Создан 16 июл.

322 бронзовых знака

Ваша конфиденциальность

Нажимая «Принять все файлы cookie», вы соглашаетесь с тем, что Stack Exchange может хранить файлы cookie на вашем устройстве и раскрывать информацию в соответствии с нашей Политикой в ​​отношении файлов cookie.

Принимать все файлы cookie Настроить параметры

Аналоговые и цифровые сигналы: использование, преимущества и недостатки | Статья

Получайте ценные ресурсы прямо на ваш почтовый ящик — рассылается раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность

Сигнал — это электромагнитный или электрический ток, который переносит данные из одной системы или сети в другую.В электронике сигнал часто представляет собой изменяющееся во времени напряжение, которое также является электромагнитной волной, несущей информацию, хотя он может принимать другие формы, например ток. В электронике используются два основных типа сигналов: аналоговые и цифровые. В этой статье обсуждаются соответствующие характеристики, использование, преимущества и недостатки, а также типичные применения аналоговых и цифровых сигналов.

Аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал изменяется во времени и обычно привязан к диапазону (например,грамм. От +12 В до -12 В), но в этом непрерывном диапазоне существует бесконечное количество значений. Аналоговый сигнал использует данное свойство среды для передачи информации о сигнале, например, электричество, движущееся по проводу. В электрическом сигнале напряжение, ток или частота сигнала могут изменяться для представления информации. Аналоговые сигналы часто представляют собой рассчитанные реакции на изменения света, звука, температуры, положения, давления или других физических явлений.

При построении графика зависимости напряжения отНа временном графике аналоговый сигнал должен иметь плавную и непрерывную кривую. Никаких дискретных изменений значения быть не должно. (см. Рисунок 1) .

Рисунок 1: Аналоговый сигнал

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал — это сигнал, который представляет данные как последовательность дискретных значений. Цифровой сигнал может принимать только одно значение из конечного набора возможных значений в данный момент времени. В случае цифровых сигналов физическая величина, представляющая информацию, может быть различной:

• Переменный электрический ток или напряжение
• Фаза или поляризация электромагнитного поля
• Акустическое давление
• Намагничивание магнитного носителя информации

Цифровые сигналы используются во всей цифровой электронике, включая вычислительное оборудование и устройства передачи данных.При нанесении на график зависимости напряжения от времени цифровые сигналы имеют одно из двух значений и обычно находятся в диапазоне от 0 В до VCC (обычно 1,8 В, 3,3 В или 5 В) (см. Рисунок 2) .

Аналоговая электроника

Большинство основных электронных компонентов — резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, транзисторы и операционные усилители (операционные усилители) — по своей сути являются аналоговыми компонентами. Схемы, построенные из комбинации этих компонентов, представляют собой аналоговые схемы (см. Рисунок 3) .

Рисунок 3: Аналоговая схема

Аналоговые схемы могут иметь сложную конструкцию с несколькими компонентами или могут быть простыми, например, два резистора, образующие делитель напряжения. Как правило, аналоговые схемы проектировать сложнее, чем цифровые схемы, выполняющие ту же задачу. Для разработки аналогового радиоприемника или аналогового зарядного устройства для батареи потребуется проектировщик, знакомый с аналоговыми схемами, поскольку для упрощения этих конструкций были приняты цифровые компоненты.

Аналоговые схемы обычно более восприимчивы к шуму, а «шум» — это любые небольшие нежелательные изменения напряжения.Небольшие изменения уровня напряжения аналогового сигнала могут привести к значительным ошибкам при обработке.

Аналоговые сигналы обычно используются в системах связи, которые передают голос, данные, изображение, сигнал или видеоинформацию с использованием непрерывного сигнала. Существует два основных типа аналоговой передачи, которые основаны на том, как они адаптируют данные для комбинирования входного сигнала с сигналом несущей. Двумя методами являются амплитудная модуляция и частотная модуляция. Амплитудная модуляция (AM) регулирует амплитуду несущего сигнала.Частотная модуляция (FM) регулирует частоту несущего сигнала. Аналоговая передача может быть достигнута разными способами:

1. Через витую пару или коаксиальный кабель
2. Через оптоволоконный кабель
3. Через радио
4. По воде

Подобно тому, как человеческое тело использует глаза и уши для захвата сенсорной информации, аналоговые схемы используют эти методологии для взаимодействия с реальным миром, а также для точного захвата и обработки этих сигналов в электронике.

MPS производит множество аналоговых ИС и компонентов, таких как MP2322, синхронный понижающий преобразователь с низким I _Q в крошечном корпусе QFN размером 1,5 x 2 мм.

Цифровая электроника

Цифровые схемы реализуют такие компоненты, как логические вентили или более сложные цифровые ИС. Такие ИС представлены прямоугольниками с выходящими из них выводами (см. Рисунок 4) .

Рисунок 4: Цифровая схема

Цифровые схемы обычно используют двоичную схему.Хотя значения данных представлены только двумя состояниями (0 и 1), большие значения могут быть представлены группами двоичных битов. Например, в 1-битной системе 0 представляет значение данных 0, а 1 представляет значение данных 1. Однако в 2-битной системе 00 представляет 0, 01 представляет 1, 10 представляет 2, а 11 представляет 3. В 16-битной системе наибольшее число, которое может быть представлено, равно 216 или 65 536. Эти группы битов могут быть захвачены либо как последовательность последовательных битов, либо через параллельную шину.Это позволяет легко обрабатывать большие потоки данных.

В отличие от аналоговых схем, наиболее полезные цифровые схемы являются синхронными, что означает наличие опорных часов для координации работы схемных блоков, поэтому они работают предсказуемым образом. Аналоговая электроника работает асинхронно, то есть обрабатывает сигнал по мере его поступления на вход.

Большинство цифровых схем используют цифровой процессор для обработки данных. Это может быть простой микроконтроллер (MCU) или более сложный процессор цифровых сигналов (DSP), который может фильтровать и обрабатывать большие потоки данных, например видео.

Цифровые сигналы обычно используются в системах связи, где цифровая передача может передавать данные по каналам передачи «точка-точка» или «точка-многоточка», таким как медные провода, оптические волокна, средства беспроводной связи, носители данных или компьютерные шины. Передаваемые данные представлены в виде электромагнитного сигнала, например микроволнового, радиоволны, электрического напряжения или инфракрасного сигнала.

В общем, цифровые схемы проще спроектировать, но они часто стоят дороже, чем аналоговые схемы, предназначенные для тех же задач.

MPS включает MP2886A, цифровой многофазный ШИМ-контроллер с интерфейсом PWM-VID, совместимый со спецификацией NVIDIA Open VReg.

Преобразование аналого-цифрового (АЦП) и цифро-аналогового (ЦАП) сигнала

Многие системы должны обрабатывать как аналоговые, так и цифровые сигналы. Во многих системах связи обычно используется аналоговый сигнал, который действует как интерфейс для среды передачи для передачи и приема информации.Эти аналоговые сигналы преобразуются в цифровые, которые фильтруют, обрабатывают и сохраняют информацию.

На рисунке 5 показана общая архитектура, в которой аналоговый РЧ-интерфейс (AFE) состоит из всех аналоговых блоков для усиления, фильтрации и усиления аналогового сигнала. Между тем, секция процессора цифровых сигналов (DSP) фильтрует и обрабатывает информацию. Для преобразования сигналов из аналоговой подсистемы в цифровую подсистему в тракте приема (RX) используется аналого-цифровой преобразователь (ADC).Для преобразования сигналов из цифровой подсистемы в аналоговую подсистему в тракте передачи (TX) используется цифро-аналоговый преобразователь (DAC).

Цифровой сигнальный процессор (DSP) — это специализированный микропроцессорный чип, который выполняет операции цифровой обработки сигналов. DSP изготавливаются на интегральных схемах MOSFET и широко используются в обработке аудиосигналов, телекоммуникациях, цифровой обработке изображений, телевизионных продуктах высокой четкости, обычных бытовых электронных устройствах, таких как мобильные телефоны, и во многих других важных приложениях.

DSP используется для измерения, фильтрации или сжатия непрерывных реальных аналоговых сигналов. Выделенные DSP часто имеют более высокую энергоэффективность, что делает их пригодными в портативных устройствах из-за ограничений по энергопотреблению. Большинство микропроцессоров общего назначения также могут выполнять алгоритмы цифровой обработки сигналов.

Работа АЦП

Рисунок 6 показывает работу АЦП. На вход поступает аналоговый сигнал, который обрабатывается схемой удержания выборки (S / H) для создания приближенного цифрового представления сигнала.Амплитуда больше не имеет бесконечных значений и была «квантована» до дискретных значений в зависимости от разрешения АЦП. АЦП с более высоким разрешением будет иметь более мелкие размеры шага и более точно представлять входной аналоговый сигнал. Последний каскад АЦП кодирует оцифрованный сигнал в двоичный поток битов, который представляет амплитуду аналогового сигнала. Цифровой вывод теперь можно обрабатывать в цифровом виде.

