kakor pri raznih preizkušanjih oz. meritvah v elektrotehniki in medicini, se pojavi potreba
po merjenju zelo šibkih signalov razreda µV. Običajni industrijski moduli (npr. zgoraj
omenjeni moduli) tega ne omogočajo, ker nimajo vgrajenega ojačevalnika signalov.
DAQ prototipni modul vsebuje instrumentacijski ojačevalnik Texas Instruments (TI)
INA128, ki ima največje stabilno diferenčno ojačanje vhodnega signala vrednosti 10000. Z
upoštevanjem EMC pri konstruiranju vezja je bil dosežen faktor ojačanja vrednosti 20000.
S serijo uporov in stikalno logiko je bil narejen ojačevalni segment z možnostmi ojačanja
faktorjev 10, 100, 1000, 10000 in 20000. Na vhodu DAQ modula, pred ojačevalnikom je
narejen uporovni delilnik signala, kar v primeru večjih napetosti (nad 3 V) omogoča
zmanjšanje merjenega signala s faktorji 10-1, 10-2 in 10-3. Tako je na vhod ojačevalnika
mogoče priključiti tudi do 1000 krat manjšo amplitudo signala od dejanske priključene
amplitude na vhodne sponke. Na tak način sta v prototipnem merilnem modulu izvedena 2
delilno-ojačevalna segmenta, t.i. kanala. S tem je, tudi v primeru dveh šibkih signalov,
uporabnost modula izboljšana. Za USB komunikacijo med modulom in PC-jem je
uporabljen mikrokrmilnik PIC, v katerem je implementiran A/D pretvornik in USB protokol
za komunikacijo s PC. Za prototipni strojni modul je bil programsko izdelan grafični
uporabniški vmesnik (graphical user interface - GUI) v programskem okolju LabVIEW™. Z
njim je možno upravljanje določenih funkcij PIC-a ter numerično in grafično prikazovanje
podatkov/signalov, priključenih na kanala. Na prototipu je prav tako temperaturni senzor
za merjenje temperature okolice modula. S programskim gonilnikom je omogočen
natančen prikaz dejanske napetosti baterije. Na priključnih terminalih za priklop senzorjev
so dodane sponke za +9 V potencial za baterijsko napajanje porabnikov. Pri izdelavi
eksperimentalnega prototipa DAQ modula so bila upoštevana nekatera priporočila
elektromagnetne združljivosti (EMC) za zmanjšanje elektromagnetnih interferenc (EMI), ki
Magistrsko delo UM FERI
3
jih povzročajo elektromagnetne motnje. Pogosti vzrok za pojav EMI je tudi presluh, ki je bil
zmanjšan z ustrezno konstrukcijo tiskanine. Za zmanjšanje vpliva motenj iz zunanjosti je
bilo vezje obdano s kovinskim ohišjem, po princupu Faraday-eve kletke. Projektiranje
tiskanega vezja (Printed Circuit Board - PCB) smo opravili v programskem paketu
Multisim™/Ultiboard™. PCB plošča je bila izdelana s postopkom odrezavanja oz. frezanja
s strojem iz laboratorija fakultete.
Predvidevanja v smeri komercializacije takšnega modula so bila razlog za oblikovanje
zaščitnega in estetskega ohišja. Izboljšalo je njegovo rokovanje, shranjevanje in odlaganje
modula. Ohišje preprečuje nenameren interakt s samim vezjem. V ta namen so v
Solidworks™-u bili računalniško konstruirani (Computer Aided Design - CAD) modeli treh
variantnih rešitev prototipnega ohišja. Prilagojeni so bili obstoječi prototipni tiskanini,
obdani s kovinsko kletko. S hitro prototipno tehnologijo (Rapid Prototyping Technology -
RPT), t.i. 3D tiskom, je bilo izdelano fizično ohišje s strojem EOS Formiga P100.
Prvo vsebinsko poglavje tega magistrskega dela obsega razlago EMC. Sledi predstavitev
projektiranja prototipnega vezja z upoštevanjem EMC. V nadaljevanju je opisan PC
grafični vmesnik - GUI, ter eksperimentalni rezultati in karakteristike modula v primerjavi z
industrijskim modulom NI USB-6008. Končni del zajema razvojne smernice za izdelavo
ohišja in predstavitev CAD modelov ter izdelka prototipnega merilnega modula.
Magistrsko delo UM FERI
4
2 ELEKTROMAGNETNA ZDRUŽLJIVOST EMC
V elektrotehniki obstaja veliko faktorjev, ki povzročajo motnje. Ob načrtovanju sodobnih
elektronskih vezij zato ne smemo zanemariti vpliva elektromagnetnih polj. Pomembno je
tudi, da se ne omejimo samo na motnje v frekvenčnem območju delovanja naše naprave,
pač pa, da zagotovimo imunost nanje s predvidenim širšim frekvenčnim območjem. Tako
zmanjšamo možnosti, da bi imele različne naprave med seboj negativen vpliv, kar je v
bistvu pomen samega pojma EMC. Tokovi in napetosti ene naprave ustvarjajo
elektromagnetna polja, ki vplivajo na bližnje naprave. Ta polja povzročajo v napravi sile na
prevodnih elektronih elementov, kar pomeni, da inducirajo nezaželjene napetosti, ki
poženejo neželene tokove. Posledično lahko takšno obnašanje povzroči motnje v
delovanju ene in/ali druge naprave. Elektromagnetno združljivost naprav na evropskem
tržišču ureja evropska direktiva1 in mednarodne institucije na globalnem trgu. Pomembno
je, da se sledi njihovim zahtevam in upošteva EMC od začetka projektiranja naprave, saj
nam ta pristop običajno predstavlja krajši čas in stroškovno ugodnejše snovanje.
EMC se lahko loči glede na združljivost znotraj naprave (intrasystem compatibility) ali
združljivost med napravami (intersystem compatibility). Glede na smer motenj ločimo med
elektromagnetnimi emisijami (electromagnetic emission - EME) in elektromagnetno
dovzetnostjo (electromagnetic susceptibility - EMS). Zveze teh pojmov so prikazane na
sliki 2.1. [1, 6]
1 najprej sprejeta direktiva 89/336/EGS, nato preide v veljavo 2004/108/EC
Magistrsko delo UM FERI
5
Slika 2.1: Zveza med pojmi EMC
Kadar govorimo o pomenu EMC imata vlogo tudi elektromagnetno (EM) okolje in motnje.
S prvim mislimo na časovno-krajevno odvisne EM pojave zaželjenih in nezaželjenih EM
signalov z lastnostmi kot so hitrost, slabljenje, odzivnost... Ti posledično vplivajo na
lokalne EM lastnosti (relativna permeabilnost, prevodnost itd.). Parametri EM okolja
varirajo od mesta do mesta. Z motnjami imamo v mislih vsakršen EM pojav, ki lahko
zmanjša zmogljivost naprave, opreme ali sistema oz. negativno vpliva na živo materijo.
Interferenčni signal lahko tudi opredelimo na signal, nekomu zaželjen (npr. televizijski,
radijski ali WiFi signal) ali nezaželjen (npr. motnje na televiziji) - motnja. Torej lahko neka
naprava s svojimi emisijami predstavlja ugoden vpliv na določen proces, med tem ko ista
naprava s svojim delovanjem moti drugo(e) napravo(e). [6, 9]
Kot že nakazano nam prisotnost elektromagnetnih motenj vsiljuje potrebo po
zagotavljanju EMC. EMI tako lahko delimo na vir motenj, na napravo, ki je dovzetna za
motnje in na njuno sklopno pot, kot predstavlja osnovna shema EMI (slika 2.2). Gre za
enak princip, emisije in dovzetnost, kot pri EMC. Poenostavljeno to pomeni, da je EMI
znotrajsistemska združljivost
medsistemska združljivost
Magistrsko delo UM FERI
6
Slika 2.2: Osnovna shema EMI
ob odsotnosti enega elementa iz osnovne sheme, odpravljena. Ta pristop ima smisel
kadar nam izvor povzroča velike motnje. Takrat se poslužimo metode zmanjšanja vira
motenj z blokado sklopne poti čim bližje viru motenj. Kadar pa iz različnih razlogov ne
moremo oslabiti vseh izvorov se poslužimo metode zastiranja neželenih motenj z blokado
sklopne relacije čim bližje opremi, ki je pod vplivom le teh. Med tovrstne rešitve spada
Faradey-eva kletka. Kadar pa izvor ne povzroča velikih motenj, je smiselno izničevanje le-
teh na dovzetni strani modela oz. sistema, saj tako preprečimo možnosti dovzetnosti na
motnje od drugih naprav v bodoče. Velja omeniti, da je o EMC združljivosti med
posameznimi napravami v sistemu, ki jih umeščamo v nek prostor ali delovno okolje,
nujno razmišljati že ob nabavi. Namreč, zgodi se lahko, da ena naprava povzroča motnje
samo eni napravi v sistemu dvajsetih. Popolna imunost neke naprave na motnje je danes
namreč nemogoča. [6, 10]
2.1 Emisije preko prevodnosti
Pri meritvah tokov in napetosti na določeni točki meritve pri pretvornikih, generatorjih itd.
se lahko pojavijo razlike v rezultatih. Povzročitelj teh je lahko zasnova instrumenta, točka
merjenja, nelinearnost napajalnega usmernika, prikazovalnik instrumenta, generirani
izhodni signal in podobno. Tako lahko v točki B1-B2, slike 2.3, zajemamo tudi frekvenčni
signal (iz komponent zaslona npr. generatorja), harmonike iz napajalne linije ter frekvenčni
Vir motenj
Sklopna pot
Dovzetna naprava
Magistrsko delo UM FERI
7
signal iz generiranega signala A1-A2. Ti nezaželjeni signali so v veliki meri presluhi znotraj
instrumenta. Tako se lahko instrument preko širokega frekvenčnega območja obnaša kot
vir motenj.
Slika 2.3: Primer merilnih točk v sistemu dveh instrumentov [6]
Na primeru dvofazne napetosti, v splošnem različni po magnitudi in fazi, imamo lahko tako
dva vira motenj. Na primeru vezave na sliki 2.4 vidimo tudi izpostavljeno diferenčno
napetost Udm in povprečno napetost Ucm.
Slika 2.4: Razlika med priključno, differential-mode in common-mode
napetostjo [6]
Razlikujemo med 3 različnimi napetostmi:
1) priključna napetost U1 in U2
2) differential-mode (simetrična) napetost Udm – vektorska razlika U1 in U2
A1
A2
Testirana
naprava
B1
B2
B3
Breme Napajanje
U1
Referenca
U2
Udm
U1
Ucm
U2
B1
B3
B2
Magistrsko delo UM FERI
8
3) common-mode (asimetrična) napetost Ucm – električna srednja vrednost med B1 in
B2
Ukrepi za izničevanje motenj so pogosto tipa differential-mode ali common-mode [6].
Slednjega lastnost ima tudi ojačevalnik INA128 [7].
2.2 Screening
Zastiranje ali screening je eden od načinov preprečevanja izhajanja internih signalov
navzven in zadrževanje zunanjih negativnih vplivov pred vdorom v notranjost sistema.
Zaščito pred tovrstnimi vplivi se vspostavi s kovinsko ploščo ali folijo, prevodnimi
sintetičnimi materiali ipd. v obliki ohišja, omaric, obročov, namenskih površin na PCB ali
kovinskih zaves. Na eni strani deluje ta metoda kot ukrep za zmanjševanje nezaželjenih
magnetnih in električnih polj, po drugi strani pa deluje kot nizko-impedančna preusmeritev
nezaželenih tokov. Poudarek je torej na efektu polja, kjer moramo imeti v mislih, da je
screen učinkovit v mnogih primerih le takrat, ko so tokovi sposobni teči v pravih smereh
skozenj. Polja v vezjih (lahko) inducirajo neželene močne signale. Merilo za kvaliteto
screena je kvocient med signalom brez »screena« in signalom s screenom, kot prikazuje
primer za Faraday-evo kletko na sliki 2.5. Za določitev kvocienta se lahko uporabi tudi
atenuacijski faktor polja, ki teče skozi prevodno plast. [4, 6]
Slika 2.5: Določitev screening kvocienta
Faraday-eva kletka je v splošnem kovinski, sitasti prostor ali kabina, znotraj katere lahko
sistem načeloma deluje brez obremenitev z motnjami iz okolja navznoter in brez sevanja
EM polj iz nje nevzven. Idealna kletka je lahko zasnovana na način konstrukcije brez vrat
Faradayeva
kletka
Sprejemnik Oddajnik
Sprejemnik
2m 1m 1m
Magistrsko delo UM FERI
9
in ventilacijskih odprtin. Po drugi strani lahko sistem še vedno interferira med seboj v
notranjosti kletke, kar se pogosto dogaja. V kolikor je sistem znotraj sebe interferentno
neoporečen, je verjetno, da tudi ne oddaja interferenčnega sevanja navzven, pri čemer pa
odpade potreba po takšni kletki. Običajno je atenuacija 30-50 dB že zadovoljiva, čeprav je
možno z t.i. merilnimi kletkami doseči atenuacijo več kot 100 dB nad 1 MHz. Za tak primer
ni potrebe po panelni kletki, pač pa zagotovimo dvojno mrežasto kletko. Faradey-eva
kletka ne predvideva ozemljitve ali reference za uspešno zmanjševanje motenj. V
splošnem pa velja pravilo, da se kletko ozemlji, že zaradi morebitne razelektritve kletke z
elektrostatičnim nabojem v primeru dotika. Spojna točka ni naključno izbrano mesto
priključitve, saj se s tem lahko oslabi ali uniči screening efekt. Naključno mesto spoja
ozemljitve je sicer možno znotraj kletke, saj stene kletke formirajo referenčno ravnino zelo
nizkih impedanc. Pri tem je možna tudi več točkovna ozemljitev. [6, 13]
2.3 Pasivne komponente
EM motnje se lahko pojavijo, kadar komponente v sistemu delujejo drugače, kot bi si želeli
oz. drugače kot bi bilo pričakovano. Lastnosti komponente so tiste, na katere največkrat
pozabimo upoštevati. Te so največkrat opazne, kadar imamo opravka s frekvencami, ki so
izven področja delovanja komponente ali sistema, za katere je bila zasnovana. Opravka
imamo s ˝parazitnimi˝ lastnostmi, ki jih v vezju naj ne bi bilo. [6]
2.3.1 Prevodniki
Prevodnik je v praksi glavni vir težav v sistemu. Velikokrat je spregledano dejstvo, da
tokove, ki tečejo po prevodniku, vedno spremljajo EM polja. Ravno ta polja pa določajo
parazitne lastnosti prevodnika. Te se pojavijo ob motilnih signalih s frekvencami, ki so
izven frekvenčnega območja delovanja naprave, za katerega je bila projektirana. Za
zagotovitev EMC je zato nujno, da vzamemo v obzir ta EM polja. Dejstvo električnih tokov
je tudi, da vedno tečejo v zankah. Zagotavljanje EM združljivih je v veliki meri določeno
električnimi tokovi oz. njihovimi potmi v sistemu. Zato je dobro, da vezje smatramo kot
medsebojno povezano celoto, gledano z EM vidika. Jakost fluksa, povzročenega s tokom,
je odvisna od oblike vezja in okolice v katero lahko fluks tudi inducira napetosti. Zaradi
okolice je tudi pomembna vključitev koeficienta medsebojne induktivnosti. [6]
Pri prevodnikih ločimo med notranimi in zunanjimi impedancami. Notranja je določena s
polji in izgubami znotraj prevodnika. Pri tem igra pomembno vlogo skin effect (kožni
Magistrsko delo UM FERI
10
efekt). Ta efekt med drugim pojasni zakaj debelina prevodnika le redko ali nikoli ne
izboljša EM motenj, povzročenih od prevelike impedance prevodnika. Obseg prevodnika
je tako pomembnejši od njegovega premera. Podrobnejši pregled pojava pravi, da efekt
pri izmeničnem toku nastopi zaradi induciranja napetosti znotraj prevodnika, kar povzroči
gibanje nosilcev naboja proti površini, za razliko od enosmernega toka, kjer je gostota
toka enakomerno porazdeljena po celotnem prerezu prevodnika. Gostota toka ima pri
izmeničnem toku obliko eksponentne funkcije, kot je prikazano na sliki 2.6a) za primer
kovinske plošče in na sliki 2.6b) za primer vodnika.
a) b)
Slika 2.6: Porazdelitev tokovne gostote prevodnika [6]
Iz poenostavljenih enačb za površinski prevodnik velja primer, da pri 1 MHz teče 99 %
toka na površini debeline le 0,33 mm, tako, da je iz EM vidika nesmiselno uporabiti precej
debelejši prevodnik. Pri okroglem prevodniku oz. vodniku večina toka teče na površini
(odvisno od frekvence), kar pomeni, da je skin effekt relevanten za notranjo impedanco.
