Bu makalede, özellikle veri toplama (DAQ) sistemleri dünyasında kullanılan sinyal amplifikatörlerini ele alacağız. Bu makalenin sonunda şunları yapacaksınız:
- DAQ sinyal yükselticilerinin nasıl çalıştığını göreceksiniz.
- DAQ sistemlerinde nasıl kullanıldıkları hakkında daha fazla bilgi edineceksiniz.
- Bu sinyal amplifikatörlerinin uygulamalarını ve faydalarını anlayacaksınız.
Başlamaya hazır mısınız? Hadi başlayalım!
Sinyal Amplifikatörü Nedir?
Sinyal amplifikatörü, gelen bir sinyal voltajının veya akım sinyalinin genliğini artırmak için elektrik gücü kullanan ve bu yüksek genlikli versiyonu çıkış terminallerinden veren bir devredir. İdeal bir sinyal amplifikatörü, orijinal sinyalin daha büyük ancak diğer her yönden aynı olan tam bir kopyasını oluşturur. Pratikte “mükemmel” bir amplifikatör mümkün değildir, çünkü hiçbir devre belirli bir noktadan sonra bir sinyalin tüm yönlerini mükemmel ve orantılı bir şekilde ölçeklendiremez.
Sinyal amplifikatörleri, sabit hat ve hücresel telefon sistemleri, müzik ve genel seslendirme sistemleri, veri toplama (DAQ) sistemleri, radyo frekansı vericileri, servo motor kontrolörleri ve sayısız başka cihaz dahil olmak üzere binlerce cihazın önemli bir bileşenidir.
Veri toplama (DAQ) sistemlerinde, küçük sinyaller veren sensörlerden gelen genlikleri, sayısallaştırma için bir A/D dönüştürücüye (ADC) gönderilebilecekleri seviyeye yükseltmek için sinyal amplifikatörlerine ihtiyaç vardır. Tipik analog-dijital dönüştürücü ±5 V giriş seviyesine sahiptir. Bu nedenle termokupllardan, shuntlardan, strain gagelerden ve diğer sensörlerden gelen ±5V’den çok daha düşük sinyaller ADC’ye gönderilmeden önce önemli ölçüde yükseltilmelidir.
Şekil 1. Dewesoft’un IOLITE R8 ve IOLITE R12 veri toplama sistemi, çeşitli sinyal yükseltici modüllerini göstermektedir
Her biri farklı sinyal türlerini koşullandırabilen çeşitli sinyal amplifikatörleri vardır. Aşağıda, günümüz veri toplama sistemlerinde bulunan bazı yaygın sinyal amplifikatörlerinin bir listesi verilmiştir:
- Diferansiyel amplifikatörler
- İzole amplifikatörler
- Gerilim (Voltaj) amplifikatörleri: alçak gerilim amplifikatörü, yüksek gerilim amplifikatörü, DC gerilim amplifikatörü, AC gerilim amplifikatörü
- Akım amplifikatörleri
- Piezoelektrik amplifikatörler
- Charge amplifikatörleri
- Termokupl amplifikatörleri
- Strain Gage (Gerinim ölçer) amplifikatörleri: bridge (köprü) amplifikatörü, full-bridge (tam köprü) amplifikatörü, half-bridge (yarım köprü) amplifikatörü, quarter-bridge (çeyrek köprü) amplifikatörü)
- Resistance (Direnç) amplifikatörleri
- LVDT amplifikatörleri
Bir Sinyalin Temel Özelliklerinin Korunması
Bir gitar amplifikatörünün amacı, bir elektro gitardan gelen düşük seviyeli çıkışı almak ve iyi ses çıkarmasını sağlamaktır. Bunun doğrulukla (bu uygulamada ilgisizdir) hiçbir ilgisi yoktur ve her şey estetikle ilgilidir. Sadece bu sinyal amplifikatöründen iyi bir ses elde etmek için kullanılır ve klasik tüplü amfilerdeki elektronikler, sesi belirli bir müzik türü bağlamında daha hoş hale getirmek için kasıtlı olarak “renklendirmek” üzere tasarlanmıştır.