Рисунок 6: Типичная архитектура АЦП для преобразования аналогового сигнала в цифровой

Работа ЦАП

ЦАП обеспечивает обратную работу.Вход ЦАП представляет собой двоичный поток данных из цифровой подсистемы и выводит дискретное значение, которое аппроксимируется как аналоговый сигнал. По мере увеличения разрешения ЦАП выходной сигнал все больше приближается к истинному плавному и непрерывному аналоговому сигналу (см. Рисунок 7). Обычно в цепи аналогового сигнала есть постфильтр для дальнейшего сглаживания формы волны.

Рисунок 7: 6-разрядный ЦАП для цифро-аналогового преобразования сигнала

Как упоминалось ранее, многие системы, используемые сегодня, представляют собой «смешанные сигналы», что означает, что они полагаются как на аналоговые, так и на цифровые подсистемы.Эти решения требуют, чтобы АЦП и ЦАП преобразовывали информацию между двумя доменами.

Сравнение цифровых сигналов и аналоговых сигналов: преимущества и недостатки

Как и в большинстве инженерных тем, у аналоговых и цифровых сигналов есть свои плюсы и минусы. Конкретное приложение, требования к производительности, среда передачи и операционная среда могут определять, следует ли использовать аналоговую или цифровую сигнализацию (или их комбинацию).

Цифровые сигналы: преимущества и недостатки

Преимущества использования цифровых сигналов, включая цифровую обработку сигналов (DSP) и системы связи, включают следующее:

• Цифровые сигналы могут передавать информацию с меньшим шумом, искажениями и помехами.
• Цифровые схемы можно легко воспроизводить в массовых количествах при сравнительно небольших затратах.
• Цифровая обработка сигналов более гибкая, поскольку операции DSP можно изменять с помощью систем с цифровым программированием.
• Цифровая обработка сигналов более безопасна, поскольку цифровая информация может быть легко зашифрована и сжата.
• Цифровые системы более точны, и вероятность появления ошибок можно снизить за счет использования кодов обнаружения и исправления ошибок.
• Цифровые сигналы могут быть легко сохранены на любых магнитных или оптических носителях с использованием полупроводниковых микросхем.
• Цифровые сигналы могут передаваться на большие расстояния.

К недостаткам использования цифровых сигналов, в том числе систем цифровой обработки сигналов (DSP) и систем связи, относятся следующие:

• Для цифровой связи требуется более широкая полоса пропускания по сравнению с аналоговой передачей той же информации.
• DSP обрабатывает сигнал на высоких скоростях и содержит больше внутренних аппаратных ресурсов.Это приводит к более высокому рассеянию мощности по сравнению с обработкой аналогового сигнала, которая включает пассивные компоненты, потребляющие меньше энергии.
• Цифровые системы и обработка обычно более сложны.

Аналоговые сигналы: преимущества и недостатки

Преимущества использования аналоговых сигналов, включая системы обработки аналоговых сигналов (ASP) и системы связи, включают следующее:

• Аналоговые сигналы легче обрабатывать.
• Аналоговые сигналы лучше всего подходят для передачи аудио и видео.
• Аналоговые сигналы имеют гораздо более высокую плотность и могут предоставлять более точную информацию.
• Аналоговые сигналы используют меньшую полосу пропускания, чем цифровые сигналы.
• Аналоговые сигналы обеспечивают более точное представление изменений физических явлений, таких как звук, свет, температура, положение или давление.
• Аналоговые системы связи менее чувствительны с точки зрения электрических допусков.

Недостатки использования аналоговых сигналов, включая системы обработки аналоговых сигналов (ASP) и системы связи, включают следующее:

• Передача данных на большие расстояния может привести к нежелательным помехам сигнала.
• Аналоговые сигналы склонны к потере генерации.
• Аналоговые сигналы подвержены шумам и искажениям, в отличие от цифровых сигналов, которые имеют гораздо более высокую помехоустойчивость.
• Аналоговые сигналы обычно имеют более низкое качество, чем цифровые сигналы.

Аналоговые и цифровые сигналы: системы и приложения

В традиционных аудиосистемах и системах связи используются аналоговые сигналы. Однако с развитием технологий обработки кремния, возможностей цифровой обработки сигналов, алгоритмов кодирования и требований к шифрованию — в дополнение к увеличению эффективности использования полосы пропускания — многие из этих систем стали цифровыми.Они по-прежнему являются некоторыми приложениями, в которых аналоговые сигналы имеют устаревшее использование или преимущества. Большинство систем, которые взаимодействуют с реальными сигналами (такими как звук, свет, температура и давление), используют аналоговый интерфейс для захвата или передачи информации. Несколько приложений аналогового сигнала перечислены ниже:

• Запись и воспроизведение аудиозаписей
• Датчики температуры
• Датчики изображения
• Радиосигналы
• Телефоны
• Системы управления

MPS предлагает широкий ассортимент аналоговых компонентов, включая MP2322, MP8714, MP2145 и MP8712.

Хотя многие оригинальные системы связи использовали аналоговую сигнализацию (телефоны), современные технологии используют цифровые сигналы из-за их преимуществ, таких как помехоустойчивость, шифрование, эффективность использования полосы пропускания и возможность использования ретрансляторов для передачи на большие расстояния. Несколько приложений цифрового сигнала перечислены ниже:

• Системы связи (широкополосная, сотовая)
• Сеть и передача данных
• Цифровые интерфейсы для программирования

Посетите наш веб-сайт, чтобы узнать больше о цифровых компонентах MPS, таких как MP2886A, MP8847, MP8868, MP8869S и MP5416.

Заключение

В этой статье представлены некоторые основные концепции аналоговых и цифровых сигналов и их использование в электронике. У каждой технологии есть явные преимущества и недостатки, и знание потребностей вашего приложения и требований к производительности поможет вам определить, какой сигнал (ы) выбрать.

Вы нашли это интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылайте их раз в месяц!

Получить техническую поддержку

% PDF-1.4 % 158 0 объект> эндобдж xref 158 135 0000000016 00000 н. 0000003509 00000 н. 0000003700 00000 н. 0000003726 00000 н. 0000003772 00000 н. 0000003806 00000 н. 0000003959 00000 н. 0000004036 00000 н. 0000004115 00000 п. 0000004193 00000 п. 0000004269 00000 н. 0000004347 00000 п. 0000004423 00000 н. 0000004501 00000 п. 0000004577 00000 н. 0000004655 00000 н. 0000004731 00000 н. 0000004809 00000 н. 0000004885 00000 н. 0000004963 00000 н. 0000005039 00000 н. 0000005117 00000 н. 0000005193 00000 п. 0000005271 00000 н. 0000005347 00000 п. 0000005425 00000 н. 0000005501 00000 н. 0000005579 00000 п. 0000005655 00000 н. 0000005732 00000 н. 0000005807 00000 н. 0000005884 00000 н. 0000005959 00000 н. 0000006036 00000 н. 0000006111 00000 п. 0000006296 00000 н. 0000006332 00000 н. 0000006379 00000 н. 0000006456 00000 н. 0000007600 00000 н. 0000008067 00000 н. 0000008580 00000 н. 0000008760 00000 н. 0000008954 00000 н. 0000009574 00000 н. 0000009756 00000 н. 0000010035 00000 п. 0000012705 00000 п. 0000013344 00000 п. 0000013401 00000 п. 0000013526 00000 п. 0000013658 00000 п. 0000013797 00000 п. 0000013923 00000 п. 0000014065 00000 п. 0000014226 00000 п. 0000014473 00000 п. 0000014616 00000 п. 0000014930 00000 п. 0000015099 00000 п. 0000015244 00000 п. 0000015409 00000 п. 0000015563 00000 п. 0000015699 00000 н. 0000015904 00000 п. 0000016091 00000 п. 0000016223 00000 п. 0000016365 00000 п. 0000016578 00000 п. 0000016721 00000 п. 0000016869 00000 п. 0000017038 00000 п. 0000017139 00000 п. 0000017288 00000 п. 0000017474 00000 п. 0000017627 00000 п. 0000017763 00000 п. 0000017868 00000 п. 0000017973 00000 п. 0000018108 00000 п. 0000018272 00000 п. 0000018446 00000 п. 0000018576 00000 п. 0000018700 00000 п. 0000018861 00000 п. 0000018998 00000 н. 0000019158 00000 п. 0000019296 00000 п. 0000019451 00000 п. 0000019606 00000 п. 0000019757 00000 п. 0000019906 00000 п. 0000020076 00000 п. 0000020212 00000 п. 0000020440 00000 п. 0000020677 00000 п. 0000020823 00000 п. 0000020999 00000 н. 0000021135 00000 п. 0000021287 00000 п. 0000021431 00000 п. 0000021603 00000 п. 0000021917 00000 п. 0000022079 00000 п. 0000022220 00000 п. 0000022434 00000 п. 0000022752 00000 п. 0000022936 00000 п. 0000023204 00000 п. 0000023336 00000 п. 0000023501 00000 п. 0000023613 00000 п. 0000023770 00000 п. 0000023943 00000 п. 0000024102 00000 п. 0000024323 00000 п. 0000024509 00000 п. 0000024670 00000 п. 0000024893 00000 п. 0000025080 00000 п. 0000025271 00000 п. 0000025466 00000 п. 0000025592 00000 п. 0000025788 00000 п. 0000025999 00000 н. 0000026206 00000 п. 0000026381 00000 п. 0000026639 00000 п. 0000026792 00000 п. 0000026924 00000 п. 0000027098 00000 п. 0000027228 00000 п. 0000027456 00000 п. 0000027628 00000 н. 0000002996 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 292 0 obj> поток xb«f`) f`c«eg @

Чувствительный конденсатор — обзор

7.2.2 Схемы считывания

Интерфейсные схемы для датчиков MEMS играют важную роль в разработке надежных, недорогих и маломощных сенсорных систем. Эти схемы формирования сигнала преобразуют изменения сопротивления, емкости или индуктивности датчика в эквивалентные измеряемые величины напряжения или тока [49,50].