Efekt je prav tako pomemben pri screening-u. Zunanja impedanca je povezana z EM polji,
ki jih tok generira navzven prevodnika. Velikokrat, kjer je težava EMI s prevodniki, ima
večji pomen zunanja impedanca. [6]
2.3.2 Kondenzatorji
Običajno se kondenzator uporablja kot sredstvo za zagotavljanje kratko stične povezave
pri določenih frekvencah. Pri EMI mora ta povezava ustvariti kratki stik z nizko impedanco
Magistrsko delo UM FERI
11
pri frekvenci EM motnje. Zato je pomembno poznavanje lastnosti kondenzatorja. Spošna
shema kondenzatorja je prikazana na sliki 2.7. Lwe – parazitna induktivnost terminala
(priključnega voda), Lwi – notranji priključni vod, Lc – parazitna induktivnost zaradi
konstrukcije kondenzatorja, Rs – upornost, ki kompenzira izgube, C – nominalna vrednost
kapacitivnosti. V praksi se kondenzator obnaša kot serijski-resonančni krog: pod
resonančno frekvenco kot kapacitivnost in nad to mejo kot induktivnost.
Slika 2.7: Nadomestna shema kondenzatorja
Kako se določen kondenzator obnaša je odvisno od tipa le-tega. Nekaj primerov
frekvenčnih karakteristik različnih tipov kondenzatorjev je prikazano na sliki 2.8.
Slika 2.8: Frekvenčna karakteristika kondenzatorjev [6]
Krivulja št. 1 iz slike 2.8 je karakteristika aluminijevega elektrolita z 73 µF pri 1 kHz. Kot se
iz grafa razbere, se impedanca določi z Rs do 2 MHz in nad to frekvenco z induktivnostjo
Magistrsko delo UM FERI
12
ωL. Graf št. 2 je karakteristika za tantal, graf št. 3 za metal film, graf št. 4 za keramični
kondenzator s kratkimi vodi in graf št. 5 za keramični kondenzator brez vodov. Vsi
omenjeni kondenzatorji imajo kapacitivnost 100 nF pri 1 kHz. Vpliv induktivnosti je lahko
minimiziran tako, da umestimo kondenzator čim bližje mestu, kjer je predviden za
zagotovitev nizke impedance. Za zmanjšanje eksterne induktivnosti je včasih primeren
tudi 4-žični kondenzator, kjer še vedno obstaja možnost induktivnega presluha med
sklopom, ki ga predstavlja kondenzator. Kondenzatorji so dokaj primerni tudi za
razklopitev napajalnik vodov za integrirana vezja, saj relativno dolge povezave v samem
vezju (čipu) prispevajo nezanemarljiv del induktivnosti, predvsem, kadar so napajalni pini
v čipu postavljeni nasprotno. Trend snovanja čipovja gre proti postavitvi napajalnih
terminalov na strani, tako da so povezave krajše in razklapljanje uspešnejše. [6]
Omejevalni kondenzatorji, primerni za neposredno povezavo na napajalne linije so v dveh
različicah, t.i. X in Y kondenzatorji. Ime je določeno na podlagi smeri v kateri so narisani v
shemi, kot prikazuje primer s slike 2.9.
Slika 2.9: Shema X in Y kondenzatorja [6]
X-kondenzatorji so v bistvu normalni kondenzatorji, primerni za uporabo pri napajalnih
vodih. Zmožni so zdržati impulzivne napetosti primerne vrednosti. Običajno se ti
kondenzatorji uporabljajo pri DM motnjah, povzročeni od motorjev v gospodinjskih
aplikacij. Kondenzator je običajno postavljen direktno čez napajalne vode tako, da tudi
kratko sklene DM motnje, povzročene iz commom-mode-to-differential-mode pretvorbe
znotraj naprave. Izločevalni upor je običajno postavljen čez kondenzator za obvarovanje
uporabnika pred električnim udarom. Za zagotovitev varnosti, X-kondenzatorji ne smejo
nikoli biti postavljeni med ozemljitvijo PE in ničlo N ali fazo L. Y-kondenzatorji se
Magistrsko delo UM FERI
13
uporabljajo za izničevanje common-mode motenj. So posebne komponente, namenjene
postavitvi med N ali L in PE. Ti povzročijo 50 Hz tok, ki teče skozi PE. Vrednost je zato
omejena, da oprema ostane varna za upravljanje tudi v primeru prekinitve PE povezave.
Za prenosne naprave je max. vrednost 2.2 nF in za statične 22 nF. Vrednosti so povezane
s povprečno vrednostjo človeške upornosti teles do 1 kHz. V medicini so vrednosti
pogosto še nižje. V primeru, da je povezanih več delov naprave na dovodni terminal z Y-
kondenzatorji, obstaja možnost, da bo sledila sprožitev varovalke. [6]
2.3.2.1 Razklopni kondenzator
Ker se narava modula nanaša na visoko občutljivost v področju šuma je pri razvoju bilo
potrebno upoštevati določene dodatne zahteve za optimalno delovanje komponent in s
tem celotne aplikacije. Eden izmed pristopov k omilitvi oz. odpravi morebitnih neželenih
elektromagnetnih motenj v elektroniki je uporaba razklopnih kondenzatorjev. Ti se
uporabljajo za razklopitev napajalnega vira pri integriranih vezjih – čipih, predvsem pri
različicah, kjer ima čip napajalne priključke na nasprotnih straneh, kakor v našem primeru
izbrana čipa INA128 in OPA177.
Decoupling capacitors oz. razklopni kondenzatorji so elektronske komponente za blaženje
neželenega visokofrekvenčnega šuma med območji v vezju. Tako je motnja v vezju z
uporabo te vrste kondenzatorja oslabljena. Uporaba te komponente je izredno
pomembna, še posebej v tako občutljivi napravi, kot je ta prototip. Ta kondenzator si lahko
predstavljamo kot kratkotrajen shranjevalnik električne energije. V uporabo stopi, kadar so
v vezju prisotna nihanja tokovnih razmer zaradi porabljanja toka s strani porabnikov. Tako
ohranja napetostni nivo npr. napajalnemu viru teh porabnikov. Odzivnost kondenzatorja na
spremembe pogojev v vezju je izredno hitra in to pri frekvencah od nekaj 100 kHz do
nekaj 100 MHz. Izven tega ranga ta vrsta kondenzatorjev ni uporabna. Rečeno tudi
drugače, ta vrsta kondenzatorjev je namenjena razklopu napajalne komponente ali drugih
visoko impedančnih komponent v vezju. En vidik tehnike razklapljanja je ločitev
porabnikov od napajalnih signalov. Napajalni enosmerni signali so lahko iz različnih
razlogov precej očitnih izmeničnih oblik. Takšna oblika pa je pri porabnikih običajno
nezaželena. Blokirni kondenzatorji vpliv takšnih neželenih signalov uspešno rešujejo.
Drug vidik tehnike razklapljanja je v izolaciji vplivov med sklopi v vezju. Blokirni
kondenzator lahko prepreči vplive dogajanja v enem sklupu vezja na drug sklop vezja.
Umestitev blokirnega kondenzatorja v vezje se izbolšuje s krajšanjem razdalje med
kondenzatorjem in potrebnim mestom za razklop (komponento). Cilj je torej zmanjšati
Magistrsko delo UM FERI
14
količino induktivnosti in serijske upornosti med kondenzatorjem ter komponento v vezju.
[20]
2.3.3 Upor
Upor vsebuje tudi druge lastnosti, poleg same upornosti (pri visokih frekvencah). Slika
2.10 prikazuje nadomestno shemo upora, kjer je Lwe induktivnost priključnih vodov, Lc
induktivnost same komponente (deloma konstrukcije), Cp kot parazitna kapacitivnost
(konstrukcija) in R kot nominalna upornost.
Slika 2.10: Nadomestna shema upora
Z vezavo uporov na vzporeden način, zmanjšamo efekt parazitnih motenj pri višjih
frekvencah iz naslova nizke upornosti. Induktivnost zmanjšamo z načinom izbire fizično
malih komponent in prirezovanjem terminalskih vodov. Vpliv Cp ostaja zaradi nizke
upornosti. Večjo upornost in s tem zmanjšanje vpliva Cp in Lc pa zagotovimo z zaporedno
vezavo malih uporov. [6]
2.3.4 Tuljava
Prav tako ima tuljava lastnosti, katerim moramo pri zagotavljanju EMC nameniti
pozornost. Slika 2.11 prikazuje nadomestno shemo tuljave. L – induktivnost, Rs – upornost
za kompenzacijo izgub, Cp – parazitna kapacitivnost, ki je seštevek kapacitivnosti ovojev,
kapacitivnosti med ovojnimi sloji ter kapacitivnosti med ovojnimi sloji in jedrom.
Magistrsko delo UM FERI
15
Slika 2.11: Nadomestna shema tuljave
Od načina navitja je odvisna tudi vrednost resonančne frekvence, kot kaže 2.12. Iz nje
razberemo, da se tuljava obnaša kot induktivnost pod resonančno frekvenco in kot
kapacitivnost nad to frekvenco. Tuljava se obnaša kot paralelni resonančni krog.
Slika 2.12: Frekvenčna karakteristika navitij [6]
V kolikor je zahteva po visoki induktivnosti, se uporabi tuljava navita na jedro materiala, ki
ima visoko relativno permeabilnost2 (µ >> 1). Kadar se uporabi takšno jedro je pozornost
potrebno nameniti serijski upornosti, nasičenosti in odprtosti magnetnega kroga. Jedro
tuljave lahko zviša vrednost Rs, kar je lahko slabost za željen signal. Glede motečega
signala je visoka vrednost upora Rs običajno zaželena, saj bodo v prihodnje motnje delno
absorbirane (spremenjene v toploto) in ne bodo več omejene le z refleksijo (zoper visoki
impedanci tuljave). Tokovi v tuljavi lahko povzročijo zasičenje feritnega jedra. Zasičenje je
običajno nezaželjeno, saj povzroči krepko slabljenje induktivnosti tuljave in posledično
veliko impedanco. Pojav zasičenja je nelinearni efekt. Tako tuljava, ki bi naj omejila
motnje, te generira. [6]
2 snovna konstanta, ki opisuje obnašanje snovi v magnetnem polju
Magistrsko delo UM FERI
16
2.3.5 Transformator
Transformator se uporablja za električno ločitev, prav tako za pretvorbo napetosti ali toka
dveh sistemov. Transformator kot takšen ima 4-terminalski priklop, pa vendar je treba
upoštevati še dodatna priključka v primeru, če je vključena še referenca. Ta je pomembna
pri obravnavi differential-mode (DM) in common-mode (CM) signalih, ki jih transformator
prenaša. Običajno gre za pretvorbo CM signalov iz primarja v DM signale sekundarja in
obratno. V neštetih EMI, ki se tukaj pojavijo, so najpomembnejše CM karakteristike.
Električna ločitev sistemov je lahko varnostni ukrep v primeru velikih napetostnih razlik
med dvema sistemoma, lahko pa tudi služi za izničevanje vpliva CM motenj. Tudi pri
transformatorju, kakor pri tuljavi, se pojavljajo neštete parazitne kapacitivnosti. Osnovna
nadomestna shema transformatorja, ki je relevantna z EMI je prikazana na sliki 2.13. Lp in
Ls – navitje primarja in sekundarja, Cp, Cs in Cc – parazitne kapacitivnosti primarja in
sekundarja, Cpc in Csc – kapacitivnost navitij do jedra, Cpr, Ccr in Csr – kapacitivnosti navitij
in jedra do reference. Zanemarjene so razne izgubne upornosti, da se za obravnavo
ohrani enostavna shema. [1]
Slika 2.13: Nadomestna shema transformatorja [6]
2.4 Presluh
Ko je razdalja med virom motenj in dovzetno napravo tako majhna, da je npr. vodnik,
tiskano vezje, tokovna zanka itd. v bližini polja izvora, lahko način spajanja poti povežemo
s presluhi oz. crosstalk. Takšen nezaželen pojav prenosa signala - presluh iz enega
sistema na drug sistem se lahko zgodi, kadar imata dva sistema skupno impedanco
(običajno skupen prevodnik) – sklopljanje preko prevodnika. Druga možnost za pojav je
presluh preko elektromagnetnega polja, pri čemer ločimo presluh oz. spajanja preko
komponente električnega polja (kapacitivni presluh) in/ali komponente magnetnega polja
Magistrsko delo UM FERI
17
(induktivni presluh). Presluh se pogosto pojavi v obeh oblikah hkrati. V splošnem velja, da
se presluh veča z večanjem frekvence, razen če ga izniči kožni efekt. Zato je pomembno,
da je frekvenčni spekter takšen, kot je potrebno in ne večji. Veliko vlogo pri projektiranju
vezij ima tako sam načrtovalec, saj s poznavanjem presluha prispeva h kvaliteti sistema
(npr. povezav in postavitev na tiskanem vezju. [6]
2.4.1 Presluh preko skupne impedance
Če se tokovi dveh ali večih zank zaključijo preko skupne prevodne vezi na tiskanem vezju
govorimo o presluhu na skupni impedanci. Pogosto je to referenčni vod oz. masa, ta pa je
v veliko primerih težaven iz aspekta EMI. Skupna impedanca pa ne pomeni, da je
povezava lahko le v skupnem vodniku, pač pa lahko skupno impedanco predstavlja tudi
kratkostični kondenzator. Splošen opis presluha med dvema tokovnima zankama preko
skupne impedance je prikazan na shemi slike 2.14a. Tukaj je treba imeti v mislih, da
vrednost impedance ni določena le z vrednostjo prevodnika, ampak so v praksi pomembni
tudi njegovi terminali oz. kvaliteta povezav. Pogosto je pristop, k ugotavljanju EMI jakosti,
merjenje upornosti na spojih in povezavah, če ta ustreza nizkim vrednostim, kot
pričakovano. Ne redko se zgodi, da je med določeno točko in ozemljitvijo nekaj ohmov.
Zmanjševanje teh visoko-ohmskih vrednosti pogosto reši težave, vendar ne vedno. Vzrok
za te višje vrednosti upornosti so lahko slabi kontakti, tudi zaradi barvanih kovinskih delov
ali aluminijastih delov s končnim slojem pri sestavi. Možnost za pojav večjih upornosti in s
tem EMI s časom velja tudi pri izpostavljenosti vlagi, koroziji ali nepravilni kombinaciji
kovin na kontaktih. Impedanca prevodnika pa poleg realnega dela (upornost) vsebuje tudi
imaginarni del – npr. induktivnostjo, ki je povezana s poljem, ustvarjenim s tokovi v
prevodniku. Induktivnost tako odigra pomembno vlogo pri višjih frekvencah ( 2 f ) [6,
9].
