Técnicas de excitación

Los transductores activos se pueden excitar usando una corriente o voltaje controlados. La elección entre el voltaje y la excitación de corriente es generalmente a discreción del diseñador. En los sistemas de adquisición de datos, no es raro ver la excitación de voltaje constante utilizada para los sensores de tensión y presión, mientras que la excitación de corriente constante se usa para excitar sensores resistivos como RTD o termistores. En entornos industriales ruidosos, la excitación de corriente es generalmente preferible debido a su mejor inmunidad al ruido.

Las fuentes de excitación de CA o CC se pueden usar en aplicaciones de transductores; Cada uno ofrece ventajas y desventajas

Técnicas de excitación AC

• La desventaja de esta técnica es que son mas caras de implementar.
• La ventaja es que presenta una mejor rendimiento.
• se usa ventajosamente en circuitos de acondicionamiento de señal de transductor para eliminar errores de compensación, promediar ruido de 1 / f y eliminar efectos debidos a termopares parásitos. Con una sensibilidad reducida a 1 / f-ruido, se puede producir una señal de salida perceptible con corrientes de excitación o voltaje mucho más bajos. La disminución de la excitación significa que los efectos de autocalentamiento del flujo de corriente en los sensores resistivos pueden reducirse considerablemente. Dado que está involucrado un ancho de banda relativamente estrecho.
• Es probable que la excitación de CA ofrezca una mayor inmunidad a la interferencia de RF que la excitación de CC.
• La excitación de CA elimina así los efectos del ruido de 1 / f y los efectos de termopar parásitos inducidos por CC en una cadena de señal. Esto permite que la excitación se reduzca considerablemente, lo que a su vez reduce los errores introducidos por el autocalentamiento en sensores basados ​​en resistencia. Estos beneficios generalmente superan las desventajas de un costo de implementación algo mayor y el cuidado que se debe tomar para asegurar una solución adecuada antes de que se realice una medición.

Técnicas de excitación DC

• Las ventajas asociadas con la excitación dc incluyen la simplicidad de implementación y el bajo costo.
• La desventaja de la excitación de CC incluye la dificultad de separar la señal real de los errores de CC no deseados debido a las compensaciones y los efectos de termopar inducidos por parásitos.
• Las compensaciones de DC no son fijas; varían de forma impredecible debido a la variación de la temperatura y a las fuentes de ruido térmicas y de 1 / f.

Hay dos factores principales en la selección de una fuente de excitación que mejorará el rendimiento general del sistema. Primero, resolución: la magnitud de la excitación debe ser suficiente para que el cambio mínimo en la variable que se está midiendo produzca una salida del transductor que sea lo suficientemente grande como para superar el ruido y la desviación en el sistema. Segundo, nivel de potencia: si el sensor es resistente, el diseñador debe asegurarse de que los efectos de autocalentamiento de la corriente de excitación que fluyen a través del transductor no afecten adversamente los resultados medidos.

Excitación por Corriente Continua.

La Figura 1 muestra algunas de las fuentes de error del sistema asociadas con la excitación y medición de CC en una aplicación de sensor de puente. En este circuito de puente, no es posible distinguir qué parte de la salida de CC (y de baja frecuencia) del amplificador es realmente del puente y cuánto se debe a las señales de error. Los errores introducidos por el ruido 1 / f, los termopares parásitos y las compensaciones del amplificador no pueden tratarse a menos que se use algún método para diferenciar la señal real de estas fuentes de error. La excitación de CA es una buena solución a este problema.

Figura1-Excitación por Corriente Continua.

Las señales de un transductor puente, que dependen de la excitación, suelen ser pequeñas. Si la excitación es de 5 V y la sensibilidad del puente es de 3 mV / V, la señal de salida máxima es de 15 mV. Las fuentes de degradación de la información proporcionada por estas señales de bajo nivel incluyen ruido (tanto térmico como 1 / f), voltaje de termopares parásitos y errores de compensación del amplificador. Por ejemplo, los termopares parásitos existen en el cableado normal del circuito. Las uniones entre la soldadura de estaño-plomo y las trazas de cobre de la tarjeta de PC pueden introducir efectos de termopar de 3 a 4 µV / ° C, si existen gradientes térmicos en todo el circuito. También existirán uniones de termopares entre las trazas de cobre de la placa de circuito y los pines kovar del amplificador, lo que crea errores de voltaje tan grandes como 35 µV / ° C. En un sistema de adquisición de datos de alta resolución, estos errores de termopar.

Excitación por Corriente Alterna.

La excitación de CA es un enfoque poderoso para separar estos errores de la señal. Al utilizar una onda cuadrada para la excitación de CA, con la polaridad de la señal de excitación invertida entre las mediciones, los errores de CC inducidos se pueden cancelar de manera efectiva. Este esquema de corte también tiene el efecto de eliminar el ruido 1 / f, que es dominante en las frecuencias bajas (dc a unos pocos Hz) en estas aplicaciones.

Figura 2-Confguración típica del Puente Wheatstone usando excitación AC

La Figura 2 muestra cómo se puede configurar un puente para la excitación por corriente alterna. La polaridad de la tensión de excitación al puente se invierte en ciclos alternos, utilizando los transistores Q1 a Q4 para realizar la conmutación. Todos los errores de CC y de baja frecuencia inducidos se han agrupado como EOS. Durante la fase 1, Q1 y Q4 son en tiempo Q2 y Q3 están fuera ; La salida, VOUT, está dada por (V A + EOS ). Durante la fase 2, Q2 y Q3 están encendidos, mientras que Q1 y Q4 están apagados, con la salida, V OUT , representada por (-V A + EOS ). La salida real es la suma de las dos fases, dando V OUT = 2 × V A. Las señales de control para la excitación de CA deben ser señales de reloj no superpuestas. Este esquema elimina los errores asociados con la excitación de CC a expensas de un diseño más complejo.

Circuitos Integrados que tienen este tipo de excitación.

Son varios los integrados, en este bloggs mencionaré estos dos: AD7730 y el  AD7195 que son integrados que tienen en su interior un bloque "AC EXCITATIÓN CLOCK".

Figura3-Aplicación de puente Wheatstone  excitado por CA utilizando el convertidor sigma-delta AD7730.

Figura4-Aplicación de puente Wheatstone  excitado por CA utilizando el convertidor sigma-delta AD7195.

La Figura 8 muestra una aplicación de transductor de puente que utiliza el ADC de transductor de puente AD7730 , que incluye en el chip todos los circuitos necesarios para implementar la excitación de CA y producir el resultado de salida calculado luego de la conmutación de la excitación.

El AD7730 sigma-delta ADC es un extremo delantero analógico completo para aplicaciones de pesaje y medición de presión. Funcionando desde una sola fuente de + 5-V.

los transistores Q1 a Q4 realizan la conmutación de la tensión de excitación. Estos transistores pueden ser transistores bipolares o MOS combinados discretos.

Dado que la tensión de entrada analógica y la tensión de referencia se invierten en ciclos alternos, el AD7730 debe sincronizarse con estas inversiones de la tensión de excitación. Para la conmutación síncrona, proporciona las señales de control lógicas para conmutar la tensión de excitación. Estas señales son las salidas CMOS no superpuestas, ACX y ACX . Uno de los problemas encontrados con la excitación de ca es el tiempo de establecimiento de las señales de entrada analógicas después de la conmutación, especialmente en aplicaciones donde hay cables largos desde el puente hasta el AD7730.