센서 신호 컨디셔닝: 원시 측정에서 정확한 판독까지
센서와 마이크로컨트롤러 간의 증폭기, 필터 및 ADC 인터페이스를 설계하는 방법.RTD, 써모커플, 로드 셀, 전류 션트 및 4-20mA 루프를 다룹니다.
시그널 컨디셔닝이란?
센서는 마이크로컨트롤러 ADC 입력과 호환되지 않는 작거나 잡음이 많거나 비선형적인 신호를 생성합니다.신호 컨디셔닝은 이러한 신호를 디지털화가 가능한 깨끗하고 스케일링된 전압으로 변환하는 아날로그 프론트엔드입니다.
신호 체인: 센서 → 자극 → 증폭 → 필터링 → ADC
각 단계마다 오류가 발생합니다.[센서 정확도 예산 계산기] (/계산기/센서/센서-정확도-예산) 를 사용하여 체인 전체에서 전체 시스템 정확도를 추적할 수 있습니다.
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RTD 시그널 컨디셔닝 (PT100/PT1000)
RTD (저항 온도 감지기) 는 온도에 따라 저항을 변화시킵니다.PT100 모델은 캘린더-밴 듀센 방정식을 따릅니다.
“매스블록_0"
여기서 “MATHINLINE_10"/°C, “MATHINLINE_11"/°C²입니다.
[PT100 저항 계산기] (/계산기/센서/pt100-저항) 를 사용하여 모든 온도에서 R을 구할 수 있습니다.
측정 회로
일반적인 접근 방식은 RTD를 통한 정전류 소스로 전압을 측정하는 것입니다.
“매스블록_1”
3선 연결은 RTD 양단의 전압 강하를 전류 전달 리드 저항과 별도로 측정하여 리드 저항 오류를 제거합니다. 4선 (켈빈) 연결은 모든 리드 저항을 제거하여 정밀 전류 소스로 0.01°C 정확도를 달성합니다.주요 고려 사항
- 자체 발열: 자극 전류가 너무 많으면 RTD가 가열됩니다.“MATHINLINE_12"mW를 유지하십시오.
- 저잡음 계측 증폭기 (INA128, AD8221) 를 사용하십시오.
- PT1000 은 배터리 구동식 설계에 적합합니다 (저항이 높으면 구동 전류가 작음).
써모커플 신호 컨디셔닝
써모커플은 고온 접합부와 저온 접합 사이의 온도 차이에 비례하여 매우 작은 EMF (마이크로볼트 ~ 밀리볼트) 를 생성합니다.
“MATHBLOCK_2"
여기서 “MATHINLINE_13"은 제벡 계수 (타입 K: ~41μV/°C) 입니다.
[써모커플 전압 계산기] (/계산기/센서/써모커플-전압) 를 사용하여 예상 EMF를 구하십시오.
냉접점 보상
콜드 접합부는 써모커플 와이어가 PCB에 연결되는 곳입니다.온도를 측정하고 (일반적으로 PCB의 NTC 또는 RTD를 사용하여) 측정값에 추가해야 합니다.
MAX31855 (타입 K) 또는 LTC2986 같은통합 IC는 증폭, 냉접점 보상 및 선형화를 내부적으로 처리합니다.사용하지 않을 이유가 없는 한 이 제품을 사용하세요.
개별 디자인에는 다음이 필요합니다. 1. 정밀 계측 증폭기를 통한 ~10mV/°C 게인 2.냉접점 보상을 위한 별도의 온도 센서 3.펌웨어의 선형화 룩업 테이블 또는 다항식---
로드셀/스트레인 게이지 신호 컨디셔닝
로드셀은 스트레인 게이지의 휘트스톤 브리지입니다.전체 출력은 일반적으로 1~3mV/V의 자극입니다.
“매스블록_3"
5V 자극과 2mV/V 감도를 지원하는 풀 스케일 = 10mV — 작으며 소음에 묻혀 있습니다.
[로드셀 증폭기 계산기] (/계산기/센서/로드셀-증폭기) 를 사용하여 필요한 게인을 구하십시오.