2.4.2 Kapacitivni presluh
Po drugi strani lahko na presluh gledamo iz stališča, da je skupna impedanca tokovnih
zank zanemarljivo majhna. Tako so tokovne zanke sklopljene samo preko električnih EM
polj E, kar imenujemo tudi kapacitivni presluh. Z nizkofrekvenčno aproksimacijo
matematičnega modela se dobi pravi vpogled v problem, ki se obravnava. Model enačbe
velja za določeno frekvenčno območje linearnosti, kjer je ta veljaven. Pri določeni meji pa
zaradi sklopljenosti oz. kratkega stika določene kapacitivnosti, presluh oz. ustrezna
Magistrsko delo UM FERI
18
enačba rangira proti vrednosti 0. Tako velja: kapacitivni presluh ima karakteristiko
visokopasovnega filtra; presluh narašča z upornostjo oz. impedanco vezja; gledano v
časovni domeni je kapacitivni presluh odvisen od spremembe napetosti. [6]
2.4.3 Induktivni presluh
Podobno, kot se pri kapacitivnem presluhu obravnava le električna komponenta EM polja,
se pri induktivnem presluhu obravnava le magnetna komponenta. Tudi v tem primeru
lahko vpliv skupne impedance zanemarimo, za lažje modeliranje. Prav tako uporabimo
nizkofrekvenčno aproksimacijo za določitev modela, kjer se sklopljajo tokovne zanke,
vendar preko induktivnih elementov. Tako se npr. dve zanki sklopljata preko skupne
medsebojne induktivnosti M, ki jo povzročata magnetni polji tuljav. Tako je induktivni
presluh proporcionalen induktivnosti M. Ta je odvisna od oblike in relativne pozicije v
tokovnih zankah. V bistvu ni razlike med induktivnim presluhom in delovanjem
transformatorja. Tako velja: induktivni presluh ima karakteristiko visokopasovnega filtra;
presluh narašča z manjšanjem upornosti oz. impedance vezja; gledano v časovni domeni
je induktivni presluh odvisen od spremembe električnega toka, kar je pomembno v
digitalni elektroniki (vse hitrejše komponente oz. aplikacije). [6]
2.4.4 Načini za omejevanje presluhov
K zmanjševanju vplivov presluhov je potrebno upoštevati nekaj priporočil:
vsaka tokovna zanka se zaključi ločeno od drugih
vodniki zank so povezani v zvezdo
uporaba prevodnih površin pri tiskanih vezjih
Popolno izničenje je v praksi skoraj nemogoče. Je pa mogoče zmanjšanje pojava z
vnaprej načrtovano postavitvijo kritičnih elementov v vezju, pri tem pa moramo imeti v
mislih celotno shemo EMC – torej emisije in dovzetnost.
Presluh oz. nezaželene motnje lahko med drugim zmanjšamo na način izogibanja
skupnim impedancam v fazi projektiranja. Tako smo namenili pozornost načinu povezav
med oz. do posameznih elementov. Tako imenovan princip točkovnega sklopljanja
zagotavlja, da ima vsaka tokovna zanka svoj vodnik. Ta pristop je prav tako pomemben za
izničevanje induktivnega presluha. Slika 2.14 prikazuje shematski primer principa
projektiranja vezja za zmanjšanje presluha. Tako osnovno levo shemo (a) preoblikujemo v
Magistrsko delo UM FERI
19
enako funkcionalno shemo na desni (b), s tem, da se izognemo tokovom preko skupne
impedance. Tako sta zrcalna sklopa bolje povezana preko točke D v smislu zmanjševanja
neugodnih vplivov, kot preko prvotnega prevodnega elementa - impedance Zc.
Slika 2.14: Shematski prikaz projektiranja po principu točkovnega razvejanja
vodnikov [6]
V kolikor je izogib skupnih impedanc nemogoč je potrebno poskrbeti, da so te vrednosti
nizke. Možen je tudi izračun oz. ocenitev vrednosti te impedance, pri tem pa upoštevati
frekvenčno območje delovanja vezja in okolja, zaradi katerega bi se lahko pojavile
frekvence izven delovnega območja. Nizko impedanco ima prevodnik v obliki površine, za
PCB (tiskano vezje) to pomeni obojestransko bakreno prevleko. Pri PCB je možno vplive
zank občutno zmanjšati s povezovalnimi linijami čim bliže druga drugi in na eni strani
tiskanine, kar dobro vpliva tako na manjšo emisivnost kot dovzetnost. Težavo s presluhom
preko skupne impedance lahko omilimo tudi z zmanjšanjem toka skozi skupno
impedanco, predvsem pri CM motnjah, z uporabo npr. transformatorja. Uporabno pravilo
za izničevanje kapacitivnega presluha pravi, da naj bo razmik med vodi večji od 10-
kratnika njihovega diametra. Uporabna metoda je tudi prevodna ravnina – v primeru PCB
je to območje bakra. Za izničevanje induktivnega presluha je priporočljivo, da je
induktivnost M čim nižja. Znano dejstvo, da se po prepleteni parici prenašajo ˝čistejši˝
signali, kot na je tudi način za zmanjšanje induktivnega presluha. Pri tem je nasprotna
smer induciranih napetosti pomemben faktor pri doseganju kvalitete glede emisij in
dovzetnosti. [6]
a) b)
Referenca
B A
U2
U1
Rg2
Rg1
RL2
RL1
Zc
U2
U1
Rg2
Rg1
Referenca D
E
C
RL2
RL1
Magistrsko delo UM FERI
20
2.5 Ozemljitev in referenca
V veliko primerih nastopijo motnje v delovanju sistema zaradi preveč ozemljenih delov. V
obziru je potrebno imeti potek tokov, ki vedno tečejo v tokovnih zankah. Potrebno je
vedeti, da se ozemljitev oz. izraz ˝zemlja˝ (PE) uporablja le za električno varnost, to
pomeni za varnost komponent na dotik (običajno povezano s kovinskimi ohišji). V ostalih
primerih je dobro uporabiti izraz ˝referenca˝. Ob tem velja omeniti, da je ˝earth˝ izraz
britanske angleščine in izraz ˝ground ameriške angleščine. Zgodi se, da so ozemljitveni
vodi del tokovnih zank, ki povzročajo motnje, kar je običajno vzrok neustreznega EMC
načrtovanja sistema. V močnostni elektrotehniki je izraz ekvipotencialnih ploskev pogosto
neustrezno povezan z referenco, vendar gre pri tem za elektrostatično količino. EMC
težave pa so le izjemoma statične narave. Načrtovanje ozemljitvenih in referenčnih vezij
zato zahteva premišljenost, tudi pri načrtovanju. Kjer imamo opravka z EMI v sistemu,
lahko zmotno mislimo, da bomo ob prekinitvi ozemljitvene zanke, rešili problem. Vendar,
običajno ta pristop ne reši težav. Referenca oz. pogosto uporabljen izraz ˝masa˝ pa igra
tudi pomembno vlogo pri uporabi screen-a v vezju. [6]
2.6 Stroškovna učinkovitost
V procesu razvoja in posledično proizvodnje imajo stroški pomembno vlogo. Spošno
znano pravilo za optimiziranje le teh je upoštevanje diagrama stroškovno časovne
odvisnosti, ki je prikazan na sliki 2.15. Ta nam nazorno prikazuje kako lahko že v
raziskovalno-razvojni fazi z zadostnimi ukrepi omilimo nastajanje dodatnih nepotrebnih
stroškov v kasnejših fazah proizvodnje – torej z upoštevanjem EMC od samega začetka
razvoja. V kolikor se o EMC začne razmišljati šele ob produkcijski fazi, obstaja velika
možnost, predvsem pri digitalnih vezjih, da produkt ne bo zadovoljeval zahtev novih
standardov glede EMC. Stroški bodo ob ponovnem načrtovanju, reprogramiranju
proizvodnje, zakasnitvi izdobave itd. občutno narasli.
Magistrsko delo UM FERI
21
Slika 2.15: Stroški in ukrepi skozi čas
Ob tem gre za zagotavljanje zakonskih zahtev in še strožjih potrošniških zahtevah.
Zakonske zahteve so običajno postavljene na nivo povprečne zagotovitve predpisanih
smernic EMC, kar pa zahtevnejši fizični ali pravni osebi ob uporabi mnogoterih naprav na
enem mestu, lahko povzroča večje težave. Zato je, tudi iz naslova dobrega ugleda
proizvajalca, pomembno zagotoviti takšno opremo, da kasneje ni potrebe po dodatnih
EMC ukrepih, povezanih s stroški. [6]
Magistrsko delo UM FERI
22
3 PROTOTIPNI MODUL
3.1 Eksperimentalno vezje in EMC
Vezje prototipnega merilnega modula, ki ga predstavlja električna shema na sliki 3.1,
lahko razdelimo na več delov. En del vezja sestavlja komunikacijski del, katerega elementi
so PIC18F27J53 (12-bitni AD pretvorba s 50 kS/s in USB protokol), terminal USB tipa
mini-B (napajanje LED diode in temperaturnega senzorja MCP9701 z oznako T),
napetostni regulator LM1117 z oznako VR (pretvorba USB napetosti v 3,3 V za napajanje
PIC) in 12 MHz kvarčni oscilator za delovanje PIC-a.
Delilno-ojačevalna dela predstavljata instrumentacijska ojačevalnika INA128, v splošnem
sestavljena iz uporov operacijskih ojačevalnikov A1 - A3, kot je prikazano na električni
shemi slike 3.1. Ojačevalno logiko predstavljata stikalna elementa (DIP stikalnika) s stikali
S5 - S8, povezanimi z upori RG1 - RG4. Izbrana vrednost upornosti na zunanjih terminalih
čipa določa vrednost ojačanja v območju 1 – 20000. Zaradi omejenega pozitivnega
napetostnega območja mikrokrmilnika PIC je merilni signal tega segmenta modula omejen
na območje 0 V – 3.3 V. Vendar lahko negativne signale vseeno merimo zaradi
prestavitve referenčne točke instrumentacijskega ojačevalnika s pomočjo drsnega upora
RP1 oz. RP2, kar nam omogoča dodaten operacijski ojačevalnik TI OPA177. Princip
delovanja ojačevalnega segmenta je podrobneje predstavljen v poglavju 3.2. S takšnim
pristopom izmeničnih signalom še dodatno omejimo merilno območje na ±1,65 V, vendar
je s tem razširjena tudi uporabnost prototipnega modula na negativne signale. [7]
Magistrsko delo UM FERI
23
Slika 3.1: Električna shema prototipnega modula
Z implementacijo delilnika pred instrumentacijskim ojačevalnikom na posameznem kanalu
smo modulu omogočili tudi deljenje oz. atenuacijo vhodnega signala, priključenega na
Magistrsko delo UM FERI
24
sponke terminala. Delilno logiko predstavljajo stikala S1 - S4, povezana z upori RD1 -
RD4. Vhodne sponke ter sponke 0 V in 9 V so dostopne preko terminala na posameznem
kanalu, na sliki označenima s H. Baterijsko napajanje instrumentacijskih in operacijskih
ojačevalnikov je za napajanje ojačevalnikov izbrano zaradi minimiranja motenj, ki bi ga
lahko vnašalo mrežno napajanje.
Prototipno vezje je sestavljeno iz dveh električno gledano enakih ojačevalnih kanalov. Na
sliki 3.2 sta označena s F.
Slika 3.2: PCB zasnova prototipnega modula – zgornja plast
Na sliki 3.2 je z A označen komunikacijski del, ki predstavlja vez med kanaloma in PC
aplikacijo, ki se izvaja na PC-ju. Osrednja komponenta tega dela vezja je mikrokrmilnik
PIC18F, ki preko USB vodila komunicira s PC. Z oznako G je na sliki prikazan delilnik
baterijskega signala, katerega izhod je priključen na eden od analognih vhodov PIC-a.
Tako je preko ustrezne programske kode omogočeno merjenje električne napetosti
napajalnih baterij. Z oznako B sta označena implementirana LED indikator za USB
napajanje in termistor za merjenje temperature okolice, katera je prikazana v grafičnem
Magistrsko delo UM FERI
25
vmesniku. Z oznakami C, D in E so na sliki označena mesta spojev (t.i. net bridge-ov)
baterijske mase ojačevalnega dela in USB mase iz PC.
Pri prototipnem modulu so za zagotavljanje EMC bili izvedeni ukrepi, kot je zmanjševanje
skupnih impedanc s točkovnim ločevanjem tokovnih zank v vezju – primer označen z I, J
in K na predhodnji sliki 3.2. Za izničevanje kapacitivnih parazitnih vplivov je izveden
screen po celotnem robu tiskanine, tako da je ta na zgornji in spodnji plasti obdana z
večjim območjem potenciala mase. Prav tako sta s takšno screening površino
medsebojno ločena oba kanala [19]. Na ta način dodatno zagotovimo imunost na motnje.
Z oznako L je na predhodnji sliki označen del PIC-a z oscilatorjem. Projektiran je po
proizvajalčevi zahtevi, z namenom preprečevanja motenj, tako, da ustvarimo screen okoli
občutljivega mesta. Za zmanjšanje znotraj-sistemskih motenj so bili, kot metoda blokade
sklopne poti so pri vseh občutljivih pinih na čipih (INA128, OPA117, PIC18F in LM1117),
dodani razklopni keramični kondenzatorji v vrednosti 0,1 µF.
Slika 3.3 prikazuje eksperimentalno tiskano vezje s kovinsko kletko. Kletka je narejena iz
kovinske mreže in je večtočkovno spojena s potencialom mase na tiskanini. Ta kot
Faraday-eva kletka oz. screen varuje vezje pred negativnim vplivom motenj iz okolice v
notranjost in obratno ter pomaga pri zagotavljanju med-sistemske združljivosti, kot je bilo
opisano v poglavju 2.2.
Magistrsko delo UM FERI
26
Slika 3.3: Eksperimentalno PCB vezje s kletko
3.2 Zasnova kanala
Zaradi univerzalnosti in razširitve področja uporabe modula je izvirnemu signalu iz vira,
priključenega na terminalske sponke, možno amplitudo tudi zmanjšati, deliti oz. slabiti s
faktorji 10-1, 10-2, ali 10-3. Signalni vod je preko ali mimo delilnika speljan na
instrumentacijski ojačevalnik, kjer je možno signal ojačiti s faktorji 10, 100, 1000 ali 20000.
Točne vrednosti atenuacijskih in ojačitvenih faktorjev so predstavljene v nadaljevanju.
Princip izvedbe stikalne logike, za manipulacijo faktorja slabitve vhodnega signala v
modul, je shematsko prikazan na sliki 3.4. Stikalno logiko delilnega segmenta oz.
atenuatorja sestavljajo upori s pripadajočimi vrednostmi upornosti. Označeni so z
oznakami Rd1, Rd2, Rd3 in Rd4. Z oznakami S1, S2, S3 in S4 so označena stikala,
katera so fizično implementirana v komponenti DIP stikalnika. Izbrana je bila izvedba z 8
stikali, od tega so 4 namenjene delilniku, preostala 4 stikala pa nastavitvi ojačevalnega
faktorja instrumentacijskega ojačevalnika.