Şekil 2.Tipik elektro gitar amplifikatörü
Resim Free-Photos tarafından Pixabay’dan alınmıştır
Bununla birlikte, bir DAQ sisteminin amacı sinyallerin doğru, objektif ölçümlerini yapmaktır. Bu nedenle, sistemin tüm yönleri sinyal doğruluğunu korumak için tasarlanmıştır. Bir DAQ sistemi sinyalin genliğini artırdığında sinyalin karakterini ve doğasını bozarsa bu kendi kendini yok etmek olur. Tekrar etmekte fayda var, ideal sinyal amplifikatörü orijinal sinyali hiçbir şekilde bozmamalıdır. Peki bunu nasıl başarabiliriz?
Günümüzün en iyi DAQ sistemlerinde kullanılan sinyal amplifikatörlerinin (diğer adıyla “sinyal koşullandırıcıları”) özelliklerine hızlıca bakarak bir sinyalin hangi unsurlarının korunmasının en önemli olduğu hakkında çok güçlü ipuçları gözlemlenebilir. İşte en sık belirtilen unsurlar:
- Giriş Aralıkları (Ranges)
- Bant Genişliği ve Alias-free Bant Genişliği
- Örnekleme Hızı (Sampling rate)
- Artış Doğruluğu (Gain Accuracy)
- Artış Kayması (Gain Drift)
- Artış Doğrusallığı (Gain Linearity)
- Ofset Doğruluğu (Offset Accuracy)
- Ofset Kayması (Offset Drift)
- Dinamik Aralık (Dynamic Range)
- Noise Floor
- Giriş Empedansı (Input Impedance)
- Maksimum Ortak Mod Gerilimi (Maximum Common-Mode Voltage)
- İzolasyon
Şimdi bu özelliklerin her birine bir göz atalım ve DAQ sinyal amplifikatörlerinde nasıl çalıştıklarını görelim.
Giriş Aralığı (Input Range) Nedir?
Giriş aralıkları, sinyale uygulanabilen seçilebilir giriş değerleridir. Tipik bir düşük voltajlı sinyal koşullandırıcıda, bunlar ±100 mV ile ±50 V (veya daha yüksek) arasında değişebilir ve aralarında birkaç adım daha olabilir.
Kullanıcı, sinyalin toplam bipolar genliğine en iyi uyan giriş aralığını seçer. Örneğin, bir sinyal ±500 mV civarında değişiyorsa (ancak aşmıyorsa), ±500 mV giriş aralığı ayarı ideal olacaktır. DAQ sisteminde bu mevcut değilse, kullanıcı bir üst aralığı, örneğin ±1V’u seçmelidir.
Sinyalin uç noktalarının “kırpılmasını (clipping)” önlemek için sinyalin seçilen giriş aralığının maksimum bipolar sınırlarından herhangi birini aşmaması önemlidir.
Şekil 3.Bir sinyali ADC için ideal ±5V’a yükseltmek için ±500 mV aralığı kullanma
Sinyal düzenleyicinin görevi, bu aralıkların her birini ADC’nin ihtiyaç duyduğu ideal ±5 V çıkışa yükseltmektir. Bu nedenle, ±5V giriş aralığı birim artış (unity gain) veya giriş ve çıkış arasında 1:1 oran anlamına gelirken, ±500 mV giriş aralığının seçilmesi amplifikatörün 10:1 artışa sahip olduğu anlamına gelir. 200V aralığının seçilmesi 1:40’lık bir artış, yani 40’a 1’lik bir zayıflama anlamına gelir. Aralık ne olursa olsun, çıkış ADC’ye sunulmak üzere ideal ±5 V’a ölçeklendirilir.
Bu noktada, DAQ sistemimizin sinyal “amplifikatörünün”, kullanıcının seçtiği giriş aralığına bağlı olarak aynı zamanda bir sinyal “düşürücü” olması gerektiği görülmektedir. Sinyali yükseltiyor, zayıflatıyor ya da hiçbirini yapmıyor olmasına bakılmaksızın eşit derecede iyi performans göstermelidir.