앰프 선택
INA125P/INA128은 전형적인 선택입니다.INA125 에는 자극을 위한 정밀 전압 레퍼런스가 포함되어 있습니다.- 외부 저항기 “MATHINLINE_14" 1개로 게인 설정
- RTI 노이즈: 일반적으로 약 8nV/√Hz — 24비트 ADC에 적합
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션트 저항을 사용한 전류 감지
전류는 저값 션트 저항의 전압 강하로 측정됩니다.
“매스블록_4"
10A에서 10mΩ 션트는 100mV를 제공합니다. 이는 차동 증폭기에 적합한 신호입니다.
[전류 션트 계산기] (/계산기/센서/전류 션트) 를 사용하여 션트 전압, 전력 손실 및 ADC 분해능을 확인할 수 있습니다.
하이사이드 센싱과 로우사이드 센싱
로우사이드 (부하와 GND 사이의 션트) : 가장 간단합니다.싱글 엔디드 앰프가 작동합니다.문제: 부하가 실제 접지에 도달하지 못했습니다. 하이사이드 (공급과 부하 사이의 분로) : 하중은 실제 지면에 머물며 하중은 지면 이동 없이 그대로 유지됩니다.차동 증폭기 또는 양방향 전류 감지 IC (INA219, INA240) 가 필요합니다.션트 저항 선택
“매스블록_5"
목표 “MATHINLINE_15"는 풀 스케일에서 50~100mV입니다.너무 작음 → SNR이 불량합니다.너무 크다 → 과도한 전력 손실 (“MATHINLINE_16").
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포토다이오드/광학 센서 신호 컨디셔닝
포토다이오드는 입사광에 비례하는 전류를 생성합니다.트랜스임피던스 증폭기 (TIA) 는 이를 전압으로 변환합니다.
“매스블록_6"
“MATHINLINE_17" = 100kΩ인 10μA 광전류는 1V 출력을 제공합니다.
[포토다이오드 TIA 계산기] (/culators/sensor/포토다이오드-트랜스임피던스) 를 사용하여 대역폭과 노이즈를 구합니다.
안정성
TIA는 피드백 커패시터 없이 진동할 수 있습니다.“MATHINLINE_19" 전체에 “MATHINLINE_18"을 추가하여 안정성을 높이세요.
“매스블록_7"
일반적으로 “MATHINLINE_20" = 1—10pF는 적절한 대역폭을 유지하면서 안정성을 제공합니다.
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4—20mA 전류 루프
산업용 센서는 긴 케이블 길이 (최대 1km) 에서 4~20mA 전류 루프를 사용합니다.전류 인코딩은 케이블 저항에 영향을 받지 않습니다.
- 4mA = 범위의 0% (송신기에 전원도 공급)
- 20mA = 범위의 100%
신호 수신
수신기에서 250Ω 정밀 저항은 4—20mA를 1-5V로 변환합니다 (0-5V ADC의 경우).
“매스블록_8"
이 1~5V 범위는 케이블 파손 (0V) 과 센서 결함 (1V 미만) 을 쉽게 나타냅니다.
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정확도 예산 구축
신호 체인의 모든 구성 요소가 오류를 유발합니다.
| 출처 | 일반적인 오류 |
|---|---|
| 센서 비선형성 | 0.1~ 0.5% FS |
| 앰프 오프셋 | 0.02— 0.2% FS |
| ADC 양자화 | LSB/2 |
| 온도 드리프트 | 50—500ppm/°C |
| 기준 전압 | 0.05— 0.5% |
“매스블록_9"
[센서 정확도 예산 계산기] (/계산기/센서/센서-정확도-예산) 를 사용하여 온도에 따른 시스템의 정확도를 모델링할 수 있습니다.
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요약
| 센서 유형 | 일반 출력 | 권장 IC |
|---|---|---|
| PT100 RTD | 100—400 Ω | INA128 + 정전류 소스 |
| 써모커플 | 1—50mV | MAX31855 |
| 로드셀 | 1—10mV | HX711 또는 INA125 |
| 포토다이오드 | 1Na—100μA | TIA (OPA2134 포함) |
| 전류 션트 | 10—100mV | INA219 또는 INA240 |
| 4—20mA 루프 | 1—5V (250Ω 경유) | ADC 다이렉트 |