Mikrokrmilnik
PIC
Terminalske
sponke Nastavitev
ojačanja/deljenja
Nastavitev
offseta
Priključitev
baterij
USB
Magistrsko delo UM FERI
27
3.2.1 Delilnik
Delilnik je zasnovan po principu 2. Kirchoffovega zakona, ki pravi, da je vsota padcev
napetosti na posameznih uporih v sklenjenem tokokrogu enaka vsoti napetosti na vseh
izvirih napetosti, ki nastopajo v zanki. Posamezen električni signal, priključen na Vhod
(terminal modula), je po teoretični osnovi Kirchoffovega zakona, slabljen z načinom izbire
točke na delilniku oz. sklenitve stikala na DIP stikalniku. Vina sponke pomenijo ustrezno
priključitev na vhod instrumentacijskega ojačevalnika INA128, kot je prikazano na zgornji
električni shemi prototipa.
Slika 3.4: Shema stikalne logike delilnika
Iz sledečih enačb lahko izračunamo slabitvene (atenuacijske) faktorje delilnika.
41
1 2 3
RdA
Rd Rd Rd
(3.1)
3 42
1 2
Rd RdA
Rd Rd
(3.2)
2 3 43
1
Rd Rd RdA
Rd
(3.3)
kjer je:
A – atenuacijski faktor konfiguracije (Ω/Ω),
Rd – upornost dotičnega upora (Ω)
Magistrsko delo UM FERI
28
V tabeli 3.1 so definirane konfiguracije posameznega DIP stikalnika, glede na to, kakšen
signal želimo iz delilnega segmenta voditi na ojačevalnik – INA128.
Tabela 3.1: Konfiguracija delilnega segmenta
Konfiguracija DIP stikalnika3
Nominalne upornosti razmerja [Ω]
Izmerjena upornost4 [Ω]
Faktor slabljenja A5
0001xxxx signal, voden mimo delilnika
A1 0010xxxx 91000 / 10110 ± 0,1 % 91,2 k / 10,08 k 9 X ± 0,1 %
A2 0100xxxx 100100 / 1010 ± 0,1 % 100,3 k / 1009 99,1 X ± 0,1 %
A3 1000xxxx 101010 / 100 ± 0,1 % 101,2 k / 100,2 1010,1 X ± 0,1 %
3.2.2 Ojačevalnik
Jedro ojačevalnega segmenta predstavlja instrumentacijski ojačevalnik v čipu - INA128.
Gre za nizkocenovno komponento z malo tokovno porabo. Zasnova, s tremi operacijskimi
ojačevalniki in majhne dimenzije, ga glede uporabnosti uvršča med širok nabor aplikacij. S
predpisano matematično enačbo dosežemo željen faktor ojačitve pri ustreznem zunanjem
uporu. Za delovanje zadostuje že nizka napetost (±2.25 V). Mirovni tok znaša 700 µA, kar
pomeni, da je idealen za baterijsko napajane sisteme. Takšen pristop smo uporabili tudi v
našem projektu. Zaradi prototipne izvedbe modula smo uporabili čip INA128 v izvedbi
dual in-line package – DIP, kar pomeni dvo-vrstno porazdelitev pinov okoli ohišja. [7]
Slika 3.5a) prikazuje električno shemo in slika 3.5b) terminalsko shemo ojačevalnika.
3 xxxx – konfiguracija ojačevalnega faktorja na istem DIP stikalniku 4 upoštevan 0,8 Ω pogrešek merilnega instrumenta (LINI-T UT33D), brez napajanja, kanal 1 5 teoretični A - faktor slabljenja kot kvocient »teoretične upornosti«
Magistrsko delo UM FERI
29
Slika 3.5: Električna shema (a) in terminalska shema (b) INA128 [7]
Enačba izhodne napetosti po sliki 3.5 je naslednja:
3 1
2
21o IN IN
G
R RV V V
R R
(3.4)
kjer je:
Vo – izhodna napetost ojačevalnika (V),
R – upornost ustreznega upora (Ω),
VIN – napetost vhodnih sponk
Zaradi izničevanja EMI, je priporočena implementacija keramičnih kondenzatorjev za
napajalni segment čipa INA128 in OPA177, s postavitvijo čim bližje napajalnim terminalom
in priporočeno vrednostjo 0,1 µF, kot kažejo slika 3.5a in elementi CINAx in COPAx na
prejšnji sliki 3.2.
S pomočjo enačbe (3.5) izbrana vrednost upornosti na zunanjih terminalih čipa omogoča
določitev oz. nastavitev ojačanja v območju 1 – 10 000 po proizvajalčevih navedbah. Še
več, dobro funkcionalnost instrumentacijskega ojačevalnika smo ohranili tudi z višjim
a)
b)
Magistrsko delo UM FERI
30
ojačanjem - 20000. Za določitev upornosti za izbrano ojačanje pa se omenjena enačba
prilagodi v obliko, ki jo prikazuje enačba (3.6):
50 k1
G
GR
(3.5)
50 k
1GR
G
(3.6)
kjer je:
G – ojačitveni faktor (Ω/Ω),
RG – ojačitveni upor (Ω)
Točnost ojačanja samega ojačevalnika zavisi od kvalitete zunanjega ojačevalnega upora.
Odvisna je od njegove stabilnosti in temperaturnega odklona, katera vplivata na dejansko
vrednost upornosti elementa. To posledično pomeni netočnost v primerjavi z rezultatom
prej opisane ojačevalne enačbe.
Zaradi omejenega pozitivnega napetostnega območja mikrokrmilnika PIC je merilni signal
tega segmenta modula omejen na območje 0 V – 3,3 V. Tako predvidevamo, da lahko v
splošnem zajemamo le pozitivne signale. Tej omejitvi smo se izognili z načinom
prestavitve referenčne točke (offset-a), instrumentacijskemu ojačevalniku. To smo dosegli
z dodatno opcijsko komponento v delilno-ojačevalnem segmentu, operacijskim
ojačevalnikom OPA177. Gre za komponento z nizko porabo električne energije in
odličnimi karakteristikami za široko uporabno vrednost. Za delovanje zadostuje že nizka
napetost. Mirovni tok čipa znaša 1,5 mA, kar sovpada z odločitvijo po baterijskem
napajanju delilno ojačevalnega segmenta. Iz istega razloga kot pri instrumentacijskemu
ojačevalniku smo se tudi pri op. oj. odločili za DIP izvedbo čipa, katerega terminalska
shema je prikazana na sliki 3.6. [15]
Slika 3.6: Terminalska shema OPA177 [15]
Magistrsko delo UM FERI
31
Tega smo po priporočeni shemi povezali z referenčnim terminalom na INA128, kot je
prikazano na sliki 3.7. Kadar vhodne sponke kanala kratko sklenemo, je s pripadajočim
potenciometrom mogoče natančno nastaviti želeni nivo referenčne napetosti. S tem
načinom smo za primer izmeničnih napetosti sicer še dodatno omejili merilno območje na
±1,65 V, vendar po drugi strani razširili uporabnost modula tudi na negativne enosmerne
signale.
Slika 3.7: Električna shema aplikacije za nastavitev referenčne točke
Princip izvedbe stikalne logike za manipulacijo ojačitvenega faktorja na INA128 je
shematsko prikazan na sliki 3.8. Stikalno logiko kanala sestavljajo upori s pripadajočimi
vrednostmi upornosti. Označeni so z oznakami Rg1, Rg2, Rg3 in Rg4. Z oznakami S5,
S6, S7 in S8 so označena stikala, katera so fizično implementirana v DIP stikalniku.
Sklenitev posameznega stikala povzroči neupoštevanje pripadajočega upora na levi oz.
neupoštevanje njegove vrednosti v celotni upornosti med sponkama RG1 in RG2, katera
določa skupno vrednost upornosti na INA128. To po ojačitveni enačbi (3.5) pomeni
določeno vrednost ojačanja.
Slika 3.8: Shema stikalne logike za ojačevanje INA128
Magistrsko delo UM FERI
32
Vrednosti posameznih uporov v verigi in s tem končne vrednosti upornosti med RG1 in
RG2 so izbrane tako, da je z določenimi konfiguracijami posameznega DIP stikalnika
možno dobiti vrednosti upornosti, ki s pomočjo sledečih enačb - osnovna jim je (3.5) -
določajo faktor ojačanja:
1
1 2 3 4
50 k1G
Rg Rg Rg Rg
(3.7)
2
1 3
50 k1G
Rg Rg
(3.8)
3
3
50 k1G
Rg
(3.9)
4
1
50 k1G
Rg
(3.10)
kjer je:
G – ojačevalni faktor konfiguracije (Ω/Ω),
Rg – upornost dotičnega upora (Ω)
Konfiguracije DIP stikalnika z vrednostmi ojačanj so prikazane v tabeli 3.2.
Tabela 3.2: Konfiguracija ojačitvenega segmenta
Konfiguracija DIP stikalnika6
Teoretična upornost [Ω]
Izmerjena upornost7 [Ω]
Faktor ojačanja
G1 xxxx0000 5542,2 ± 1 % 5,53 k 10,02 ± 1 %
G2 xxxx1010 501,2 ± 1 % 503 100,76 ± 1 %
G3 xxxx1101 51 ± 1 % 51,2 981,40 ± 1 %
G4 xxxx1110 2,2 ± 1 % 2,5 22728,3 ± 1 %
3.3 Zajemanje podatkov
DAQ moduli vsebujejo A/D pretvornik, ki s tehniko vzorčenja pretvori analogni signal v
digitalno vrednost. Običajno so prisotni tudi digitalno-analogni pretvornik, števci, delovni
pomnilnik in/ali druge komponente. Dejansko so te dostopne preko programirljivega
6 xxxx – konfiguracija atenuacijskega faktorja na istem DIP stikalniku 7 upoštevan 0,6 Ω pogrešek merilnega instrumenta (LINI-T UT33D), brez napajanja, kanal 1
Magistrsko delo UM FERI
33
mikrokrmilnika. Dandanes je precej razširjen mikrokrmilnik PIC, ki predstavlja nizko
cenovno, široko dostopno in široko aplikativno periferijo. Za povezavo mikrokrmilnika in
PC se je dobro uveljavilo komunikacijsko vodilo USB. Nepogrešljiv element v sistemu je
PC programsko okolje za nadzor in prikaz podatkov iz DAQ modula. Tako je uporabnost
DAQ modula odvisna predvsem od nadzorne plošče programskega okolja, s katerim
skupaj tvorita zaključeno celoto merilnega instrumenta. [30]
3.3.1 Mikrokrmilnik PIC18F
Povezavo modula in PC gonilnika predstavlja mikroprocesor PIC18F27J53. Ta skrbi za
pretvorbo analognih napetostnih signalov v digitalno obliko in preko USB 2.0 protokola
komunicira s PC periferijo in programskim okoljem LabVIEW™. Sposoben je 12-bitne AD
pretvorbe, kar pomeni 0,8 mV ločljivosti oz. kvantizacijskega pogreška Q (3.11): [16]
12
3,30,8 mV
2 1 2 1
FSR
M
EQ
(3.11)
kjer je:
Q – ločljivost/kvantizacijski pogrešek (V),
EFSR – napetostno območje (V),
M – število bitov A/D pretvornika
Mikroprocesor je bil za naše potrebe že sprogramiran. Kakor za razvojno vezje, kot tudi za
samo tiskano vezje, smo uporabili 28 pinsko DIP izvedbo mikroprocesorja, kot kaže
terminalska shema na sliki 3.9.
Slika 3.9: Terminalska shema PIC [16]
Magistrsko delo UM FERI
34
Ob načrtovanju PCB smo upoštevali električne sheme in priporočila iz specifikacij za
zagotovitev čim boljše odpornosti na EMI (implementacija razklopnih keramičnih
kondenzatorjev, priporočena PCB zasnova...), kot kaže električna shema modula in PCB
zasnova na sliki 3.2.
Oscilator služi mikroprocesorju kot stabilen vir takta oz. ure za delovanje. Izbrali smo 12
MHz kvarčni kristal in njemu pripadajoča 18 pF keramična kondenzatorja. Ob integraciji
oscilatorja na PIC smo upoštevali priporočilo iz specifikacije o PCB načrtovanju le-tega,
kot je prikazano na sliki 3.10.
Slika 3.10: PCB zasnova oscilatorja [16]
Napetostni regulator služi za napajanje PIC-a s primerno napetostjo, to je 3.3 V. V
komunikacijski segment je dovod napajalne napetosti z vrednostjo 5 V preko USB vodila
iz PC. Napetostni regulator to priključeno napajalno napetost pretvori v vrednost primerno
za napajanje PIC mikrokrmilnika. Pri integraciji napetostnega regulatorja smo upoštevali
priporočila za implementacijo tantalovih kondenzatorjev za blokado motenj, kot je
prikazano na sliki 3.11 in na predhodnji električni shemi prototipa.
Magistrsko delo UM FERI
35
Slika 3.11: Električna shema implementacije napetostnega regulatorja
USB priključni terminal tipa mini-B, prikazan na električni shemi prototipnega vezja (slika
3.1) prikazan kot USB, je v modulu uporabljen zaradi majhnosti in površinske
namestitvene izvedbe - SMD. Služi kot napajalni vir in komunikacijsko vodilo med PC in
modulom. Slika 3.12 je projektivna zahteva za integracijo USB mini-B na PCB, katera je
bila upoštevana pri snovanju.
Slika 3.12: PCB zasnova USB mini B [14]
LED komponenta služi kot indikator napetosti na USB vodilu. Ta je implementirana z USB
napajanjem 5 V. Potreben je dodaten ustrezen upor, saj je maksimalna napetost LED 1,8
V s tokom 2 mA. Vrednost upora je določena po ustrezni enačbi:
Magistrsko delo UM FERI
36
5 1,81600
0,002
d iU UR
I
(3.12)
kjer je:
R – ustrezna vrednost upora (Ω),
Ud – napajalna napetost (V),
Ui – ustrezna napetost diode (V),
I – ustrezen tok diode (A)
3.4 Termistor
Zaradi informacije o pogojih, v katerih uporabljamo merilni modul, je na modulu integrirano
tipalo temperature Microchip MCP7901AE z analognim napetostnim izhodom in
območjem primernim za ta PIC. Ta linearni, aktivni termistor odlikuje nizka poraba
energije, temperaturni razpon od -40 do 125 °C, s točnostjo do ±2 °C in 6 µA tokovno
porabo. Izbrali smo izvedbo senzorja TO-92, saj je ta primernejša za merjenje
temperature okolice. Ta senzor nima posebnih zahtev za umestitev v aplikacijsko vezje,
ima pa tudi sposobnost odpornosti na parazitne kapacitivnosti. Po priporočilu iz
specifikacijskega lista, smo na izhodni terminal dodali kondenzator za zagotavljanje
dobrega odziva, kateri pa ni potreben za samo stabilnost senzorja. Na napajalnih
terminalih je za aplikacije, kjer pričakujemo šum, priporočena umestitev razklopnega
kondenzatorja. Tako implementiran senzor v vezje modula je prikazan na električni shemi
prototipnega vezja oz. sliki PCB zasnove modula. Pretvorbo napetosti v temperaturo
podaja slednja enačba (3.13): [12]
0out CA
C
V VT
T
(3.13)
kjer je:
TA – temperatura okolice (°C),
Vout – izhodna napetost senzorja (V),
V0°C – izhodna napetost senzorja pri 0°C (V),
TC – temperaturni koeficient senzorja (V/°C)
Termistor ima v svojem temperaturnem območju na izhodu nelinearno karakteristiko. S
tehniko kompenzacije izhodne nelinearnosti ob kalibriranju senzorja pri +25 °C je možno
točnost senzorja izboljšati na ±0.5 °C. Pri podrobni analizi izhodnega pogreška termistorja
Magistrsko delo UM FERI
37
je vidna razlika pri »hladnem in vročem koncu« temperaturnega območja termistorja. Zato
se pri kompenzaciji senzorjevega pogreška uporabijo enačbe 1. in 2. reda krivulje
pogreška, ki se prevedejo v koeficiente. Tako pripravljene enačbe se prevedejo v slednjo
kompenzacijsko enačbo (3.14) obravnavanega termistorja: [2]
_ 2compensated A TT T Error (3.14)
_ 2 2
1 15
125 15
15
T A A
A
Error EC C T T C
EC T C Error
(3.15)
kjer je:
Tcompensated – kompenzirana izhodna temperatura senzorja (°C),
TA – izhodna temperatura senzorja (°C),
Error T_2 – kompenzacijski polinom pogreška 2.reda (-),
EC1 – koeficient pogreška 1. reda = 10-3 (°C/°C),
EC2 – koeficient pogreška 2. reda = 2*10-4 (°C/°C2),
Error -15 – koeficient pogreška pri hladnem koncu = -1,5 (°C),
Programska implementacija termistorja je prikazana na programski kodi gonilnika v prilogi
B.