Yanlış aralık seçilirse ne olur? Kullanıcı çok büyük bir aralık seçerse, sinyal ±5 V çıkış açıklığı içinde çok küçük olacaktır. Sonuç, sayısallaştırıldığında daha az çözünürlük ve zayıf bir sinyal-gürültü oranı olacaktır.
Şekil 4. Çok geniş bir giriş aralığının seçilmesi çözünürlük kaybına neden olur
Çok geniş bir aralık kullanmak, 200 metre uzakta durup normal bir kamerayla bir kedinin fotoğrafını çekmeye benzer… Ortaya çıkan görüntüde kediyi içeren nispeten az sayıda piksel olacaktır. Kedi çerçeveyi doldurana kadar yaklaşılmalı ve kameranın tüm çözünürlüğü kediyi yakalamak için kullanılmalıdır.
Şekil 5. Çok küçük bir giriş aralığının seçilmesi sinyalin “kırpılmasına” neden olur
Öte yandan, çok yakın durursanız kedinin sadece bir kısmının fotoğrafını çekebilirsiniz, değil mi? Kedinin bir kısmı karede hiç yer almayacaktır. Kullanıcı sinyal için çok küçük bir giriş aralığı seçerse de aynı şey olur: sinyalin bir kısmı “kırpılır” ve hiç kaydedilmez.
İdeal giriş aralığı Giriş aralığı çok büyük Giriş aralığı çok küçük
Toplanılan test dataları için de aynı durum geçerlidir. Doğru giriş aralığını seçmek, mümkün olan en iyi sinyal-gürültü oranını ve sinyal çözünürlüğünü elde etmek ve “kırpılmış” yani aşırı modüle edilmiş ölçümlerden kaçınmak için kritik öneme sahiptir.
Yanlış Giriş Aralığı Ayarlarına Çözüm – Dewesoft DualCoreADC® Teknolojisi
Mühendisler yıllarca bu ikilemle mücadele etmişlerdir. Kendilerine mümkün olan en iyi çözünürlüğü sağlayacak bir aralık seçmek isterler, ancak bazı sinyaller öngörülemez ve ölçüm sırasında genlikleri beklenenin çok ötesinde artar.
Bir çözüm, her bir sinyali DAQ sistemindeki iki farklı giriş kanalına girmek olabilir:
- Kanallardan biri testlerin çoğu için en iyi çözünürlüğe ayarlanır.
- Diğer kanal ise sinyalin genliğinin önemli ölçüde arttığı zamanlar için daha geniş bir aralığa ayarlanır.
Bu işe yarayabilir, ancak çok verimsizdir: her giriş sinyali için iki kanal kullanmak, aynı işi yapmak için iki kat daha fazla DAQ sistemi gerektirir. Buna ek olarak, her testten sonra veri analizini çok daha karmaşık ve zaman alıcı hale getirecektir.
Şekil 6. Dewesoft’un DualCoreADC® amplifikatörleri her kanala iki ADC yerleştirir
Dewesoft’un DualCoreADC® teknolojisi, kanal başına iki ayrı 24 bit ADC kullanarak ve bunlar arasında gerçek zamanlı olarak otomatik geçiş yaparak ve tek, kesintisiz bir kanal oluşturarak bu sorunu çözer. Bu iki ADC her zaman giriş sinyalinin yüksek ve düşük kazancını ölçer. Bu sayede sensörün mümkün olan tüm ölçüm aralığı elde edilir ve sinyalin kırpılması önlenir.
Bu sadece dinamik sinyaller için geçerli değildir: termokupllar gelenler gibi çok yavaş sinyallerde bile, mümkün olan en yüksek genlik ekseni çözünürlüğüne sahip olmak kritik olabilir.