Изменение сопротивления можно измерить с помощью схемы моста Уитстона, которая выдает выходное напряжение, пропорциональное изменениям сопротивления. Другой простой способ измерить изменение сопротивления при изменении напряжения — подать источник постоянного тока через резистивный датчик [14].Изменения сопротивления датчика также могут быть преобразованы в изменения частоты с помощью схемы генератора, управляемого напряжением [51].

Существует несколько конфигураций схемы считывания, взаимодействующих с системами емкостных или индуктивных датчиков. Двумя основными схемами являются схемы на основе усилителя [49,50,52,53] и схемы на основе модуляции [15,42,48,51,54–66]. Схемы на основе усилителя можно разделить на три категории: мостовые схемы переменного тока [49,53], трансимпедансные [67] и коммутируемые конденсаторы (SC) [49,50,52].В большинстве случаев одиночный чувствительный конденсатор ( C, , _S ) подключается последовательно с конденсатором с фиксированным опорным значением ( C, , _R ). Конденсатор C _R равен остаточной или начальной емкости C _S . Преобразователи C _R и C _S управляются дифференциальными (сдвиг фазы на 180 °) прямоугольными сигналами или цифровыми импульсами для конфигураций моста переменного тока и переключаемых конденсаторов. В трансимпедансных конфигурациях применяется сигнал переменного тока (синусоида).Эти схемы измеряют изменение напряжения пропорционально изменению емкости датчика (Δ C = C _S — C _R ), и изменение напряжения усиливается с помощью схемы усилителя. В конфигурациях SC схема усилителя также интегрирует дополнительный заряд от конденсатора обратной связи на определенной частоте дискретизации с изменением емкости датчика (Δ C ), чтобы минимизировать влияние входной паразитной емкости. Разрешение схемы SC улучшается для более высоких частот дискретизации [49].Усиленное напряжение проходит через фильтр нижних частот, чтобы отфильтровать высокочастотные компоненты. Различные источники шума, такие как шум 1/ f (фликкер-шум), тепловой шум (белый шум), связь между подложкой и шумом (связанный сигнал от одного узла к другому через подложку) и паразитные емкости минимизируют диапазон считывания датчика и разрешение этих схем [49]. Эти схемы требуют более низкой паразитной емкости и более высокой амплитуды входных дифференциальных сигналов для улучшения диапазона и разрешения.

Считывающие схемы на основе модуляции получили широкое распространение для взаимодействия с емкостными и индуктивными МЭМС-датчиками для снижения уровней шума 1/ f и смещения постоянного тока в цепи. В основе схем на основе модуляции лежат сигма-дельта (ΣΔ) преобразователь [56,62,65], аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с регистром последовательного приближения (SAR) [56,66], модуляция прерывателя [54,55, 58], конфигурации с широтно-импульсной модуляцией (PWM) [57,61,63] и частотной модуляцией (FM) [42,48,51,64,68].

Схемы считывания, использующие преобразователи ΣΔ, требуют гораздо более быстрых аналоговых схем, поскольку частота дискретизации должна намного превышать эффективную полосу пропускания, а также необходим цифровой децимационный фильтр, который добавляет дополнительную сложность. Кроме того, эффект нелинейности зависимости от напряжения конденсаторов приводит к более низкому отношению сигнал / шум (SNR) [60]. Хотя для регулировки рабочей точки КМОП-транзисторов было принято несколько методов компенсации нелинейности, по-прежнему трудно поддерживать линейность конденсаторов с более низкими напряжениями питания и смещения [60].

АЦП SAR обеспечивает цифровой выходной сигнал путем сравнения аналогового сигнала датчика с последовательно генерируемым аналоговым сигналом с использованием цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) с использованием алгоритма двоичного поиска [56,66]. Этот метод потребляет меньше энергии и обеспечивает высокое разрешение и точность.

Подход с прерывистой модуляцией — это метод амплитудной модуляции, в котором прямоугольная волна используется в качестве несущего сигнала. Он работает, сдвигая сигналы датчика на более высокие частоты, чтобы подавить шум 1/ f .Демодуляция модулированного сигнала датчика требуется для восстановления исходного сигнала [51,58]. Смещение и компенсация шума должны выполняться для лучшей производительности [51,58].

Интерфейсные схемы на основе ШИМ используют полуцифровой подход, в котором изменения емкости кодируются во временной области и модулируются как период или ширина импульса цифрового сигнала [15,57,61,63]. Этот метод требует быстрого цифрового счетчика для преобразования изменения времени или ширины импульса в цифровой выход [59].

Конфигурация FM, в которой используются датчики реактивного сопротивления на основе осцилляторов, обнаруживает сдвиги частоты, вызванные изменениями емкости или индуктивности внешних интерфейсов датчика [42,48,51,64,68]. Преимущество этих конфигураций в том, что они имеют более низкие фазовые и мерцающие шумы на более высоких частотах [51,64]. Наиболее распространенной схемой FM для взаимодействия с емкостными датчиками является релаксационный генератор. Схема FM на основе кольцевого генератора [68,69] используется в интерфейсе емкостных датчиков, таких как емкостной датчик давления [68] и датчик влажности [69].Для интерфейса индуктивных датчиков используется топология генератора Колпитца для измерения наноразмерных смещений как сдвига частоты в [70]. Интегрированный комплементарный генератор с перекрестной связью со встроенным ЖК-резонатором исследован в [42,64] для биосенсоров с магнитной меткой и способен обеспечить высокостабильную выходную частоту с низким фазовым шумом. Маломощная схема FM-демодуляции, которая преобразует частоту в напряжение, также требуется для измерения величины напряжения. Для реализации блока преобразователя частоты в напряжение (FVC) существует в основном два подхода, включая схемы на основе счетчиков [68] и схемы на основе интеграторов [71,72].В схемах на основе счетчиков используются счетчики и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), требующие очень высокой опорной тактовой частоты по сравнению с измеряемыми сигналами для обеспечения высокой точности. Потребность в высокочастотных часах ограничивает использование высокочастотных измерительных сигналов [71]. Схемы на основе интегратора включают различные подходы, такие как интеграция и удержание [72] и переключаемый конденсатор [71,72]. Поскольку большая часть литературы включает блок FVC в конструкции контуров фазовой автоподстройки частоты (PLL) или контуров частотной автоподстройки частоты (FLL) в качестве пути обратной связи для демодуляции FM-сигналов, это требует более высоких требований к мощности.Автономная схема FVC, которая не требует другого генератора в контуре обратной связи, также представлена ​​для минимизации общего энергопотребления [73]. Схема разработана с системой отрицательной обратной связи, которая основана на схеме накачки заряда переключаемых конденсаторов на основе интеграции. Схема также обеспечивает контроль чувствительности, динамического диапазона и номинальной точки измерения.

Схема аналогового интерфейса для емкостного датчика угла на основе массива исключения емкости и метода демодуляции синхронного переключателя

(Базель).2019 июл; 19 (14): 3116.

Инженерно-исследовательский центр навигационных технологий, факультет точных приборов, Университет Цинхуа, Пекин, 100084, Китай

Поступило 30 мая 2019 г .; Принято 11 июля 2019 г.

Abstract

В этой статье представлена ​​специализированная интегральная схема (ASIC) аналогового интерфейса для емкостного датчика углового положения, которая широко используется в системах управления машинами. Энкодер состоит из двух частей: чувствительной структуры и схемы аналогового считывания. Чтобы реализовать миниатюризацию, низкое энергопотребление и простую интеграцию, была разработана аналоговая интерфейсная схема, включающая массив исключения емкости постоянного тока и модуль синхронной демодуляции с переключателем. Матрица исключения емкости постоянного тока позволяет измерительной схеме достигать очень высокого коэффициента преобразования емкости в напряжение при низком напряжении питания.Кроме того, переключаемый модуль синхронной демодуляции эффективно удаляет несущий сигнал и значительно снижает требования к частоте дискретизации аналого-цифрового преобразователя (АЦП). ASIC была разработана и изготовлена ​​с использованием стандартной технологии обработки CMOS 0,18 мкм и интегрирована с чувствительной структурой. Был проведен эксперимент, чтобы проверить и охарактеризовать производительность предложенной схемы аналогового интерфейса. Результаты измерений энкодера показали разрешение 0,01 °, потребляемую мощность 20 мВт и точность во всем абсолютном диапазоне 0.1 °, что свидетельствует о большом потенциале энкодера для применения в системах управления машинами.