3.5 Projektiranje
Projektiranje prototipnega PCB-ja smo opravili s programskima paketoma National
Instruments Multisim™/Ultiboard™. V prvem delu je bilo potrebno sestaviti električno
shemo celotnega vezja. Za tem se je, s pomočjo podatkov o logičnih povezavah iz sheme,
pripravil program v programu Ultiboard. Frezalni stroj oz. njegov CAM vmesniški program
je na osnovi izvožene Gerber datoteke iz Ultiboard-a pripravil bakreno ploščo za
namestitev komponent.
Pri izdelavi tiskanega vezja smo stremeli k uporabi komponent v SMD tehniki. Zaradi
prototipne izdelave in manjših stroškov smo obdržali obstoječe čipe ojačevalnikov
INA128, OPA177 in PIC-a v DIP izvedbi, katere smo uporabili predhodno pri razvojnem
testiranju. DIP stikalnik smo namenoma izbrali v DIP izvedbi na podnožju, zaradi ohranitve
višine komponent pri usklajevanju s predvidenim ohišjem. Kar se tiče SMD uporovnih in
kapacitivnih elementov smo izbrali dimenzijsko kodo 1206, zaradi minimiziranja vezja in
Magistrsko delo UM FERI
38
še primerne sposobnosti manipulacije elementov ob ročnem nameščanju na tiskanino oz.
ploščo.
3.5.1 NI Circuit design suite
National Instruments Circuit Design Suite velja za zelo uporaben programski paket za
razvoj elektronskih sklopov. Del slednjega je zmogljiv Multisim™ - simulacijski program s
poudarkom na integriranih vezjih (SPICE). Omogoča predvsem sestavljanje električnih
shem, njihovo simulacijo in analizo, je pa tudi močan podporni člen za zasnovo PCB-ja.
Pri magistrskem delu smo ga uporabili predvsem za podporo k PCB računalniškem
modelu, zasnovanim z drugim dopolnilnim programom. Program vsebuje avtomatska
orodja za snovanje elektronike (EDA), kar ga med temi programi uvršča v vrh glede
uporabnosti in zmogljivosti. Velja omeniti, da je program v večini omogoča definicijo tipa
ohišja komponente, razdalje med njimi, dolžino vodnika itd., kar pripomore k hitrejši
nadaljni zasnovi PCB-ja. Električna shema modula, prikazana na predhodnji sliki 3.1, smo
ustvarili v Multisim-u. Pripravljeno električno shemo sklopa komponent, z informacijami o
njihovih odtisih na tiskanini oz. footprint-ih je možno izvoziti v program za snovanje PCB
vezja z uporabo ukaza »export« oz. »transfer to Ultiboard«.
Za snovanje PCB načrta smo uporabili isti programski paket, katerega del je tudi progam
Ultiboard™. Ta Rapid prototyping (hitra izdelava prototipov) program, skupaj z
predhodnjim programom, tvori celoto za pripravljanje načrtov za tiskana vezja pred
izdelavo. Nudi uporabne možnosti pri izdelavi načrta, kot je sprotno preverjanje napak na
načrtu in povezav med komponentami, 3D prikaz objekta s komponentami, avtomatsko
postavljanje komponent in povezav itd. Tudi vsako kasnejše popravljanje predhodne
električne sheme v Multisimu se enostavno prevede v Ultiboard, velja pa tudi obratno. Po
uvažanju podatkov iz Multisima (t.j. sinhronizacija netlist-e, ki vsebuje podatke o
povezavah in lastnostih komponent) lahko pričnemo z definiranjem velikosti tiskanine,
avtomatskim ali ročnim postavljanjem komponent in povezav ter pripraviti izvozno
datoteko Gerber tako, da bo kompatibilna z izbranim obdelovalnim strojem. Končni PCB
načrt je prikazan v prilogi A, na obeh slikah iz perspektive od zgoraj navzdol.
3.5.2 Tiskanina
Slika 3.13 prikazuje segmente izdelane prototipne tiskanine: komunikacijski del za
povezavo in prenos podatkov na PC grafični vmesnik, termistor za podatek o temperaturi
Magistrsko delo UM FERI
39
okolja, delilno-ojačevalna segmenta (kanala), terminala za vhodni signal in kratkotrajni
napajalni vir ter sponke za priključitev baterij.
Slika 3.13: Tiskanina
Slika 3.14 prikazuje delilni segment z DIP stikalnikom in 4 upori. Za fizično izvedbo
delilnika smo želeli čim bolj kvalitetno delitev signalov, zato smo izbrali upore tipa metal
film. Ti so zaradi posebne izvedbe izredno stabilni, z dobrim temperaturnim koeficientom
in toleranco. Dobro se obnašajo ob motnjah in imajo majhno nelinearno karakteristiko.
komunikacijski
segment
delilno-ojačevalna
segmenta
priključne
sponke baterije
termistor
terminal
+ | - | G | 9V
Magistrsko delo UM FERI
40
Slika 3.14: Tiskanina – stikalni delilnik
Slika 3.15 prikazuje ojačevalni segment. Za večjo točnost faktorja ojačitve smo za izvedbo
modula izbrali upore Panasonic s toleranco ±1% in temperaturnim koeficientom ±100
ppm/°C 8, ki spada med dokaj dobre elemente glede na možno globalno ponudbo.
Slika 3.15: Tiskanina - ojačevalni segment
Slika 3.16 prikazuje komunikacijski segment s PIC, USB mini-B, LED.
8 delcev na milion (parts per million) = 10-6
Delilni
segment
INA 128
OPA 177
ojačevalni upori
potenciometer
ojačitvena stikala
Magistrsko delo UM FERI
41
Slika 3.16: Tiskanina - komunikacijski segment
PIC
Oscilator Napetostni regulator
USB LED
Magistrsko delo UM FERI
42
4 GRAFIČNI VMESNIK
V DAQ sistem modula prav tako spada grafični uporabniški vmesnik (graphical user
interface - GUI) za manipulacijo s PIC-em oz. z zajetimi podatki. GUI za modul je bil
zasnovan v programskem paketu National Instruments LabVIEW™. Ta nam omogoča
uporabo širokega nabora orodij za merilne ali krmilne oz. regulacijske aplikacije. Gre za
okolje v katerem se programira po principu gradnje programske kode s funkcijskimi bloki
in hkratnim ustvarjanjem GUI-a. Tako je programiranje v LabVIEW-u hitrejše in
učinkovitejše od klasičnega programiranja. Naprava mora za uporabo v LabVIEW-u imeti
na PC strojno podporo za prepoznavo in delovanje – strojni gonilnik. V programski kodi
smo uporabili že pripravljen strojni gonilnik, za izbran PIC mikrokrmilnik.
4.1 Grafični uporabniški vmesnik (GUI)
Uporabniški vmesnik za prototipni modul je prikazan na sliki 4.1, programska koda pa je
prikazana v prilogi B.
Elementi GUI-a so na sliki 4.1 označeni z rumenimi številčnimi označbami in opisani v
nadaljevanju.
1 sklop primarnih kontrol in indikatorjev - VISA device (izbirno polje za inicializacijo
DAQ modula), START in STOP kontroli (zagon in ustavitev komunikacije z
modulom), Atenuacija in Ojačanje (za prikaz vrednosti priključenega signala na
modul v poljih pod razdelkom 4), Čas zanke (čas izvajanja zanke v programski
kodi), Okolica (indikator temperature okolice) ter grafični in numerični indikator za
prikaz napetosti napajalnih baterij za kanala
2 polja za nastavitev parametrov meritve na izbranem kanalu – Channel (izbira
kanala), Sampling frequency (frekvenca vzorčenja kanala), Number of samples
(število otipkov vzorčenja), Skalirni faktor (programsko skaliranje vrednosti signala)
ter DC/Offset (vrednost referenčne točke ojačevalnika)
3 osnovni kontrolniki za upravljanje prožilnika
Magistrsko delo UM FERI
43
4 indikatorska polja o podatkih signala – PIC (povprečeni direktni signal na vhodu
krmilnika), Ch. mean (povprečeni signal z upoštevanjem programskega skalirnega
faktorja in offset-a), Ch. mean org in AC org (signal z upoštevanjem izbire na
kontrolnikih atenuacijskega in ojačevalnega faktorja), AC/P2P (kontrolnik za prikaz
enojne ali dvojne amplitude izmeničnega AC signala), AC/Offset (enosmerna
vrednost izmeničnega signala)
5 grafi za izris direktnega signala na vhodu modula (z možnostjo premaknitve
enosmerne komponente signala v izhodišče s pomočjo Offset graph), FFT graf
(izris frekvenčnega spektra direktnega signala s pomočjo Fourierove
transformacije), Mean graf (enostaven izris povprečenja signala za dinamično
spremljanje spreminjajočega signala)
Magistrsko delo UM FERI
44
Slika 4.1: GUI – čelna plošča
Magistrsko delo UM FERI
45
5 MERILNI REZULTATI
V rezultatih je najprej prikazana primerjava šuma obravnavanega modula pri odprti in
zaprti kletki, sledijo karakteristike pri DC signalu in vhodnem kratkem stiku. Za tem je
prikazana frekvenčna karakteristika prototipnega modula v primerjavi z NI 6008, čemur
sledi primerjava AC sinusne in pravokotne oblike z NI 6008.
Kot je bilo uvodoma omenjeno, NI 6008 v primerjavi z izdelanim prototipnim DAQ
modulom nima ojačevalnika. NI 6008 je sposoben vzorčenja s frekvenco do 10 kHz ter
12-bitnega zajemanjem analognih signalov, najobčutljivejšega v območju od -1 V do 1 V,
kar pomeni ≈0,49 mV ločljivosti Q (enačba (3.11)). Ima digitalna vhodno/izhodna vrata,
komunikacija ter napajanje pa je preko USB vodila. [26]
Eksperimentalno uporabljena oprema meritev enosmernih in izmeničnih karakteristik je
prikazana na sliki 5.1.
Slika 5.1: Merilna oprema pri meritvah izmeničnih in enosmernih napetosti
GUI
NI 6008
Prototipni
modul Eks. delilnik
Hameg HM
8030-4
Magistrsko delo UM FERI
46
5.1 Signal pri zaprti in odprti kletki
Pri kratko sklenjenem vhodu modula, smo pri različnih ojačanjih merili amplitudo signala
na izhodu ojačevalnika s pomočjo izdelanega GUI. Prvič smo opravili meritve z
odstranjenim pokrovom kletke, drugič z zaprto kletko. Primerjava amplitud napetostnih
signalov pri odprti (s svetlo barvo) in zaprti kletki (s temno barvo) je razvidna iz slike 5.2.
Iz primerjave je razvidno, da pri G=10 in G=100 ni vidne razlike pri amplitudi signal/šum,
medtem ko je pri G=1000 (6.39522 mV) in G=20000 (3.2394 mV) ta razlika očitnejša.
Slika 5.2: Primerjava šuma modula pri odprti in zaprti kletki v kratkem stiku
5.2 Šum pri DC baterijskem signalu in kratkem stiku
Pri merjenju statičnih karakteristik med prototipom in NI 6008 smo za vir enosmernega
signala uporabili AA baterijo. Z implementacijo dodatnega eksternega delilnika na razvojni
plošči, smo lahko določili karakteristiko z manjšimi signali. Vezalna shema je prikazana na
sliki 5.3.
1,611762
6,46863
26,338
3,22441
12,86385
29,5774
0
5
10
15
20
25
30
35
G=10 G=100 G=1000 G=20000
Nap
eto
st [
mV
]
Ojačanje
Zaprta Odprta
Magistrsko delo UM FERI
47
Slika 5.3: Vezalna shema delilnika 1/100 (zgoraj) in 1/10 (spodaj) za DC
Slika 5.4 prikazuje graf primerjave šuma med NI 6008 in prototipom, z ojačanjem 10, pri
baterijskem signalu 1,42 V, deljenem 10-krat (124 mV) in 100-krat (12,4 mV).
Slika 5.4: Primerjava šuma pri baterijskem signalu, NI 6008 in prototip G=10
Iz slike je razvidno, da NI 6008 nekoliko bolje pretvarja enosmerni signal, vendar moramo
upoštevati, da prototip že vsebuje 10-kratno ojačanje. Brez ojačanja na prototipu, bi bil
šum teoretično 10-krat manjši (˝Prototip G=1* ˝), vendar bi AD pretvornik PIC-a omejil ta
signal na mejo ločljivosti, kot je razvidno iz predhodnje enačbe (3.11).
1,52761,632
0,1632
1,02
1,63
0,163
0,0000
0,2000
0,4000
0,6000
0,8000
1,0000
1,2000
1,4000
1,6000
1,8000
NI 6008 Prototip G=10 Prototip G=1*
Vre
dn
ost
[m
V]
DAQ modul
Primerjava šuma pri baterijskem signalu
12,4 [mV]
127 [mV]
*teoretično
+
-
p. modul
/
NI 6008
+
-
p. modul
/
NI 6008
Magistrsko delo UM FERI
48
Primerjava šuma med NI 6008 in prototipom z vsemi implementiranimi ojačanji je bila
izvedena pri kratkem stiku na vhodnih sponkah, po vezalni shemi iz slike 5.5.
Slika 5.5: Vezalna shema - kratki stik
Slika 5.6 prikazuje grafikon primerjave med šumom kratko sklenjenih vhodnih sponk na
terminalih obeh modulov. Iz slike je razvidno, da ima NI 6008 nekoliko boljši notranji šum,
vendar je potrebno pri prototipu, enako kot v prejšnjem primeru, upoštevati še faktor
ojačitve. Pri ostalih ojačitvah je vidna eksponenta rast šuma z rastjo ojačitvenega faktorja.
Slika 5.6: Primerjava šuma pri kratko sklenjenem vhodu, NI 6008 in prototip
G=10, G=100, G=1000, G=20000
Na diagramu slike 5.7 vidimo primerjavo amplitud signalov pri kratkem stiku, kadar je
kletka odprta in kadar je zaprta.
0,5132 0,8058811,61248
3,234315
13,169
0
2
4
6
8
10
12
14
NI 6008 Prototip G=10 Prototip G=100 Prototip G=1000 Prototip G=20000
Vre
dn
ost
[m
V]
Primerjava šuma pri kratko skl. vhodu
+
-
p. modul
/
NI 6008
Magistrsko delo UM FERI
49
Slika 5.7: Primerjava šuma prototipa pri odprti in zaprti kletki v kratkem stiku
5.3 Frekvenčna karakteristika
Frekvenčna karakteristika je bila izmerjena s funkcijskim generatorjem Hameg HM 8030-
4, s sinusnim signalom v frekvenčenm območju do 2 MHz. Da smo na karakterističnem
diagramu za prototip dobili napetostno vertikalno os za vsa ojačanja, smo vhodni signal
100 mV (50 mV pri G=20000) funkcijskega generatorja 1000-krat zmanjšali s pomočjo
integriranega delilnika. Pri NI 6008 to ni bilo potrebno, saj smo karakteristiko lahko izmerili
le na enem nivoju. Podatke o meritvi prikazuje sledeča tabela:
Tabela 5.1: Podatki o signalih pri določanju frekvenčnih karakteristik
generator ~ deljen ~ G=10 G=100 G=1000 G=20000 NI 6008
U [mV] 100 0,1 1 10 100 2000 100
U [mV] 50 0,05 / / / 100 /
Grafe frekvenčnih karakteristik prikazuje slika 5.8. Na njej so s krepkimi črtami označeni
grafi, karakteristični za prototipni modul, črtkan graf pa predstavlja primerjalni modul NI
USB-6008.