1500°’lik bir aralıkta ölçüm yapabilen bir termokupl düşünün. Çoğu zaman yüz derece civarındadır, ancak bazen 800° veya daha fazlasına kadar yükselebilir. Bu çok yavaş sinyalde bile DualCoreADC® teknolojisi büyük bir avantajdır, çünkü sinyalin çoğu için Artış1 ile yüksek genlikli gezintiler sırasında Artış2 arasında otomatik olarak geçiş yapar ve her zaman optimum Y ekseni çözünürlüğünü korur.
DualCoreADC® teknolojisi ile SIRIUS DAQ sistemleri 130 dB’den fazla sinyal-gürültü oranı ve 160 dB’den fazla dinamik aralık elde eder. Bu, 20 kat daha az gürültü ile tipik 24 bit sistemlerden 20 kat daha iyidir.
Şekil 7. DualCoreADC amplifikatörlü SIRIUS modüler 8 kanallı veri toplama sistemi
Bant Genişliği ve Alias-Free Bant Genişliği Nedir?
“Frekans tepkisi” olarak da adlandırılan bant genişliği, bir sinyal amplifikatörünün performansının tatmin edici olduğu düşünülen frekans aralığıdır. Bu, tarihsel olarak sinyalin genliğinin hala gerçek değerinin -3 dB içinde olduğu noktaya kadar sinyali yeniden üretebileceği anlamına geldiği kabul edilmiştir. “3 dB noktası” olarak adlandırılan bu nokta, gerçek genliğinin %70,7’sindeki sinyal olarak da ifade edilebilir.
Şekil 8. Bir sinyal amplifikatörünün “3 dB aşağı” noktasını gösterir
SIRIUS LV (düşük voltaj) sinyal amplifikatörü ile gerçek dünyadan bir örneğe bakalım. Bu modelin nominal bant genişliği 70 kHz’dir. Bunun nedeni kısmen SIRIUS LV’nin tek başına bir sinyal koşullandırıcı değil, aynı zamanda tam entegre bir ADC’ye sahip olmasıdır. Aslında bu, 24 bit çözünürlüğe ve dahili anti-aliasing filtrelemesine sahip bir delta-sigma ADC’dir.
Delta-sigma ADC’lerin özelliklerinden biri, seçilen hızdan çok daha hızlı örnekleme yapmalarıdır. Bu durumda 24 bit gibi çok yüksek genlik ekseni çözünürlüğüne sahip bir çıkış veri akışı elde etmek için güçlü DSP elektroniği kullanılır. Bu şema, gelen sinyaller için çok yavaş örneklemenin neden olduğu parazitli (yani “yanlış”) sinyalleri de önler.
Sonuç olarak, bant genişliği aynı zamanda “parazitsiz” bant genişliğidir, yani bu aralıkta parazitli sinyaller mümkün değildir. A/D dönüşümü içermeyen sinyal amplifikatörleri parazitsiz bant genişliğini belirtemez, çünkü bu spesifikasyon A/D işlemiyle ilgilidir.
Şekil 9. SIRIUS kenar yumuşatma filtrelemesinin standart 2., 4. ve 8. derece filtrelerle karşılaştırılması
Mümkün olan en iyi bant genişliği ve anti-aliasing sonuçlarını elde etmek için teknolojilerin bir kombinasyonu kullanılır:
- analog filtreleme,
- yüksek örnekleme
- dijital filtreleme.
Yukarıdaki grafiğe baktığınızda, SIRIUS filtrelemesini temsil eden turuncu çizginin neredeyse mükemmel olduğunu görebilirsiniz. Peki bu nasıl başarıldı? Her filtrenin bir faz kayması uyguladığı iyi bilinir, peki bu nasıl mümkün oldu?
Çok keskin bir roll-off (“sönümleme”) elde etmek için yüksek dereceli bir filtreye ihtiyacımız var. Bu bizi analog yerine dijital alanda filtrelemeye yönlendirir, ancak dijital filtreleme örtüşmeyi önlemek için kullanılamaz. Bu konuda daha fazla bilgiyi A/D dönüştürücü nedir bölümünde bulabilirsiniz.