Ключевые слова: датчик угла , матрица исключения емкости, метод синхронной демодуляции переключателя, интегральная схема для конкретного приложения

1. Введение

Измерение углового положения важно в автомобильной промышленности [1,2,3,4,5 ]. Датчики угла широко используются в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), небольших роботах и ​​высокоточных карданных системах.Эти приложения требуют, чтобы датчики угла имели небольшой размер, легкий вес, низкое энергопотребление и низкую стоимость [6,7,8,9,10].

Датчики углового положения, обычно доступные на рынке, включают решетки и индуктивные синхронизаторы [11,12]. Эти датчики обладают высокой точностью, но их недостатками являются большой объем, сложная схема обработки, высокая стоимость и высокое энергопотребление. Их сложно применять в таких областях, как беспилотные роботы и БПЛА. Ввиду этих недостатков было представлено множество датчиков угловых перемещений, основанных на принципах емкости и индуктивности технологии печатных плат [6,13,14,15,16,17].Эти датчики имеют простую конструкцию, низкую стоимость изготовления, небольшой размер и высокую точность при значительно меньшем объеме по сравнению с решетками и магнитными решетками. Емкостные энкодеры вызывают интерес из-за их простой конструкции, возможности дальнейшей миниатюризации и нечувствительности к изменениям магнитного поля.

Karali et al. [14] разработал новый экономичный емкостной датчик угла поворота на основе аналоговой синхронной демодуляции. Сигнал несущей удаляется путем многократной демодуляции в аналоговой системе, что значительно снижает требования к частоте дискретизации для аналого-цифрового преобразователя (АЦП).В целом система дешевле цифровых аналогов. Однако схема демодуляции чувствительна к температуре и требует, чтобы два аналоговых блока были высокосимметричными. Во время демодуляции широко используются методы синхронной и квадратурной демодуляции, особенно для приложений, требующих высокого уровня производительности в суровых условиях [13]. Емкостной кодер вырабатывает сигнал с фазовой / частотной модуляцией, который не может быть демодулирован традиционными методами амплитудной демодуляции резольверов.С развитием встраиваемых технологий методы цифровой демодуляции становятся обычным явлением в литературе. Центральный цифровой вычислительный блок может быть быстрым микроконтроллером или встроенной системой на основе программируемой вентильной матрицы (FPGA). Hou et al. [18] представили новый емкостной датчик углового положения (CAPS) с однократным возбуждением, который выдает два амплитудно-модулированных сигнала, которые могут быть демодулированы традиционными методами амплитудной демодуляции, такими как резольверы. Однако традиционный чип демодуляции резольвера имеет высокое энергопотребление и плохое расширение, поскольку информацию о нелинейных ошибках датчика трудно наблюдать и получать.Кроме того, из-за наличия емкости C0 постоянного тока ограничивается амплитуда качания выходного сигнала. Это приводит к высокому напряжению источника питания для достижения высокого разрешения по емкости.

Для датчиков угла доступно множество схем демодуляции [19,20,21,22], но нет интегральной схемы, специально разработанной для этого. Обычному емкостному датчику углового смещения обычно требуется высокое напряжение питания, что приводит к большому потреблению энергии, а схема демодуляции сложна и трудна для интеграции.Настоятельно необходимо разработать схему аналогового интерфейса, чтобы эффективно решить проблему высокого энергопотребления, большого размера и сложной интеграции схемы демодуляции кодера.

В этой статье предлагается простая, но эффективная схема сопряжения входов, в которой используется матрица исключения емкости и метод синхронной демодуляции с переключателем. Для достижения миниатюризации, низкого энергопотребления и простой интеграции была разработана схема аналогового интерфейса, которая включает в себя массив исключения емкости постоянного тока и модуль синхронной демодуляции с переключателем.Матрица исключения емкости постоянного тока позволяет измерительной схеме достигать очень высокого отношения емкости к напряжению при низком напряжении питания. Коммутационный модуль синхронной демодуляции эффективно удаляет несущий сигнал и значительно снижает частоту дискретизации, необходимую для АЦП.

2. Емкостный датчик угла поворота

Энкодер состоит из двух основных частей: статора и ротора. Емкостные поворотные энкодеры основаны на вращающемся диске на неподвижной пластине или между двумя неподвижными пластинами статора и ротора.Когда энкодер вращается, емкость между статором и ротором изменяется, и угол вала может быть извлечен. На роторе напечатаны чувствительный электрод в форме лепестка и электрод связи. На статоре напечатаны один электрод возбуждения и четыре комплекта собирающих электродов. Чувствительный электрод в форме лепестка на роторе соединен с электродом связи. Датчик возбуждается прямоугольным напряжением. На электроды возбуждения статора прикладывается несущее напряжение возбуждения:

где ω — частота напряжения возбуждения, AE — амплитуда, а squ (·) означает прямоугольную волновую функцию.

Посредством емкостной связи между ротором и статором можно получить четырехстороннюю модуляцию сигнала угловой информационной емкости на коллекторном электроде статора:

{US + = k⋅ (C0 + ΔCsin (ϕ)) ⋅squ (ωt) US− = k⋅ (C0 − ΔCsin (ϕ)) ⋅squ (ωt) UC + = k⋅ (C0 + ΔCcos (ϕ)) ⋅squ (ωt) UC− = k⋅ (C0 − ΔCcos (ϕ) ) ⋅squ (ωt)

(2)

где C0 — емкость постоянного тока, ϕ — информация о модулированном угле, а ΔC — величина полезной информации об угловом сигнале. US +, US−, UC + и UC− — это сигналы напряжения после преобразования с помощью модели емкости-напряжения (C – V) четырех конденсаторов обнаружения.k — отношение модели C – V. Наличие емкости постоянного тока ограничивает амплитуду колебаний выходного сигнала. Принцип дифференциальной чувствительности более эффективно снижает помехи в синфазном режиме.

Два модуля дифференциальных усилителей используются для устранения компонентного выходного сигнала постоянного тока. Наконец, могут быть получены два ортогональных амплитудно-модулированных сигнала US и UC.

{US = A⋅ΔCsin (ϕ) ⋅sin (ωt) UC = A⋅ΔCcos (ϕ) ⋅sin (ωt)

(3)

Конструкция емкостного энкодера была спроектирована и изготовлена ​​с использованием технологии печатных плат для тестирования предлагаемая аналоговая схема сопряжения.Исходя из проектных диаметров, емкость C0 по постоянному току составляла 1 пФ, а чувствительная емкость ΔC составляла приблизительно 1 пФ.

3. Обработка сигналов ASIC

3.1. Введение в схему обработки

Интегрированная схема аналогового интерфейса включает в себя матрицу исключения емкости постоянного тока, модуль C – V преобразования, модуль синхронной демодуляции переключателя и фильтр. показана блок-схема предлагаемой архитектуры. Во время работы внешний генератор генерирует два дифференциальных сигнала возбуждения: UE и -UE.Положительный сигнал UE воздействует на емкостной кодер, а отрицательный -UE обращается к массиву компенсации емкости постоянного тока. Когда датчик работает, емкость C0 постоянного тока четырехканальной измерительной емкости может быть устранена путем объединения матрицы исключения емкости и отрицательного сигнала -UE. Усилитель заряда на дифференциальном выходе преобразует изменение емкости в эквивалентное напряжение. Затем модуль демодуляции переключения используется для устранения несущего сигнала. Соответствующий сигнал напряжения дополнительно фильтруется и усиливается модулем фильтра нижних частот.Затем напряжение квантуется для получения цифрового сигнала. Представленная схема может эффективно обнаруживать изменение емкости емкостного датчика угла и применима в широком диапазоне размеров и значений емкости датчика положения.

Блок-схема предлагаемой архитектуры.

3.2. Встроенная матрица исключения емкости постоянного тока

Встроенная в микросхему конденсаторная матрица, встроенная в ASIC, специально предназначена для устранения емкости постоянного тока C0 и компенсации несогласованности двух чувствительных конденсаторов.Уравнение (1) показывает, что существует постоянный ток C0 для емкости с четырьмя измерениями. Следовательно, если C0 не может быть устранен, напряжение питания ( В, _DD ) не может быть полностью приложено к чувствительной емкости ΔC. C0 сильно ограничивает размах выходного сигнала. Чтобы компенсировать это смещение, в ASIC включены два идентичных набора параллельных конденсаторов постоянного тока на кристалле в виде решетки исключения. Каждый набор подключается либо к CS +, либо к CS-, в зависимости от того, какое значение контролируется внешними выводами.