1,611762
6,46863
26,338
3,22441
12,86385
29,5774
0
5
10
15
20
25
30
35
G=10 G=100 G=1000 G=20000
Nap
eto
st [
mV
]
Ojačanje
Primerjava šuma pri odprti in zaprti kletki - kratki stik
Zaprta
Odprta
Magistrsko delo UM FERI
50
Slika 5.8: Primerjava frekvenčnih karakteristik
Vezalna shema za oba primera je prikazana na sliki 5.9.
Slika 5.9: Vezalna shema f-karakteristike prototipa (zgoraj) in NI 6008 (spodaj)
5.4 AC signali
V tem delu želimo prikazati kakovost prototipa v primerjavi z modulom NI 6008. S
funkcijskim generatorjem Hameg HM 8030-4 smo preko delilnika na razvojni plošči
zagotavljali moduloma ustrezni AC signal. Merjeni so bili signali sinusne oblike amplitud
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
0,1 1 10 100 1000
Nap
eto
st [
V]
Frekvenca [kHz]
Modul NI USB-6008
G=20000
G=1000
G=100
G=10
Vhod+
Vhod-
Vhod+ 91 kΩ 9.1 kΩ 910 Ω
Prototipni modul
Vhod+
Vhod-
Vhod-
NI 6008
100 Ω
Magistrsko delo UM FERI
51
10 µV, 1 mV in 100 mV pri frekvencah 50 Hz, 100 Hz, 500 Hz in 5 kHz. Za tem so
prikazani rezultati z merjenim pravokotnim signalom pri 10 µV, 100 µV in 100 mV pri
frekvencah 100 Hz in 5 kHz. V primeru ojačanja s faktorjem 20000 je zgornja frekvenčna
meja 400 Hz. Tako smo preizkusili zmožnosti NI 6008 in prototipnega modula, kateri je
ojačaval s faktorji 10, 1000 in 20000. Vezalna shema je prikazana na sliki 5.10.
Slika 5.10: Vezalna shema delilnika 1/1000 (zgoraj) in 1/10 (spodaj) za AC
meritve
5.4.1 Sinusni signal
Primerjava NI 6008 in prototipa z G=10 pri sinusnem signalu amplitude 100 mV je
prikazana na slikah 5.11, 5.12, 5.13, 5.14 in 5.15. Pri primerjavah višjih frekvenc je
časovna os skalirana za lažjo prepoznavo kvalitete signala. Pripadnost posameznih
grafov na levi in desni strani je označena z imenom levo zgoraj ob vsakem grafu.
Slika 5.11: Primerjava, sinus 100 mV 50 Hz
+
-
p. modul
/
NI 6008
+
-
p. modul
/
NI 6008
Magistrsko delo UM FERI
52
Slika 5.12: Primerjava, sinus 100 mV 100 Hz
Slika 5.13: Primerjava, sinus 100 mV 500 Hz
Slika 5.14: Primerjava, sinus 100 mV 1000 Hz
Slika 5.15: Primerjava, sinus 100 mV 5000 Hz
Magistrsko delo UM FERI
53
Iz zgoraj obravnavanih sinusnih signalov je razvidno, da prototipni modul, ob napetosti
100 mV in frekvencah do 5 kHz, daje boljše rezultate, v primerjavi z NI 6008. To je odraz
njegove višje vzorčne frekvence.
Primerjava NI 6008 in prototipa z G=1000 pri sinusnem signalu amplitude 1 mV je
prikazana na slikah 5.16, 5.17, 5.18, 5.19 in 5.20. Pri primerjavah višjih frekvenc se
časovna os skalira za lažjo prepoznavo kvalitete signala. Pripadnost posameznih grafov
na levi in desni strani je označena z imenom levo zgoraj ob vsakem grafu.
Slika 5.16: Primerjava, sinus 1 mV 50 Hz
Slika 5.17: Primerjava, sinus 1 mV 100 Hz
Slika 5.18: Primerjava, sinus 1 mV 500 Hz
Magistrsko delo UM FERI
54
Slika 5.19: Primerjava, sinus 1 mV 1000 Hz
Slika 5.20: Primerjava, sinus 1 mV 5000 Hz
Iz zgoraj obravnavanih sinusnih signalov je razvidno, da prototipni modul, ob napetosti 1
mV in frekvencah do 5 kHz, daje boljše rezultate, v primerjavi z NI 6008. To je odraz
njegove višje vzorčne frekvence.
Primerjava NI 6008 in prototipa z G=20000 pri sinusnem signalu amplitude 10 µV je
prikazana na slikah 5.21, 5.22, 5.23, 5.24 in 5.25. Pri primerjavah višjih frekvenc se
časovna os skalira za lažjo prepoznavo kvalitete signala. Pripadnost posameznih grafov
na levi in desni strani je označena z imenom levo zgoraj ob vsakem grafu.
Slika 5.21: Primerjava, sinus 10 µV 50 Hz
Magistrsko delo UM FERI
55
Slika 5.22: Primerjava, sinus 10 µV 100 Hz
Slika 5.23: Primerjava, sinus 10 µV 500 Hz
Slika 5.24: Primerjava, sinus 10 µV 1000 Hz
Slika 5.25: Primerjava, sinus 10 µV 5000 Hz
Magistrsko delo UM FERI
56
Iz zgoraj obravnavanih sinusnih signalov je razvidno, da prototipni modul, ob napetosti 1
mV, daje boljše rezultate, v primerjavi z NI 6008. Čeprav je ob frekvencah nad 1000 Hz
neuporaben.
5.4.2 Pravokotni signal
V tem poglavju prikazujemo prednosti prototipa v primerjavi z modulom NI 6008. S
funkcijskim generatorjem Hameg HM 8030-4 smo preko delilnika na razvojni plošči
zagotavljali moduloma ustrezni AC signal. Merjeni so bili signali pravokotne oblike
amplitud 100 mV, 100 µV in 10 µV pri frekvenci 100 Hz. Tako smo preizkusili zmožnosti NI
6008 in prototipa – ta je ojačeval s faktorji G=10, G=1000 in G=20000. Rezultati so
prikazani na slikah 5.26, 5.27 in 5.28.
a) b)
c) d)
Slika 5.26: Primerjava, pravokotni signal, 100 mV, 100 Hz
Iz zgornjih dveh primerjav pravokotnega signala in njunega FFT spektra je razvidno, da v
primerjavi z NI 6008, 100 mV in 100 Hz signal bolje prikazuje prototipni modul. Kljub temu,
da NI 6008 uspešno vzorči izvirni signal, vsebuje ta več motenj, kot vzorčeni signal
prototipnega modula.
Magistrsko delo UM FERI
57
a) b)
c) d)
Slika 5.27: Primerjava, pravokotni signal, 100 µV, 100 Hz
Iz zgornjih pimerjav signala in njunega FFT spektra je razvidno, da 100 µV in 100 Hz
signal uspe vzorčiti le prototipni modul z ojačitvenim faktorjem 1000. NI 6008 je tega
nezmožen, saj ima le-ta ločljivostno mejo 0,49 mV, pravtako pa je brez možnosti ojačanja.
a) b)
c) d)
Slika 5.28: Primerjava, pravokotni signal, 10 µV, 100 Hz
Magistrsko delo UM FERI
58
Kakor v prejšnjem primeru, NI 6008 ni sposoben prepoznati napetostno tako šibkih
signalov. V primeru prototipnega modula je prepoznava pri ojačanju 20000 sicer
nakazana, vendar vseeno neuporabna za nadaljno obdelavo.
5.5 Eksperimentalno testiranje
Za eksperimentalni prikaz delovanja prototipnega modula smo izvedli meritve s t.i.
mostično metodo merjenja deformacij. Dodatno je bilo izvedenih nekaj eksperimentalnih
meritev s signali različnih oblik. Izvedli smo tudi meritve s priključeno tuljavo, katera je bila
objekt inducirane napetosti, s pomočjo približevanja in oddaljevanja magneta. Nadalje
smo preizkusili funkcionalnost piezo tipala, čigar princip delovanja je pretvorba sile, ki
deluje nanj, v napetost. Preizkušali smo še reakcije zvočnika na delovanje vibracij okoli
njega in neposredno na membrano. Izvedli smo tudi preizkus s termočlenom. Za
eksperiment je bil izdelan še gradiometer za merjenje magnetnega polja.
5.5.1 Merjenje deformacij - mostič
Za merjenje deformacij se pogosto uporablja merilnik, ki je pritrjen na merjenec oz. merjen
objekt. Temu se pri deformaciji spremeni upornost, kar pa je skupaj z Wheatstonovimi
mostiči9 uporabno kot napetostno spreminjajoče se stanje, ki ga želimo. V laboratoriju
smo imeli na voljo tehtnico z merilnima lističema (aktivnim in pasivnim, kateri služi le za
temperaturno kompenzacijo), za katero upoštevamo konfiguracijo četrtinskega
Wheatstonovega mostiča. Električno shemo mostiča z merilniki prikazuje slika 5.29.
9 princip dveh paralelnih napetostnih delilnikov s 4 uporovnimi elementi enakih vrednosti
Magistrsko delo UM FERI
59
Slika 5.29: Četrtinski mostič z merilnima lističema
Zaradi pomembne lastnosti modula, da zagotavlja visoko ojačanje merjenih signalov, ga
lahko uporabljamo tudi kot zelo občutljivo metodo za merjenje deformacij. Tako slika 5.29
prikazuje elelektrično shemo vezave za primerjalni test med NI 6008 in prototipnim
modulom, kjer je U napajalna napetost mostiča (3 V), R1 in R2 fiksna upora na razvojni
plošči (100 Ω), R3 in R4 merilna lističa (120 Ω), V pa prikazuje izhodne sponke mostiča, ki
smo jih priključili na vhodni terminal obeh DAQ modulov. Tako konfigurirano aplikacijo smo
preizkusili z upogibanjem merilne konzole tako pri majhnih kot pri večjih bremenih. Slika
5.30 prikazuje merilno okolje z merilno opremo. [3]
+
-
p. modul
/
NI 6008
Magistrsko delo UM FERI
60
Slika 5.30: Merilna oprema - tehtanje
Slika 5.31a), 5.32a), 5.33a) in 5.34a) prikazujejo bremensko analizo slik 5.31b), 5.32b),
slika 5.33b) in 5.34b), katere so povprečeni signali izhoda mostiča. Točke na vseh grafih
˝a)˝ slik prikazujejo vrednost napetosti pri izbranih utežeh. Meritev je bila pri vseh grafih
˝b)˝ slik opravljena v 10 s intervalih za vsako obremenitev.
Slika 5.31: Mostič, NI 6008, 5 - 50 g
Upogibna konzola Breme
NI 6008
Prototipni
modul
Implementiran
mostič
a) b)
Magistrsko delo UM FERI
61
Slika 5.32: Mostič, prototip, 5 - 50 g
Slika 5.33: Mostič, NI 6008, 100 - 1500 g
Slika 5.34: Mostič, prototip, 100 - 1500 g
Iz obravnavanih slik 5.31 in 5.32 je razvidno, da modul NI 6008 ni primeren za merjenje in
razločevanje med majhnimi napetostnimi spremembami na nivoju µV, saj je signal pod
ločljivostno mejo modula. V nasprotju s tem, je prototip zmožen prepoznati tako nizke
napetostne spremembe že pri 100-kratnem faktorju ojačanja. Iz slik 5.33 in 5.34 je še
a) b)
a) b)
a) b)
Magistrsko delo UM FERI
62
očitneje razvidna zmogljivost in kakovost prototipnega modula v primerjavi z NI 6008, kar
je v največji meri posledica integracije ojačevalnika pred A/D pretvornik.
5.5.2 Multi formni signali
V meritvah so bili merjenini sinusni, trikotni in pravokotni signali pri frekvenci 500 Hz in 5
kHz, ki je tudi najvišja frekvenca signala, ki ga je prototip sposoben kvalitetno digitalizirati.
Vzorčna frekvenca prototipa je znašala 50 kHz, ojačanje G=10, merjen signal pa je bil
generiran s funkcijskim generatorjem Hameg HM 8030-4 napetosti 100 mV in frekvence
signala 500 Hz ter 5 kHz.
Sinusna signala in njuna frekvenčna spektra pri 5 kHz in 500 Hz sta prikazana na slikah
5.35 ter 5.36.
Slika 5.35: Sinusni signal (levo) in FFT(desno) – 5 kHz
Slika 5.36: Sinusni signal (levo) in FFT(desno) - 500 Hz
Trikotna signala in njuna frekvenčna spektra pri 5 kHz in 500 Hz sta prikazana na slikah
5.37 ter 5.38.
Magistrsko delo UM FERI
63
Slika 5.37: Trikotni signal (levo) in FFT(desno) - 5 kHz
Slika 5.38: Trikotni signal (levo) in FFT(desno) - 500 Hz
Pravokotna signala in njuna frekvenčna spektra pri 5 kHz in 500 Hz sta prikazana na
slikah 5.39 ter 5.40.
Slika 5.39: Pravokotni signal (levo) in FFT(desno) - 5 kHz
Slika 5.40: Pravokotni signal (levo) in FFT(desno) - 500 Hz
Magistrsko delo UM FERI
64
5.5.3 Tuljava
Pri drugem delu testa smo vzbujali tuljavo tako, da smo ročno daljšali in krajšali razdaljo
magneta do tuljave s frekvenco cca. 1 Hz. Ojačanje modula je bilo G=100, atenuacija
A=1. Merilno okolje je prikazano na sliki 5.41.
Slika 5.41: Merilno okolje – tuljava
Slika 5.42 prikazuje povprečeni (ojačan) signal in ustrezen frekvenčni spekter signala ob
odmikanju magneta.
Slika 5.42: Povprečeni signal odziva (levo) in FFT (desno), odmikanje
magneta od tuljave
Magistrsko delo UM FERI
65
5.5.4 Piezo
V sledečem primeru smo uporabili piezo senzor. Povzročanje fizične sile na senzorju
odraža spremembo napetosti. Ojačanje modula je bilo G=10, atenuacija A=1. Merilno
okolje je prikazano na sliki 5.43.
Slika 5.43: Merilno okolje – piezo senzor
Slika 5.44 prikazuje povprečeni (ojačan) signal in ustrezen frekvenčni spekter signala ob
povzročanju sile na piezo senzorju s pisalom.
Slika 5.44: Povprečeni signal odziva (levo) in FFT (desno), delovanje sile na
piezo senzor
Magistrsko delo UM FERI
66
5.5.5 Termočlen
V tem primeru smo uporabili termočlen, katerega občutljivo mesto smo s prsti stisnili
skupaj, da je narastla temperatura (slika 5.45). Ojačanje modula je bilo G=1000,
atenuacija A=1. Dotičnemu termočlenu lahko določimo temperaturni koeficient. Med
ustaljeno neobremenjeno (24°C) in ustaljeno obremenljeno vrednostjo (34°C) je 10°C
izmerjene razlike s termometrom, kar se izrazi z napetostjo na termočlenu, kot kaže
enačba (5.1):
500 / 0,05 μV/°C
1000 10
Mt
U mVU T
G T
(5.1)
kjer je:
Ut – napetost termočlena (V),
UM – napetostna sprememba modula (V),
G – ojačanje modula,
T – temperatura (°C)
Slika 5.45: Merilno okolje – termočlen
Magistrsko delo UM FERI
67
Slika 5.46 prikazuje povprečeni, ojačan in direkten signal termočlena, pri stisku (34°C) ter
povzročanju stiskanja in spuščanja občutljivega mesta termočlena s prsti.
