Visoko kakovostni ojačevalni merilni modul USB · II High-quality USB measuring amplified module...

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


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



6.2 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.


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


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.


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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.


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


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


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


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


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


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.


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]


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]


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


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


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.


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


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)


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«


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)


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]


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


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


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]


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.


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:


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


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


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


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


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


41

Slika 3.16: Tiskanina - komunikacijski segment

PIC

Oscilator Napetostni regulator

USB LED


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


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)


44

Slika 4.1: GUI – čelna plošča


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


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


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


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


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


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


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


52






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.





54



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


55






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.


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


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


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


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)


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)


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.


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


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


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


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


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]


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


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.


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


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.


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]


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.


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)


75

Slika 6.4: Podrobnosti modela 1. variante ohišja


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)


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 6.6a) 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)


77



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)


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 6.8a) 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)


79


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)


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.


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.


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


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]


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].


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.


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,


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.


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


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)




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)

http://en.wikipedia.org/wiki/Decoupling_capacitor

http://en.wikipedia.org/wiki/Fused_deposition_modeling

http://en.wikipedia.org/wiki/Laminated_object_manufacturing

http://en.wikipedia.org/wiki/Selective_laser_sintering

http://en.wikipedia.org/wiki/Stereolithography

http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/sl/nid/201986




http://sine.ni.com/np/app/main/p/ap/daq/lang/sl/pg/1/sn/n17:daq/fmid/652/

http://sine.ni.com/np/app/main/p/ap/daq/lang/sl/pg/1/sn/n17:daq/fmid/652

http://tristantech.com/general-nde

http://www.ni.com/white-paper/14620/en/

http://www.mccdaq.com/products/dbk18.htm

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:


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.

Visoko kakovostni ojačevalni merilni modul USB · II High-quality USB measuring amplified module...

Documents

Transcript of Visoko kakovostni ojačevalni merilni modul USB · II High-quality USB measuring amplified module...