Внешний генератор генерирует два дифференциальных сигнала возбуждения UE и UE¯.UE действует на емкостной угловой энкодер как сигнал возбуждения несущей, а UE¯ обращается к массиву исключения емкости постоянного тока. Два сигнала дифференциального возбуждения можно выразить как

Матрица подавления емкости постоянного тока используется для подавления емкости постоянного тока четырех чувствительных конденсаторов. Обычно ошибка емкости датчика завершается после обработки, поэтому конструкция этого модуля позволяет исправить ошибку датчика постоянного тока. В конструкции восемь управляющих переключателей S1, S2, S3,…, S8 используются для управления значением конденсаторов исключения.В массиве исключения емкости значение емкости одного бита составляет C , а переключатель S n соответствует конденсатору 2 ⁿ C ( n = 1, 2,…, 8), Таким образом, значение каждого конденсатора исключения колеблется от 0 до 28⋅C. Основные отношения подключения показаны на. В конструкции C был установлен на 49 fF.

Конденсатор подавления постоянного тока и коммутационная демодуляция: ( a ) матрица исключения емкости и ( b ) демодуляция синхронного переключателя.

Если значение конденсаторов исключения равно CELI, заряд при преобразовании C – V можно выразить как

Q = CU = CS + ⋅k⋅AE⋅squ (t) + CELI⋅ (−AE⋅squ (t)) = [(C0 + ΔCsin (ϕ)) ⋅k − CELI] ⋅AE⋅squ (t)

(6)

где k — коэффициент преобразования и определяется чувствительной структурой. Эта операция пытается отрегулировать емкость CELI, чтобы обеспечить C0⋅k = CELI.

Тогда уравнение (6) можно упростить как

Q = (ΔCsin (ϕ)) ⋅k⋅AE⋅squ (t)

(7)

Согласно выходной функции усилителя заряда,

UO = −jωAQ (1 + A) (1Rf + jωCf)

(8)

Таким образом, выходное напряжение определяется только входным зарядом и параметрами цепи обратной связи (Rf, Cf).Кроме того, когда Rf достаточно велико, чтобы удовлетворять условию 1 / Rf << ω Cf (Rf = 108 Ом в этой статье), 1 / Rf можно опустить. Результат можно выразить как

UO = −jωAQ (1 + A) jωCf = −AQ (1 + A) Cf≈ − QCf

(9)

Выходное напряжение связано только с зарядом Q и емкостью обратной связи Cf:

INP = (ΔCsin (ϕ)) ⋅k⋅AE⋅squ (t) Cf

(10)

INN = — (ΔCsin (ϕ)) ⋅k⋅AE⋅squ (t) Cf

(11)

Если C ₀ существует в цепи, затем после того, как он поступает в усилитель заряда, из-за ограниченного напряжения источника питания В , использование компенсирующего конденсатора может гарантировать, что масштабный коэффициент отношения конденсатора к напряжению будет максимальным при низком уровне напряжение, как показывает.Это может эффективно подавить ошибку постоянного тока, и легко может быть достигнуто точное измерение при низком напряжении питания.

Влияние емкости смещения на коэффициент масштабирования.

Усилитель в этой схеме преобразования C – V использует архитектуру комплементарного рециркулирующего свернутого каскода (CRFC) [23] из-за его большего произведения коэффициента усиления на полосу пропускания (GBW) и скорости нарастания по сравнению с традиционным операционным усилителем со свернутым каскодом, как показано на . Он имеет транзисторы NMOS и PMOS в качестве дополнительных входных дифференциальных пар, и в обеих ветвях используется метод повторного использования сложенного каскода (RFC) [24] для достижения большей эффективности тока смещения.Усилитель CRFC улучшает свою полосу пропускания в 1/3 по сравнению с RFC при том же токе смещения и емкостной нагрузке.

Устройство операционного усилителя крутизны (ОТА) CRFC.

3.3. Демодуляция синхронного переключателя и фильтр нижних частот

В предлагаемой конфигурации сигналы IN _P и IN _N демодулируются модулем демодуляции переключателя. Процесс демодуляции показан на. Затем демодулированные выходные сигналы буферизуются и подаются на фильтр нижних частот.В этой конструкции для уменьшения шума переключателей был применен фильтр с частотой среза 10 кГц. Фильтр нижних частот обеспечивает аналоговый выход, соответствующий входной угловой информации, подаваемой на АЦП.

Схема метода демодуляции синхронного переключателя: ( a ) два сигнала после модуля преобразования C – V и сигнал переключения; ( b ) выходной сигнал IN _P и IN _N после демодуляции переключателя; ( c ) Сигналы после дифференциала; и ( d ) дифференциальный сигнал выводится после фильтрации.

Сигнал напряжения после демодуляции синхронного переключателя определяется выражением

UInP = UP − UN = 2⋅ (ΔCsin (ϕ)) k⋅AECf + NoiseSW

(12)

где NoiseSW — шум из-за ошибки синхронизации демодуляции переключателя, как показано в c. Его можно уменьшить после фильтра нижних частот.

Для достижения напряжения питания 5 В на аналоговую цепь подается опорное напряжение В _ref 2,5 В. Выходной сигнал после полосового фильтра (BPF) можно выразить как

VOUT + = Vref + 2ΔCCfVP − P

(13)

где VP-P — размах сигнала возбуждения.Точно так же, из-за полностью дифференциальной природы операционного усилителя крутизны (OTA), VOUT− можно записать как

VOUT− = Vref − 2ΔCCfVP − P

(14)

Таким образом, можно получить окончательное значение дифференциального выхода:

Чувствительность предлагаемой конфигурации вдвое выше, чем у традиционных архитектур. Как правило, В _{P − P} равно напряжению питания ( В постоянного тока, ) системы. Коэффициент усиления усилителя заряда может быть запрограммирован путем выбора подходящей емкости обратной связи C _f .В этой конструкции три управляющих контакта обеспечивают восемь программируемых коэффициентов усиления.

4. Результаты измерений

4.1. Характеристики Тестирование ASIC

Предлагаемая схема аналогового интерфейса была разработана и изготовлена ​​с использованием технологии обработки CMOS SMIC 0,18 мкм. Микрофотография микросхемы представлена ​​на рисунке. Были протестированы масштабный коэффициент, емкость смещения, стабильность смещения нуля и уровень шума микросхемы ASIC. Схема тестовой схемы и расположение микросхемы показаны на б. Микросхема генератора использовалась для генерации несущего сигнала для приведения в действие энкодера.

Таблица тестирования схемы ASIC: ( a ) микрофотография микросхемы и ( b ) тестовая схема.

4.1.1. Масштабный коэффициент

В эксперименте по тестированию масштабного коэффициента измеренная емкость изменялась и увеличивалась с шагом 0,1 пФ. Конденсаторы 0,1 пФ, 0,2 пФ, 0,3 пФ и др. Были выбраны с помощью прибора для измерения емкости. Затем конденсаторы по очереди заменяются на печатную плату. Подключенный конденсатор следует увеличивать с шагом 0.1 пФ без учета паразитной емкости. Было измерено выходное напряжение, и данные были импортированы в MATLAB для построения графика результатов, как показано на рис. Линейность была превосходной, а крутизна составляла 4,111 В / пФ, что в основном соответствует расчетному значению. Остаток отображается красной линией. Это было главным образом потому, что значение подключенной емкости не могло быть точно определено, поэтому линейность измеренного значения имела невязку около 30 мВ. Этот тест подтвердил правильность работы конструкции.

Взаимосвязь между выходным напряжением и емкостью доступа.

4.1.2. Проверка шума

Затем был протестирован шум схемы. Выходной шум интерфейсной схемы был протестирован с помощью 35670A производства Agilent Technologies Inc. Спектр шума выходного напряжения показан на рис. Нижний предел шума выходного напряжения сигнала составлял 400 нВ. Точки, отмеченные на рисунке, указывают на помехи промышленной частоты 50 Гц. Это будет иметь сильное влияние, и его необходимо уменьшить путем тщательного экранирования во время работы.Кроме того, шум также имеет сильную характеристику 1/ f , в основном из-за фильтра нижних частот после переключающей демодуляции.

Спектр шума выхода напряжения ASIC.

Разрешение емкости R _C было рассчитано в соответствии с минимальным уровнем шума и коэффициентом преобразования:

Здесь на расчет разрешения емкости повлияли два основных фактора. Предыдущий результат теста показал, что Nf = 400 нВ и SC = 4,111 В / пФ.Согласно уравнению (16) емкостное разрешение схемы составляло 10 ⁻¹⁹ F. Емкость микрочувствительной структуры, описанной выше, варьировалась от 0,3 до 0,5 пФ. Таким образом, схема может удовлетворять демодуляции информации об угловом положении чувствительной структуры.