Slika 5.46: Povprečeni signal odziva, termočlen
5.5.6 Gradiometer
Gradiometer je orodje za merjenje šibkih magnetnih polj. Uporablja se predvsem v
(superconducting quantum interference device – SQUID) sistemih, za najbolj občutljiva
merjenja magnetnih polj. Poznamo aksialne in planarne gradiometre. Prvi je zgrajen iz
para magnetometrov (oz. zank), postavljenih zaporedno (običajno en nad drugim). Na
sponkah dobimo napetostno razliko spremembe magnetnega fluksa, ki se pojavi z
spremembo magnetnega polja skozi tuljavo. Druga izvedba je planarna oz. površinska,
kjer sta magnetometra postavljena drug ob drugem. Na sponkah dobimo napetostno
razliko spremembe magnetnega fluksa med dvema zankama. Vsaka izvedba senzorja
služi svojemu namenu merjenja magnetnega polja. Princip obeh izvedb kaže slika 5.47.
Slika 5.47: Tipi gradiometrov [31]
Magistrsko delo UM FERI
68
Slika 5.47 prikazuje: a) simetralni gradiometer 1. reda – zadovoljivo izničevanje motenj in
občutljivost na okoliške vire magnetnega polja b) gradiometer 2. reda – boljše delovanje
kar se tiče manjšega šuma, vendar mora biti merjenev dovolj blizu za zagotovitev dobre
občutljivosti gradiometra. c) asimetrični gradiometer – dobra občutljivost na lokalne
signale z zadovoljivim izničevanjem šuma. d) koncentrični gradiometer - dobra občutljivost
na lokalne signale z zadovoljivim izničevanjem šuma. e) površinski gradiometer – odlična
prostorska ločljivost. Vzajemen set dveh površinskih tuljav, spojenih nasprotno rotirajoče
za 90° zagotavlja zmožnost lociranja prostorskih dejavnosti. [18, 31]
Za nazoren prikaz možnosti uporabe modula, smo se odločili za izdelavo aksialnega
gradiometra 2. reda, kot kaže slika 5.48. Kot omenjeno, ta izvedba dobro izničuje motnje,
vendar pa mora biti merjen objekt dovolj blizu za dobro zaznavo magnetnega polja.
Slika 5.48: Gradiometer 2. reda
Za izdelavo eksperimentalnega senzorja je bil uporabljen koaksialen dvo-žilni kabel,
spojen s tuljavo na plastičnem vložku. Tuljava je bila ovita po principu iz slike 5.48, po
dimenzijskih okvirih pridobljenih iz literature. Ti v našem primeru znašajo Ø15 mm in širine
1 cm. Tako izdelan senzor prikazuje slika 5.49.
U
Magistrsko delo UM FERI
69
Slika 5.49: Gradiometer - 15 mm
Test gradiometra je bil izveden s sklopom iz dveh CD plošč, postavljenih v vertikalno os.
Na ploščah so bili nameščeni supermagneti tako, da je bilo med njima odbojno magnetno
polje – lebdenje sekundarnega CD-ja (zgoraj) nad primarnim (spodaj). Ob ročnem zagonu
se sekundarna plošča vrti nad primarno, na katero ima največji vpliv zaviralna sila zraka
ob supermagnete. Meritev je bila opravljena z gradiometrom Ø15 mm, na fiksni razdalji
cca. 10 mm, ojačanjem modula G=20000 in atenuacijo A=1. Merilno okolje je prikazano
na sliki 5.50.
Magistrsko delo UM FERI
70
Slika 5.50: Merilno okolje - CD s supermagneti, gradiometer Ø15 mm
Slika 5.51 prikazuje povprečeni (ojačan) signal in ustrezen frekvenčni spekter signala, ob
vrtečem se magnetnem polju.
Slika 5.51: Povprečeni signal odziva in FFT, CD-supermagneti, gradiometer
Ø15 mm
Magistrsko delo UM FERI
71
6 PROTOTIPNO OHIŠJE
Razvojna faza je, kot je bilo poudarjeno že v poglavju o EMC, tudi pri konstruiranju
izdelkov ključna faza celotne proizvodnje nekega izdelka oz. polizdelka. Preden
funkcionalen model nastane, je v prvem koraku razvoja pomembna ideja. Idejni razvoj
izdelka se običajno običajno začne z metodo brain-storming-a, kar pomeni, da ekipa
inženirjev in/ali strokovnjakov različnih strok začne svoje ideje in poglede na končni
izdelek predstavljati drug drugemu. Cilj te dejavnosti je odločitev končne ideje o izdelku, ki
je potrebna za začetek razvoja. Izkazalo se je, da je običajno le ena izmed dvajsetihih idej
zares dobra. Takšne ideje slonijo na potrebah ciljnih skupin uporabnikov (estetiki,
ergonomiji, rokovanju, kvaliteti, vzdržljivosti, ipd.), okoljevarstvu, logistiki, proizvodnosti,
montaži, sestavljivosti in razstavljivosti, zanesljivosti, vzdrževalnosti ter cenovni
dostopnosti končnemu uporabniku. Od definirane ideje razvoj vodi v proces konstruiranja,
v katerem na podlagi podanih zahtev in abstrakcije problema najdemo funkcionalno,
ekonomično tako za izdelavo kot uporabo, varno, ekološko, zanesljivo ter za izdelavo
tehnološko primerno tehnično rešitev. [5]
Pri izdelavi prototipa ohišja smo se omejili na material iz umetnih mas – plastiko, zaradi
možnostih estetskega izgleda, lahkosti, predvidene cenejše večje-serijske proizvodnje,
izolacijskih in korozivnih lastnosti, primernosti recikliranja...
6.1 Konstruiranje
Tiskanina modula s kovinsko kletko ima obliko, za katero lahko izoblikujemo nekaj
variantnih rešitev ohišja. Tiskanina s kovinsko kletko nam predstavlja izziv predvsem
glede dostopnosti stikalnih segmentov na vrhu, dvojnih merilnih terminalov in lege baterij,
kot kaže slika 6.1a) z zadnje in 6.1b) s sprednje strani.
Magistrsko delo UM FERI
72
Slika 6.1: Merilni modul a) iz zadnje strani in b) s sprednje strani s pokončno in
ležečo baterijo
Glede na mere fizičnega modula s kletko, smo s pomočjo CAD programa SolidWorks™,
konstruirali modele ohišij. To je dovršen program za konstruiranje delov in sestavov s
širokim naborom orodij za risanje, analizo konstrukcij, stroškovnim orodjem, orodjem za
upodabljanje, orodij za različne simulacijo in animacije.
Z namenom zagotavljanja lahkega sestavljanja in
razstavljanja ohišja, smo izbrali spojno zvezo zaskočnih
peres, katera je prikazana na sliki 6.2. Pri konstruiranju
zaskočnih peres je bilo upoštevano priporočilo konstrukcijske
enačbe (6.1) [5]:
a)
b)
Slika 6.2: Zaskočno
pero [11]
Magistrsko delo UM FERI
73
20,02 /y L t (6.1)
kjer je:
y – nadmera zaskočnega peresa (mm),
L – dolžina zaskočnega peresa od izhodišča do nadmere (mm),
t – širina zaskočnega peresa pri izhodišču (mm)
Zaradi vzdržnosti in kompaktnosti ohišja pri rokovanju ter odlaganju, debelina sten
posameznih delov znaša 2 mm, razen v primerih napisov in zaskočnih zvez, kjer brez teh
znaša 1,2 mm.
6.1.1 CAD model 1. variantne rešitve
Na sliki 6.3a) je prikazan sestav variantne rešitve ohišja z zadnje strani in na sliki 6.3b) s
sprednje strani. Poleg spodnjega baznega dela ohišja, sestav vsebuje zgornji poklop, ki
omogoča vstavljanje tiskanine. Spoj teh je zasnovan z zaskočnimi peresi. Za dostop do
posameznih stikalnih elementov vezja, sta na zgornjem poklopu 2 drsna poklopca in
poklopec za baterijski prostor z zaskočnimi peresi. Bateriji sta postavljeni pokončno, kot je
bilo prikazano na sliki 6.1. Na zadnji strani ohišja so odprtine za LED indikator, priključni
USB kabel ter zračna odprtina za senzor okoliške temperature. Na levi in desni strani
modela so vidne odprtine za zaskočna peresa, ki omogočajo zapiranje in odpiranje ohišja.
Magistrsko delo UM FERI
74
Slika 6.3: Model 1. variante ohišja
Slika 6.4a) prikazuje način zapiranja poklopcev za stikalne elemente (odpiranje v obratni
smeri) ter oprijemne vdolbine za lažje odpiranje s prsti. Slika 6.4b) prereza ohišja
prikazuje zaskočno zvezo teh poklopcev. Slika 6.4c) prereza ohišja prikazuje poklopec
baterijskega prostora. Na njej zgoraj je označeno vodilo ter oprijemni relief za odpiranje
poklopca, na desni je označena 1/3 zatikalnih zvez na poklopcu, na levi odprtina za
fiksacijo baterijskih vodnikov pri zapiranju ohišja (realizirano tudi pri 3. varianti), v sredini
pa eno izmed distančnih reber v baterijskem prostoru, namenjeno za fiksacijo baterij.
Zraven rebre je na tej sliki označena tudi zaskočna zveza med spodnjim in zgornjim
delom ohišja.
a)
b)
Magistrsko delo UM FERI
75
Slika 6.4: Podrobnosti modela 1. variante ohišja
6.1.2 CAD model 2. variantne rešitve
Na sliki 6.5a) je prikazan sestav variantne rešitve ohišja z zadnje strani, na sliki 6.5b) pa s
sprednje strani. Poleg spodnjega baznega dela ohišja, sestav vsebuje zgornji, ki omogoča
vstavljanje tiskanine in baterij. Ta spoj je zasnovan z zaskočnimi peresi. Za dostop do
stikalnih elementov vezja, je na zgornjem poklopu ohišja predviden drsni poklopec za oba
kanala modula. Bateriji sta postavljeni pokončno, kot je bilo prikazano na sliki 6.1. Na
a) b)
c)
Magistrsko delo UM FERI
76
zadnji strani ohišja so, na enak način kot pri 1. variantni rešitvi, postavljene odprtine za
LED indikator, priključni USB kabel ter zračna odprtina za senzor okoliške temperature.
Na levi in desni strani modela so vidne odprtine za zaskočna peresa, ki omogočajo
odpiranje in zapiranje ohišja.
Slika 6.5: Model 2. variante ohišja
Slika 6.6a) prikazuje poklopec za dostop do stikalnih elementov obeh kanalov hkrati. Na
njej je označeno območje oprijemnega reliefa za lažje odpiranje s prsti. Označeno je tudi
vodilo za drsno zvezo med zgornjim delom ohišja in poklopcem. Označeno polje na desni
strani slike 6.6b) prikazuje zaskočno zvezo med poklopcem in zgornjim delom ohišja,
polje v sredini pa zaskočno zvezo med spodnjim in zgornjim delom ohišja. Puščica
označuje potek vstavitve poklopca iz trenutne lege, kotirnica pa označuje zamaknjeno
odprtino zgornjega dela ohišja, zaradi dostopnosti do vijačnih sponk na terminalu modula
(zasnovano na vseh variantah).
a)
b)
Magistrsko delo UM FERI
77
Slika 6.6: Podrobnosti modela 2. variante ohišja
6.1.3 CAD model 3. variantne rešitve
Na sliki 6.7a) je prikazan sestav variantne rešitve ohišja z zadnje strani, na sliki 6.7b) pa s
sprednje strani. Poleg spodnjega baznega dela ohišja sestav vsebuje zgornji poklop, ki
omogoča vstavljanje tiskaninne in baterij. Ta spoj je zasnovan z zaskočnimi peresi. Za
dostop do stikalnih elementov vezja, je na zgornjem poklopu ohišja postavljen tečajast
poklopec, za oba kanala modula. Bateriji sta postavljeni ležeče, kot je bilo prikazano na
a)
b)
Magistrsko delo UM FERI
78
sliki 6.1. Na zadnji strani ohišja, so na enak način kot pri prejšnjih variantnih rešitvah,
postavljene odprtine za LED indikator, priključni USB kabel ter zračna odprtina za senzor
okoliške temperature. Na levi in desni strani modela so vidne odprtine za zasočne ročice,
ki omogočajo zapiranje in odpiranje ohišja.
Slika 6.7: Model 3. variante ohišja
Slika 6.8a) prikazuje poklopec za hkraten dostop do obeh stikalnih elementov modula. Na
njej je, na levi strani označena zaskočna spojna zveza za ročno odpiranje med poklopcem
in zgornjim delom ohišja. Na desni strani iste slike je označena tečajasta zveza med
omenjenima deloma ohišja. Napis na vrhu poklopca je estetske narave. Slika 6.8b)
prikazuje zgornji del ohišja z poklopcem, kjer je v sredini označena zaskočna zveza med
deloma. Ostale robne označbe na tej sliki prikazujejo distančne forme do tiskanine s
kletko (spodnji dve označbi) in do baterij (zgornji dve označbi). Zgornja ploskev ohišja je
pri tej variantni rešitvi namreč poravnana z ravnino zgornje točke izbočenih stikalnih
elementov na modulu, kot je bilo prikazano na sliki 6.1.
a)
b)
Magistrsko delo UM FERI
79
Slika 6.8: Podrobnosti modela 3. variante ohišja
Pri konstruiranju moramo upoštevati tudi sestavljivost samega produkta. Združevanje
posameznih delov je priporočljivo, kadar so deli iz enakega materiala, kadar združitvev
delov ne bo otežila ali onemogočila sestave ali razstavljanja, kadar med deli ni potrebna
električna ali termična izolacija in kadar ni predvideno relativno gibanje delov med seboj.
a)
b)
Magistrsko delo UM FERI
80
Priporočjiva je konstrukcija z manjšim številom sestavnih delov, po možnosti standardnih
sestavnih delov, težnja k simetričnim oblikam, razpoznava pravilne orientacije, predvidena
vodila ter dovolj prostora za montažo. Nezaželeni pa so zelo majhni deli [5]. Ker gre pri
prototipnem modulu predvsem za laboratorijski pripomoček, je zaželjeno čim
enostavnejše sestavljanje in rokovanje z njim. Zaradi zaskočnih spojnih zvez med deli je
sestavljanje enostavnejše in hitrejše, saj ni potrebe po dodatnem orodju, npr. izvijaču.
Posamezne variantne rešitve lahko analiziramo glede na rokovanje z njimi [5]. Kriteriji
analize rokovanja so prikazani na sliki 6.9.
Magistrsko delo UM FERI
81
Slika 6.9: Analiza rokovanja pri sestavljanju [5]
Glede na zgornje kriterije lahko izračunamo indeks rokovanja z modeli, ki se giblje med 1
(najboljše) in 6,9 (najslabše). Indeks rokovanja za modele predstavljenih variantnih rešitev
znaša 1,2, kar je zelo dobro.
Ohišje, narejeno iz plastičnega materiala, omogoča recikliranje.
Pakirne in logistične možnosti so pri vseh treh variantnih rešitvah široke, upoštevajoč
prikazane projekcije ohišij na sliki 6.10.
Simulacijska masa posameznih variantnih rešitev (odvisna od programske izbire
materiala) znaša 79,06 enot za 1. varianto, 65,71 enot za 2. varianto in 68,81 enot za 3.
variantno rešitev prototipnega ohišja.
Magistrsko delo UM FERI
82
Slika 6.10: Projekcije vseh treh variant ohišij
6.2 Hitra izdelava prototipov RPT
V primerjavi s konvencionalnimi postopki izdelave izdelkov iz umetnih mas (odrezovanje,
žična erozija, brizganja, vlek,…), lahko za fizično izdelavo, tako prototipov kot končnih
produktov, uporabimo tehnologije hitre izdelave prototipov RPT. Danes se na tem
področju uveljavljajo t.i. 3D tiskalniki, ki material nanašajo ali drugače preoblikujejo 2-
dimenzionalno oz. ravninsko. S pomočjo transportnega podstavka, ki se premika po tretji
vertikalni dimenziji pa se slojevito izoblikuje 3D model.
Za izdelavo prototipa smo izbrali tehnološko aktualno tehnologijo – 3D tisk z metodo SLS
(selektivno lasersko sintranje). S tem bi lahko eliminirali stroške pri kasnejši pripravi
proizvodnih orodij za npr. brizganje pri večji serijski proizvodnji. Prednost uporabe RPT pa
je tudi v relativno hitri relaciji med CAD in fizičnim modelom.
1. varianta 2. varianta
3. varianta
Magistrsko delo UM FERI
83
SLS tehnologija (običajen princip
prikazan na sliki 6.11) je način
izdelave trdnih materialov z načinom
laserskega taljenja prahu določenega
materiala, ki se ob tem sprime in strdi.
Tako se plast za plastjo formira
prostorski model. Zaradi principa
slojevite izgradnje fizičnega modela, je
potrebno CAD model temu primerno
pretvoriti. To se stori s pripravo *.stl
datotek, ki jo programska oprema RPT
naprave uporabi pri določitvi potrebnih
parametrov [17].
Na področju RPT poznamo še druge metode, ki prav tako temeljijo na slojeviti tehnologiji
s tehnikami spajanja, taljenja, strjevanja, rezanja in lepljenja. Razširjene so npr. SLA
(stereolitografija – izdelava po principu plastovitega strjevanja tekočega fotopolimera pod
vplivom laserskih žarkov ali ultravijolične svetlobe), prikazana na sliki 6.12.
Slika 6.12: SLA [24]
FDM (nanašanje taljenega materiala v plasteh) prototipna tehnologija je prikazana na sliki
6.13.
Laser
Skener
Izdelek
Tekoča zmes
Obdelovalni transporter
Obdel. prah
Dozator Laser
Obdel. prostor
Izdelek
Skener
Dozirni transporter Obdel. transporter
Slika 6.11: SLS [23]
Magistrsko delo UM FERI
84
Slika 6.13: FDM [21]
LOM (lasersko ali fizično odrezovanje lepljive plastične ali kovinske folije, zlepljene po
plasteh) prototipna tehnologija je prikazana na sliki 6.14.
Slika 6.14: LOM [22]
Izbira posamezne metode RPT je odvisna od podatkovnih zahtev (debelina sloja –
ločljivost stroja), materialov (papir, smola, najlon, vosek, ABS, kovine, keramika, ipd. v
obliki laminata, žice, prahu ali tekočine) in narave aplikacije (vesoljska, letalska,
avtomobilska, biomedicinska, industrijski izdelki, itd. za namene inženirskih analiz,
oblikovanja ali orodjarstva) [5].
Magistrsko delo UM FERI
85
6.3 Prototip
Z RPT strojem za lasersko sintranje EOS Formiga P110 je bila za tiskanino s kletko
izdelana 2. variantna rešitev modela ohišja. Ohišje z vstavljeno elektroniko in baterijami je
prikazano na sliki 6.15.
Slika 6.15: Prototip ohišja in modula
Za končno verzijo ohišja bi bile potrebne še nekatere spremembe in izboljšave, predvsem
pri zaskočnih zvezah spodnjega in zgornjega dela (50 % večje dimenzije in nadmere),
prostornejši baterijski prostor (prostor za vodnike), debelejše stene vodil pri poklopcu za
stikalne elemente in dodatne pol-zaskočne zveze zgornjega in spodnjega dela ohišja na
relaciji med priključnima terminaloma tiskanine.
Magistrsko delo UM FERI
86
7 SKLEP
To magistrsko delo, v okviru elektrotehniškega dela, predstavlja izboljšave pri zajemanju
napetostnih signalov z dodatno vgrajenimi instrumentacijskimi ojačevalniki v strojni modul
ter primerjavo le tega z NI USB-6008 modulom, ki ojačevalnika nima. Pri načrtovanju tega
prototipnega modula smo upoštevali EMC priporočila. Eksperimentalno je bilo načrtovano
vezje, izdelan je bil prototip DAQ strojnega modula, sprogramiran je bil GUI in narejene so
bile primerjalne meritve z modulom NI USB-6008. Izboljšave so bile dosežene predvsem z
dodatnim instrumentacijskim ojačevalnikom, implementiranim pred A/D pretvornikom.
Prednost ojačevalnega DAQ prototipnega modula je v nastavljivem faktorju ojačanju od
10 do 20000, možnosti atenuacije, baterijskem napajanju ojačevalnikov in kovinskem
oklopu modula, ki ščiti pred zunanjimi vplivi. Odlika prototipa je tudi merjenje napetosti
napajalnih baterij ter merjenje okoliške temperature, dva ojačevalna kanala pa omogočata
ločeno delovanje in nastavitev referenčne napetosti. Iz rezultatov, predvsem v poglavju
5.4, je razvidno, da prototipni modul pri zelo šibkih napetostih (10 µV) in ojačanju 20000
ne zmore rezultirati kokovostnega signala. Pri tem verjetno ni toliko sporna kakovost ali
natančnost samega modula, pač pa lahko razloge iščemo v vhodnem signalu. Vir
vhodnega signala (funkcijski generator Hameg HM 8030-4) verjetno ob najmanjši možni
nastavitvi amplitude generira popačen signal, ob upoštevanju, da se ta signal še dodatno
kvari z deljenjem le-tega preko robustnega napetostnega delilnika na razvojni ploščici.
Slabost prototipnega DAQ modula je v majhnem številu analognih vhodov, v primerjavi z
drugimi moduli, ki jih imajo več. Slabost modula je tudi v relativno hitrem praznjenju
baterij. Z večplastno tehnologijo izdelave PCB bi se ponudila priložnost po minimiziranju in
izboljšanju kvalitete signala. Tudi INA128 ne sodi več med najnovejše čipe, tako da bi
lahko uporabili boljši instrumentacijski ojačevalnik. Možnosti optimizacije so tudi v izbiri
natančnejšega A/D pretvornika, z večjim bitnim številom oziroma boljšega mikrokrmilnika
z širšim napetostnim območjem. Prav tako obstaja možnost digitalizacije stikalnega
segmenta. Obstaja tudi termični šum na vhodu zaradi delilniških uporov.
Področja uporabe so merjenje šibkih magnetnih polj, merjenje raztezkov, stiskov in
upogibov v strojništvu in gradbeništvu, pri raznih preizkušanjih v elektrotehniki in medicini,
Magistrsko delo UM FERI
87
kjer je potreba po meritvah zelo majhnih signalov z nizko cenovno opremo, z običajno 12-
bitno AD pretvorbo.
V okviru razvoja in izdelave prototipnega ohišja modula so bili zasnovani CAD modeli treh
variantnih rešitev ohišij ter izdelan fizični model z RPT - SLS tehnologijo izdelave iz
umetnih mas. Z upoštevanjem uporabe prototipnega modula za laboratorijske namene
smo se, tako teoretično kot za fizično izdelavo, opredelili za 2. variantno rešitev modela
ohišja. Razlogi so minimalno število delov, enotni poklopec za oba kanala, ergonomična
oblika za prenašanje in rokovanje, dober indeks rokovanja, količina materiala za izdelavo
primerka (glede na maso modela) ter površinske dimenzije.
Magistrsko delo UM FERI
88
VIRI
Knjižnji
1 AFSC Design Handbook 1-4: Electromagnetic Compatibility, fourth edition, revision 1.
Department of the Air Force, 1991.
2 AN1001, IC temperature sensor accuracy compensation with a PICmicro
Microcontroller, specifikacijski list, Microchip, 2005
3 Bergelj F. Meritve 2. del. Ljubljana: Fakulteta za elektrotehniko, 2005
4 Dash, G., and Straus, I. Designing for Compliance, Part 3: Shielding the Case.
Compliance Engineering Magazine, 1994, Reference Guide.
5 Dolsak B., Novak M. Konstruiranje za proizvodnjo: gradivo za predavanja. Maribor:
Fakulteta za strojništvo, 2008
6 Goedbloed J. Electromagnetic Compatibility, UK: Prentice Hall, 1992
7 Burr-Brown – TI. INA128 INA129 Precision, low power instrumentation amplifiers,
specifikacijski list, revizija februar 2005
8 Jug, D. Uporovne mostične metode in njihova priključitev na DAQ NI USB 6008:
diplomsko delo. Maribor: Fakulteta za elektrotehniko računalništvo in informatiko
Univerze v Mariboru, 2010
9 Kaiser Kenneth. L. Electromagnetic compatibility handbook. Florida: CRC Press, 2005
10 Keiser, B. Principles of Electromagnetic Compatibility, 3rd edition. US Norwood, MA:
Artech House, 1983
11 Maszewski A. ATI 1119: Snap Joints and springs in Plastics, Leverkusen: Bayer, 2000
12 Microchip. MCP9701A Low-power linear active thermistor ICs, specifikacijski list, 2009
13 Michielsen, B. L. A new approach to electromagnetic shielding: Proc. Int. Symp. on
EMC 509-14. Zurich, 1985
Magistrsko delo UM FERI
89
14 TE Connectivity. Mini USB R/A SMT B TYPE, specifikacijski list, revizija C, 2011
15 Burr-Brown. OPA177 Precision operational amplifiers, specifikacijski list, 1997
16 Microchip. PIC18F47J53 Family data sheet, specifikacijski list, 2010
17 Valentan B. Razvoj modela za oceno zahtevnosti oblike izdelka in uporabo v slojevitih
tehnologijah: doktorska disertacija. Maribor: Fakulteta za strojništvo Univerze v
Mariboru, 2010
18 Weinstock H. SQUID sensors : fundamentals, fabrication, and applications. Boston:
Kluwer Academic Publishers, 1996; dostopno na spletni knjižnjici Google Books
(20.12.2013)
19 White, D.R.J. EMI Control in the Design of Printed Circuit Boards and Backplanes.
Don White Consultants, Inc., 1982
Internetni
20 http://en.wikipedia.org/wiki/Decoupling_capacitor (2.12.2013)
21 http://en.wikipedia.org/wiki/Fused_deposition_modeling (20.1.14)
22 http://en.wikipedia.org/wiki/Laminated_object_manufacturing (20.1.14)
23 http://en.wikipedia.org/wiki/Selective_laser_sintering (20.1.14)
24 http://en.wikipedia.org/wiki/Stereolithography (20.1.14)
25 http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/sl/nid/201986 (20.12.2013)
26 http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/sl/nid/201986 (3.12.2013)
27 http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/sl/nid/201987 (20.12.2013)
28 http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/sl/nid/210929 (20.12.2013)
29 http://sine.ni.com/np/app/main/p/ap/daq/lang/sl/pg/1/sn/n17:daq/fmid/652/
(11.12.2013)
30 http://sine.ni.com/np/app/main/p/ap/daq/lang/sl/pg/1/sn/n17:daq/fmid/652 (2.12.2013)
31 http://tristantech.com/general-nde (3.12.2013)
32 http://www.ni.com/white-paper/14620/en/ (20.12.2013)
33 http://www.mccdaq.com/products/dbk18.htm (14.12.13)
Priloga A
Priloga B
I Z J A V A O A V T O R S T V U
Spodaj podpisani/-a David Jug
z vpisno številko M5000050
sem avtor/-ica magistrskega dela z naslovom: Visoko kakovostni ojačevalni merilni
USB modul
(naslov magistrskega dela)
S svojim podpisom zagotavljam, da:
sem magistrsko delo izdelal/-a samostojno pod mentorstvom (naziv, ime in priimek)
izr. prof. dr. MATKO VOJKO, univ. dipl. inž. el.
izr. prof. dr. Bojan DOLŠAK, univ. dipl. inž. str.
in somentorstvom (naziv, ime in priimek)
doc. dr. HERCOG DARKO, univ.dipl.inž. el.
so elektronska oblika magistrskega dela, naslov (slov., angl.), povzetek (slov., angl.) ter ključne besede (slov., angl.) identični s tiskano obliko magistrskega dela.
soglašam z javno objavo elektronske oblike magistrskega dela v DKUM.
IZJAVA O USTREZNOSTI ZAKLJUČNEGA DELA
Podpisani mentor :
Vojko Matko_____________________________________________
(ime in priimek mentorja)
in somentor (eden ali več, če obstajata):
Darko Hercog_____________________________________________
(ime in priimek somentorja)
Izjavljam (-va), da je študent
Ime in priimek: David Jug_________________________________
Št. indeksa: M5000050____________________________________
Na programu: Mehatronika__________________________________
izdelal zaključno delo z naslovom:
Visoko kakovostni ojačevalni merilni modul USB
High-quality USB measuring amplified module
(naslov zaključnega dela v slovenskem in angleškem jeziku)
v skladu z odobreno temo zaključnega dela, Navodilih o pripravi zaključnih del in mojimi (najinimi oziroma našimi) navodili. Preveril (-a, -i) in pregledal (-a, -i) sem (sva, smo) poročilo o plagiatorstvu.
IZJAVA O USTREZNOSTI MAGISTRSKEGA DELA Spodaj podpisani/-a Bojan Dolšak izjavljam, da je
(ime in priimek mentorja/-ice)
študent David Jug izdelal magistrsko
(ime in priimek študenta/-ke) delo z naslovom: Visoko kakovostni ojačevalni merilni USB modul (naslov magistrskega dela)
v skladu z odobreno temo magistrskega dela, Navodili za pisanje magistrskih del na študijskih programih 2. stopnje UM FERI in mojimi navodili.
IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV
Ime in priimek avtorja-ice: David Jug
Vpisna številka: M5000050
Študijski program: Mehatronika
Naslov zaključnega dela: Visoko kakovostni ojačevalni merilni USB modul
Mentor: Vojko Matko, Bojan Dolšak
Somentor: Darko Hercog
Podpisani-a David Jug izjavljam, da sem za potrebe arhiviranja oddal elektronsko verzijo zaključnega dela v Digitalno knjižnico Univerze v Mariboru. Zaključno delo sem izdelal-a sam-a ob pomoči mentorja. V skladu s 1. odstavkom 21. člena Zakona o avtorskih in sorodnih pravicah dovoljujem, da se zgoraj navedeno zaključno delo objavi na portalu Digitalne knjižnice Univerze v Mariboru. Tiskana verzija zaključnega dela je istovetna z elektronsko verzijo elektronski verziji, ki sem jo oddal za objavo v Digitalno knjižnico Univerze v Mariboru.
Zaključno delo zaradi zagotavljanja konkurenčne prednosti, varstva industrijske lastnine ali tajnosti podatkov naročnika: ne sme biti javno dostopno do (datum odloga javne objave ne sme biti daljši kot 3 leta od zagovora dela).
Podpisani izjavljam, da dovoljujem objavo osebnih podatkov, vezanih na zaključek študija (ime, priimek, leto in kraj rojstva, datum zaključka študija, naslov zaključnega dela), na spletnih straneh in v publikacijah UM.