4.2. Проверка характеристик энкодера

Схема аналогового интерфейса была соединена с чувствительной структурой для дальнейшего тестирования. показана экспериментальная установка для проверки характеристик кодировщика.Установка состояла из высокоточного поворотного стола и системы крепления датчиков. При установке датчика зазор в основном контролировался щупом, чтобы обеспечить зазор и соосность. Зазор между статором и ротором составлял 0,3–0,5 мм. Концентричность определялась по отметкам на краях ротора и статора для совмещения. Как показано на рисунке, устройство в основном состояло из двух частей: неподвижной системы ротора и статора, которой требовалось пять степеней свободы для достижения вышеуказанной регулировки эксцентриситета и наклона; и миниатюрный прецизионный поворотный стол, приобретенный у Physik Instrumente Corporation.Диаметр поворотной платформы 23 мм, точность позиционирования 0,005 °. Статор и пластины ротора изготовлены с использованием передовой технологии печатных плат диаметром 54 мм.

Экспериментальная установка для проверки энкодера. В состав установки входят высокоточный поворотный стол, комплект фиксатора, ротор и статор. Фиксирующее устройство используется для крепления схемы обработки к задней стороне статора.

4.2.1. Проверка угловой стабильности

Была проверена долговременная стабильность энкодера.Keithley 2010 использовался для сбора данных о выходном напряжении, которые затем сохранялись и обрабатывались с помощью компьютера. a, b показывают долговременную стабильность напряжения двух ортогональных сигналов. Изменение напряжения двух сигналов не превышало 2 мВ. Демодулированный угол показан в c, и флуктуация не превышала 0,002 °. Основной причиной колебаний результатов испытаний на долговременную стабильность было воздействие окружающей среды, особенно вибрация, воздействующая на чувствительную конструкцию.

Результаты измерения стабильности: ( a ) и ( b ) показывают стабильное выходное напряжение, а ( c ) показывает стабильный выходной угол.

4.2.2. Step Test

Чтобы проверить чувствительность ASIC и чувствительной структуры, был протестирован размер шага. Для определения разрешающей способности предлагаемого энкодера был проведен пошаговый тест с шагом 0,01 ° и задержкой 2,5 с. Соответствующий выходной угол показан в. Разрешение предложенного датчика угла было значительно лучше 0,01 °; таким образом, он отвечает большинству требований приложений.

Выходной отклик ступенчатого теста с 0.С шагом 01 °.

4.2.3. Тест на линейность

В этом тесте были собраны и нарисованы два ортогональных амплитудно-модулированных сигнала US и UC, как показано на рисунке a. Выходное напряжение приблизительно варьировалось от 1 В до -1 В, и два сигнала были ортогональны теоретическому выходному сигналу. Данные измерений подтвердили правильность обработки сенсором чувствительной структуры и конструкции ASIC бэкенда. Угловая точность была дополнительно сравнена. Два сигнала были разрезаны обратно пропорционально для получения угловой информации, показанной на b, и были сравнены линейные характеристики.Измеренная интегральная ошибка нелинейности составляет ± 0,05 °. Основными причинами возникновения нелинейной ошибки являются ошибки монтажа и ошибки изготовления.

Результаты теста на линейность: ( a ) два выхода амплитудно-модулированного сигнала без постоянного и несущего сигнала, ( b ) значение демодулированного угла и ( c ) соответствующая нелинейная ошибка ( b ).

4.3. Краткое описание энкодера

Характеристики схемы аналогового интерфейса и углового энкодера приведены в.Разрешение емкости 10 ⁻¹⁹ Ф было достигнуто в условиях постоянного тока. Результаты испытаний показали, что угловая стабильность составляет до 0,003 °, точность — 0,05 °, а потребляемая мощность — менее 20 мВт. Основная причина ограниченной точности заключалась в том, что внешняя схема ASIC имела большой шум 1/ f . Предлагаемое устройство имеет преимущества небольшого объема и низкого энергопотребления и имеет выдающийся потенциал для использования в портативной электронике, роботизированных манипуляторах и антенных головах.Для более гибкого расширения предлагаемую схему можно просто объединить с маломощным микроконтроллером (MCU) с двойным АЦП (например, Atmel ATSAML22G) для точного расчета угла. Предлагаемая схема имеет широкий спектр применения и высокий спрос на рынке.

Таблица 1

Характеристики цепи аналогового интерфейса и датчика углового положения.

5. Выводы

В этой статье предлагается схема аналогового интерфейса для емкостного датчика угла. Основанная на матрице исключения емкости и методе синхронной демодуляции переключателя, схема в сочетании с чувствительной структурой обеспечивает разрешение измерения лучше 0,01 ° и точность лучше ± 0,05 °. Результаты испытаний и измерений подтвердили правильность работы интегрированной системы.Предлагаемая схема аналогового интерфейса эффективно решает проблему высокого энергопотребления и большого объема схемы демодуляции кодера. Энкодеры с предлагаемой схемой аналогового интерфейса могут широко использоваться в БПЛА, небольших роботах, высокоточных карданных системах и т. Д. Благодаря низкому энергопотреблению и простоте интеграции.

Благодарности

Работа поддержана Национальным научным фондом Китая. Авторы благодарят Чао Ли, Чжихуэй Линь и Минлян Сун из Университета Цинхуа за их обсуждения и поддержку.

Вклад авторов

R.Z. и Б.З. разработал чувствительный элемент, задумал и спроектировал эксперименты; Б.Х., З.Г. и Q.W. провели эксперименты; B.Z., X.L. и B.H. провели эксперименты и проанализировали данные; B.H., X.L., R.Z., B.Z., X.L. и Q.W. написал газету.

Финансирование

Авторы хотели бы поблагодарить Национальный фонд естественных наук Китая за поддержку в рамках гранта № 91648116.

Конфликты интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Ссылки

Патент США на сенсорный дисплей для системы цифрового кодирования. Патент (Патент № 4 110 749 от 29 августа 1978 г.)

До сих пор известны средства для подачи данных в систему с использованием средств, реагирующих на прикосновения, подключенных к вводу данных системы обработки данных таким образом, что отображаемые данные могут быть изменены под управлением системы обработки данных.Например, в патенте США No. В US 3482241, выданном EA Johnson, раскрыто множество сенсорных контактов, включая прозрачный экран, расположенный рядом с экраном электронно-лучевой трубки, который можно выборочно активировать для индикации того, какая часть изображения на электронно-лучевом экране подлежит более подробному рассмотрению. При активации данные, указывающие, к какому чувствительному контакту прикасаются, поступают в компьютер или тому подобное, где они обычно используются, для управления устройством отображения.

Этот тип сенсорного дисплея предшествующего уровня техники обычно включает в себя совокупность элементов, необходимых для его создания, что делает их довольно сложными и детализированными, что делает систему довольно дорогой.Кроме того, характеристики шума могут быть такими, что невозможно отличить фактические сигналы от фонового шума. Кроме того, агрегирование элементов может вызвать проблемы с надежностью.

Другой тип известного уровня техники, который конкретно относится к чувствительным к прикосновениям переключателям с электронно-лучевой трубкой, — это переключатель, описанный в патенте США No. № 3958239, R. E. Green. В этом патенте говорится, что чувствительные к прикосновению контактные площадки содержат ряд областей в матрице поперек экрана электронно-лучевой трубки.Матрица, в свою очередь, связана с диодной матрицей для целей декодирования. После декодирования, которое декодирует координаты области матрицы, к которой прикоснулись, система включает компьютер или подобное устройство, реагирующее на декодированный выходной сигнал, который является уникальным для устройства отображения или электронно-лучевой трубки для управления этой системой. Здесь опять же недостатком является то, что агрегирование элементов, необходимых для создания системы, делает систему дорогой. Кроме того, эта система, как и ранее упомянутая система, страдает от того факта, что присутствуют ошибки смещения напряжения.Это чрезвычайно важный параметр, когда желательно работать с аналоговым сигналом под управлением логического сигнала. Кроме того, последняя система не является помехоустойчивой.

В соответствии с настоящим изобретением прозрачные контактные площадки размещены на прозрачной панели. Эта панель может быть наложена на дисплей. Каждая контактная площадка имеет вывод, подключенный к современной электронной схеме распознавания. При прикосновении к контактной площадке информация об уровне сигнала в каждой контактной площадке синхронно мультиплексируется в схему распознавания соответствующего уровня, таким образом, информация о местоположении сенсорной контактной площадки кодируется.Закодированная информация впоследствии синхронно выпрямляется и фильтруется, чтобы уменьшить электрический шум и предоставить данные в виде уровня напряжения. Компаратор синхронно определяет эти изменения или уровни напряжения, и процесс оцифровки завершается. Оцифрованные данные, конечно же, используются для управления системой.

Таким образом, целью настоящего изобретения является создание улучшенной системы сенсорного дисплея, которая преодолевает недостатки предшествующего уровня техники.

Другой целью настоящего изобретения является создание сенсорного дисплея для системы цифрового кодирования, который является чрезвычайно надежным и невосприимчивым к помехам.

Еще одна цель настоящего изобретения — предоставить сенсорный дисплей для системы цифрового кодирования, который является чрезвычайно простым, недорогим и имеет эстетическую ценность.

Еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить сенсорный дисплей для системы цифрового кодирования для использования с осциллографом или тому подобным, который заменяет переключатели и устройства с поворотной ручкой.

Вышеупомянутые и многочисленные другие цели и преимущества настоящего изобретения станут очевидными, поскольку они будут более понятны из следующего описания; Однако следует понимать, что описанные варианты осуществления не предназначены для исчерпания или ограничения изобретения, а даны в целях иллюстрации, чтобы другие специалисты в данной области могли полностью понять изобретение и его принципы, а также способ применения его при конкретном использовании, чтобы они могли изменять его в различных формах, каждая из которых может лучше всего соответствовать условиям конкретного использования.

На чертежах одинаковые ссылочные буквы или цифры относятся к одинаковым элементам:

РИС. 1 — блок-схема одного варианта осуществления настоящего изобретения, используемого для ввода электрических данных в инструмент путем прикосновения пальцем к панели в заданных местах;

РИС. 2 — блок-схема типичного современного мультиплексора КМОП, используемого на фиг. 1 вариант;

РИС. 3 — функциональная таблица для мультиплексора CMOS согласно фиг.2;

РИС. 4 — упрощенная схема аналогово-инвертирующей схемы типичного преобразователя, используемого на фиг. 1 вариант;

РИС. 5 — блок-схема типичного демультиплексора, используемого на фиг. 1 вариант;

РИС. 6 — временная диаграмма сигналов, генерируемых в системе, показанной на фиг. 1 и предназначен для объяснения работы системы; и

РИС. 7 — еще один частичный вариант осуществления настоящего изобретения, который можно использовать для замены вращающихся ручек.

Теперь обратимся к чертежам и, в частности, к фиг. 1 показан первый вариант осуществления системы в соответствии с настоящим изобретением. Этот вариант осуществления, который в основном представлен в виде блок-схемы, включает в себя устройство 12 излучения энергии, имеющее средство 14 для излучения энергии устройства 12. Устройство 12 может быть, например, электронно-лучевой трубкой (обычно называемой ЭЛТ). для отображения визуальных изображений, созданных путем подачи на них соответствующих сигналов, и просмотра изображений на лицевой стороне электронно-лучевой трубки.(Устройство может быть плоской электролюминесцентной панелью, газоразрядной панелью, жидкокристаллической панелью, компьютерным терминалом и т. Д.) Изображение, конечно, создается в электронно-лучевой трубке, когда электронный луч попадает на люминофор. покрытый экран или другое вещество или материал, излучающий энергию. Поскольку конструкция и работа электронно-лучевой трубки хорошо известны, дальнейшее ее обсуждение не считается необходимым. Тем не менее, для тех, кто желает получить дополнительную информацию, в настоящий документ посредством ссылки включена серия книг, обычно называемых «Принципы схем», авторские права на которые принадлежат правопреемнику настоящего изобретения.

Пластина 16 из прозрачного изоляционного материала предпочтительно размещается рядом со средством 12. В пластину 16 встроено множество прозрачных контактных площадок 18, которые либо заподлицо с ее поверхностью, либо слегка выступают из нее. Контактные площадки 18 предпочтительно выполнены из оксида олова. и каждый соединяется с соответствующей прозрачной частью 20. Часть 20 просто соединяет каждый контакт 18 с соответствующим проводящим выводом 22, каждый из которых подключается к электрической или электронной схеме распознавания, которая обсуждается в другом месте в описании.

По желанию, вокруг контактных площадок 18 и в изолирующем отношении к ним расположен изолирующий или заземляющий электрод 24, который подключается к проводящему проводу 26. Проводящий провод 26, в свою очередь, подключается к источнику, скажем, устойчивого состояния или переменного возбуждения. не показано. Этот изолирующий или защитный электрод также может быть встроен в пластину 16 и либо заподлицо с ее поверхностью, либо немного выступать из нее, и представляет собой прозрачную проводящую часть. Назначение и работа электрода 24 также будут рассмотрены в другом месте этого описания.

К каждому проводящему проводу 22 электрически подключен реактивный элемент, такой как конденсаторы 28. Конденсаторы 28 обычно соединяются вдоль проводящего провода 30, который несет переменный или переменный сигнал возбуждения, генерируемый источником сигнала 32. В дополнение к конденсаторам 28 показаны конденсаторы 29, которые изображены штриховыми линиями для обозначения фантомной емкости контактных площадок 18, а также последовательно соединенные резистор 33 и конденсатор 34, которые существуют только тогда, когда они обеспечиваются телом человека, т.е.е., палец человека, который касается одной из контактных площадок 18.

Источник 32 сигнала должен генерировать сигнал для применения по линии 30 и линии 31; сигнал может быть сформирован как относительный прямоугольный сигнал. Критерий для этого сигнала состоит в том, что он должен иметь достаточную амплитуду и частоту для работы компонентов изобретения, описанных или подлежащих описанию. Генератор формы сигнала, например, содержащий компаратор операционного усилителя вместе с интегратором, содержит типичную схему, которую можно использовать для генерации требуемых прямоугольных волн.Поскольку такая схема хорошо известна или может быть найдена в «Интегрированных электронных схемах и цифровых схемах и системах» Millman & Halkins, защищенных авторским правом 1972 года McGraw-Hill, Inc., дальнейшее ее обсуждение не считается необходимым.

Как упоминалось ранее, токопроводящие выводы 22 подключены к электрической или электронной схеме распознавания, предпочтительно к устройствам с технологией CMOS. Схема распознавания включает в себя мультиплексор 36, который адаптирован для использования в качестве средства передачи нескольких единиц информации, приложенных к нему, по одному проводу, например, проводящему выводу 38.Мультиплексор 36 лучше показан на фиг. 2 и, как видно, содержит устройство 100, такое как, например, коммерчески доступный аналоговый мультиплексор TF 4052B компании Texas Instruments или аналогичное устройство. Устройство представляет собой 4-канальный мультиплексор, имеющий два двоичных управляющих входа (A и B), который выбирает один из четырех каналов в соответствии с таблицей функций, показанной на фиг. 3. Следует отметить, что заявители не хотят ограничиваться какими-либо конкретными устройствами, и пример приводится только в целях иллюстрации, где показаны только четыре контактные площадки 18.Очевидно, что можно использовать любое количество контактных площадок, поэтому выбранный мультиплексор должен обеспечивать необходимые соответствующие каналы.

Далее, двоичные управляющие входы (A и B) могут быть предоставлены устройством 102, например, деление на четыре (деление на N) для другого количества контактных площадок) (двухбитный счетчик, который запускается синхронно и синхронизируется сигналом на линии 31, полученным от источника 32 сигнала. Поскольку эти двоичные счетчики хорошо известны, дальнейшее их обсуждение не считается необходимым.

Сигнал на проводящем проводе 38, который в дальнейшем будет называться информационными единицами, подается на синхронный усилитель 40, который лучше всего описывается со ссылкой на фиг. 4. В основном схема представляет собой выпрямитель. Выпрямитель включает в себя операционный усилитель 110 с обычными элементами обратной связи Zf и входным элементом Zi. В предпочтительном варианте коэффициент усиления этого усилителя составляет плюс и минус 1, что будет обсуждаться в ближайшее время. Дополнительно усилитель делается синхронным путем подачи сигнала по линии 31, полученного от источника 32 сигнала, на усилитель 110.(См. «CMOS Switch Inverts Analog Signal Under Control of Digital Logic», Electronic Design 25, 6 декабря 1975 г.)

После выпрямления информационных блоков через усилитель 40, такие блоки подключаются к последовательному резистору 42, за которым следуют шунтирующие емкости 44. Эта сеть образует простейшие формы, используемые для снижения содержания пульсаций выпрямленного сигнала. Однако одно различие между простой RC-схемой и схемой в соответствии с настоящим изобретением состоит в том, что конденсаторы 44 соединены шунтом с резистором 42 через второй мультиплексор 46, подключенный как демультиплексор.Таким образом, формируется эквивалент массива синхронно переключаемых квадратурных фильтров, каждый конденсатор 44 соответствует одному квадратурному фильтру. (Подробный анализ коммуникативного фильтра см. На фиг. 3 и 5 и в статье «Get notch Qs in the Hundreds», Electronic Design 16, 2 августа 1974 г.)

Отфильтрованный выходной сигнал затем подается через проводящий провод 48 в схему 50, которая обычно сравнивает уровень этого выходного сигнала с опорным сигналом. Любая разница между уровнем и опорным сигналом обнаруживается при этом синхронно, и это различие или сравнение представляют собой данные, которые могут быть распознаны и использованы микропроцессором, компьютером и т.п., как указано позицией 56.Выход 56 обычно используется для управления или настройки отображения через линию управления данными 58.

После описания «аппаратного обеспечения» системы согласно настоящему изобретению теперь будет рассмотрена ее работа. Однако, прежде чем рассматривать операцию, сначала необходимо принять несколько начальных условий. Предполагая, что устройство 12 представляет собой ЭЛТ обычного осциллографа или другого осциллографического устройства, известно, что такое устройство включает в себя внешние элементы управления, такие как переключатели, например, для выбора или выбора одного из множества входных сигналов и дальнейшего расширения этого выбора. относительно того, обеспечивается ли прямое соединение (постоянный ток) или емкостная связь (переменный ток) от входа к усилителю.Следовательно, согласно настоящему изобретению две контактные площадки 18 могут заменить описанные переключатели, что упрощает конструкцию осциллографа, делая его менее дорогим и улучшая его внешний вид. В дальнейшем сигнал возбуждения, скажем, 10 килогерц, генерируемый источником сигнала 32, подается на конденсаторы 28 и 29. Если конденсаторы 28 и 29 идентичны, на проводящих выводах создается напряжение, которое составляет примерно половину амплитуды. сигнала выхода.В этих условиях система стабильна и никаких изменений не происходит. Здесь следует упомянуть, что защитный электрод 24 используется, чтобы гарантировать, что конденсаторы 28 равны, предотвращая возникновение проблемы с распределенной емкостью между контактными площадками. Однако при прикосновении к контактной площадке пальцем человека емкость человеческого тела (приблизительно 100 пикофарад) шунтирует конденсатор 29, связанный с одним из проводящих проводов 22. Соответственно, сигнал возбуждения шунтируется, и уровень напряжения на соответствующем проводящем проводе становится равным. уменьшенный.Информация об уровне сигнала контактной площадки затем синхронно мультиплексируется через мультиплексор 36. Эта операция изображена на фиг. 6, на котором показано множество графиков, связанных со временем. На графике форма 150 волны представляет собой сигнал возбуждения, подаваемый через конденсаторы 28 и 29, и который также доступен по линии 31, тогда как форма волны 152 представляет единицы информации, связанные с одним из проводящих выводов 22. Если в момент времени Tsub .0, касание проводящей площадки, амплитуда формы волны 152 в течение всего времени, в течение которого площадка находится в контакте с емкостью тела, скажем, до момента времени T.п.1 уменьшается. В момент времени T 1 амплитуда формы волны 152 возвращается к уровню покоя. Формы 154 и 156 сигнала представляют собой соответственно сигналы A и B, разделенные или отсчитанные от формы 150 сигнала в мультиплексоре 36. Следовательно, в соответствии с функциональной таблицей, приведенной на фиг. 3, сигнал, появляющийся на токопроводящем элементе 38, представляет собой форму волны 158. Поскольку контактная площадка синхронно мультиплексируется, только один из каждых четырех сигналов или импульсов с уменьшенной амплитудой доступен на входе в фильтр.Соответственно, форма 158 сигнала обрабатывается для выпрямления усилителем 40 для получения формы 160 сигнала. Форма 160 сигнала, в свою очередь, синхронно фильтруется при прохождении через резистор 42 и шунтирующую емкость 44 в соответствии с демультиплексированием мультиплексором 46 в соответствии с фиг. 3 и 5, чтобы обеспечить на емкости 44 форму волны 162. С формой волны 162 связана линия 164, которая представляет уровень покоя или опорный сигнал, используемый компаратором 50. Таким образом, компаратор 50 синхронно сравнивает уровень формы волны 162 с напряжением. уровень представлен строкой 164.Между интервалами T 0 и T 1 компаратор 50 определяет кумулятивную разность уровней, и оттуда выдается выходной сигнал. Этот выходной сигнал 166 передается на средство 56 для изменения отображения в соответствии с заданными условиями. Продолжительность или период времени, необходимый для того, чтобы компаратор обнаружил прикосновение к контактной площадке, зависит от постоянной времени резистора 42 и конденсаторов 44. Таким образом, в этом примере, когда касаются контактной площадки, на что указывает наличие сопротивление 33 и конденсатор 34, форма волны 166 представляет собой слово, закодированное в цифровой форме, которое средство 56 распознает, чтобы произвести необходимые изменения.

Очевидно, что цели и преимущества настоящего изобретения были реализованы, поскольку то, что предоставлено, представляет собой сенсорный дисплей для системы цифрового кодирования, которая синхронно преобразует данные в дискретные элементы информации.

Теперь обратимся к фиг. 7 показан другой вариант осуществления части изобретения. В этой конфигурации контактные площадки предназначены для использования таким образом, чтобы имитировать потенциометры. Контактные площадки 18 расположены по кругу, но матрица может быть расположена линейно.При перемещении емкости тела пальца по массиву сигнал генерируется, как описано ранее, но этот сигнал соответствует направлению и скорости движения пальца, что позволяет генерировать непрерывные функции. В показанном варианте осуществления, то есть конфигурации из трех концевых площадок, каждая третья площадка электрически соединена вместе. Таким образом, формируются трехфазные часы, в которых кодируются как направление, так и скорость движения пальца. Очевидно, что возможность непрерывной функции, реализованная без движущихся частей, является преимуществом по сравнению с предшествующим уровнем техники.

Хотя были показаны и описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной области техники будет очевидно, что многие изменения и модификации могут быть сделаны без отклонения от них в его более широких аспектах. Например, используя описанные методы, можно было бы предоставлять аналоговую информацию, представляющую непрерывный сигнал, путем предоставления контактных площадок в виде непрерывной части и наличия средств для определения положения пальца, когда палец скользит по траектории.Кроме того, можно напрямую вводить позиционные данные в систему, предоставляя, скажем, множество кодированных контактных площадок, посредством чего, когда палец помещается на множество площадок, автоматически генерируется код. Также существуют другие возможности, такие как наложение контактной панели поверх двух уже наложенных дисплеев, то есть стопки, такой как лицевая панель ЭЛТ плюс прозрачная жидкокристаллическая панель плюс лицевая панель ЭЛТ. Следовательно, прилагаемая формула изобретения предназначена для охвата всех таких модификаций и изменений, которые соответствуют истинному духу и объему изобретения.

Коды конденсаторов

Electronics имеет дело со схемами, и тот, кто имеет дело с этим, должен знать о каждом используемом компоненте. Не только компонент, но и его ценности имеют наибольшее значение. Незначительное изменение значения приведет к ужасным ошибкам, поэтому, чтобы избежать этой проблемы, нужно знать о выборе значений компонентов и проверять, правильные они или нет.

Большинству из нас известен цветовой код резистора, но лишь немногие знают, как определять значения емкости.Итак, здесь я собираюсь обсудить, как идентифицируются коды конденсаторов.

Обычно для больших конденсаторов фактические значения емкости, напряжения или допуска указываются на корпусе конденсаторов в виде буквенно-цифровых символов.

Но для меньших дисковых конденсаторов (керамических конденсаторов) вместе с пластиковыми пленочными конденсаторами обычно идут очень маленькие значения в пико и нанофарадах. Обычно мы видим 3 числа вместе с алфавитом.

Обычно мы не понимали, как понимать номиналы таких конденсаторов.

Производитель конденсаторов использует два метода кодирования:

1. Цветовая маркировка
2. Кодовое обозначение

Цветовое кодирование

Неполяризованные конденсаторы из слюды и полиэстера имеют цветовую маркировку, аналогичную цветовой кодировке резистора. Цвет отмечается сверху вниз. Первый цвет считается 1 ^st цифра , второй цвет, очевидно, 2 ^nd цифра , третий — множитель , 4 ^-й — допуск и пятый — напряжение рейтинг .

Таблица кодов цветов конденсаторов

Вы можете видеть, что на диаграмме указаны два значения допуска. Если рассчитанное значение емкости превышает 10 пФ, следует учитывать первый столбец допуска. Если рассчитанное значение меньше 10 пФ, следует взять второй столбец допуска.Между этими двумя методами есть существенная разница, поэтому не упускайте их из виду при расшифровке конденсатора.

Значение конденсатора = [Цифра 1 Цифра 2 * множитель] ± Допуск

Давайте посмотрим на небольшой пример,

Здесь у нас есть конденсатор из полиэстера с цветной маркировкой. Отмечая цвета, мы можем сформулировать коды и, наконец, узнать значение емкости.

Следовательно, значение конденсатора согласно уравнению (1) = 34 * 0,1 ± 0,25 пФ = 3,4 ± 0,25 пФ

Таблица цветов напряжения конденсатора

• Тип J : Танталовые конденсаторы с погружением в воду
• Тип K : Слюдяные конденсаторы
• Тип L : Конденсаторы из полиэстера / полистирола
• Тип M : 4-х полосные электролитические конденсаторы
• Тип N : электролитические 3-х полосные конденсаторы

Числовое кодирование

Керамические конденсаторы имеют цифровую кодировку. Важно отметить, что обычно диапазон значений конденсаторов составляет пикофарады (10 ^-12 Ф).У большинства из них 3 числа. 3 числа имеют уникальное значение. 1 -е и 2-е числа являются значащими цифрами , а 3-е число является множителем . В основном последняя цифра означает, сколько нулей нужно добавить после первых двух цифр.

Таблица множителей приведена ниже.

Алфавит обозначает допуск. Здесь K означает допуск +/- 10%

Для обозначения допусков используются разные буквы.

Таблица допусков приведена ниже

Единственное различие между цветовым кодированием и числовым кодированием состоит в том, что числа печатаются непосредственно для представления значащих цифр и других параметров.