,
Şekil 10. SIRIUS amplifikatör sinyal zinciri mimarisi
Bu nedenle, örtüşmeyi engellemek için önce analog alanda filtreleme yaparak ve ardından dijital alanda filtreleme yaparak bu mümkündür. Ancak en iyi faz sonuçları için, filtreleme arasında en zorlu hesaplamalardan biri olan ve çok fazla işlem gücü gerektiren bir FIR (Finite Infinite Response) filtresi kullanmalıyız.
Neyse ki SIRIUS ADC alt sistemindeki DSP, saniyede milyonlarca hesaplama yapabilecek kapasitededir. Buna ek olarak, delta-sigma mimarisi Nyquist frekansını yükselten ve sinyal kalitesini artıran aşırı örnekleme içerir. Sonuç, öngörülebilir bir frekansta, bu durumda 70 kHz’de çok dik bir sönümlenmedir.
HS (yüksek hızlı) serisi gibi daha hızlı bir A/D kullanan ve böylece daha yüksek bir bant genişliği ve parazit içermeyen bant genişliği sunan başka SIRIUS sinyal amplifikatörleri olduğu unutulmamalıdır. Belirli modüle bağlı olarak HS serisi 500 kHz, 1 MHz ve 2 MHz bant genişlikleri sunar. Buna ek olarak, SIRIUS XHS serisi yüksek bant genişliği modunda 5 MHz’e kadar bant genişliği sunar.
Her durumda, cihazı uygulama ile eşleştirmek önemlidir. Fiziksel (elektriksel ve mekanik) alandaki neredeyse her DAQ ölçümü için SIRIUS serisi sinyal amplifikatörlerinin sunduğu bant genişliği fazlasıyla yeterlidir.
Örnekleme Hızı (Sample Rate) Nedir?
Bir DAQ sistemi belirlerken çoğu insan örnekleme hızına bir arabanın son hızı gibi bakar. “Bu şey ne kadar hızlı gidebilir?”
Şekil 11. Peter Fischer tarafından Pixabay’dan alınan yarış arabası görüntüsü
Elbette bu önemli bir sorudur, ancak sistemin etkin bant genişliğini ve parazitsiz bant genişliğini de dikkate almamız gerekir(önceki bölüme bakın), bu nedenle bu spesifikasyon belki de daha önemlidir.
Örnekleme hızı basitçe bir DAQ sistemindeki A/D dönüştürücünün sinyal amplifikatöründen gelen analog verileri örnekleme hızı veya oranıdır. Yukarıda tartıştığımız bant genişliği ile açıkça ilişkilidir.
Örneğimiz olarak SIRIUS’u kullanmaya devam edersek, bu modüllerin üç çeşidi mevcuttur:
- SIRIUS DualCore ve HD (Yüksek Hassasiyet): Maksimum örnekleme hızı: 200 kS/s/ch
- SIRIUS HS (Yüksek Hız): Maksimum örnekleme hızı: 1 MS/s/ch
- SIRIUS XHS (eXtra Yüksek Hız): Maksimum örnekleme hızı: 15 MS/s/ch
Örnekleme hızı:
- “S/s/ch” = kanal başına saniye başına örnekleme
Tüm kanallar aynı anda örneklenir, bu nedenle 1 MS/s/ch hızında 8 kanal kaydediyorsak saniyede 8 milyon örnek diske yazılır. Bir örnek bir bayttan daha fazla olduğu için “bayt” yerine “örnek” terimini bir kelime veri anlamında kullanmak yaygın bir uygulamadır. 16 bitlik bir sistemde bir örnek iki bayttır, ancak 24 bitlik bir sistemde dört bayttır. Bu yüzden “örnek” terimini kullanmak daha kullanışlı ve daha az kafa karıştırıcıdır.
Dolayısıyla, örnekleme hızı özellikle sinyal amplifikatörünün analog kısmıyla ilgili olmasa da, dahili ADC sistemine sahip SIRIUS durumunda, sinyal zincirinin analog ve dijital unsurlarının sıkı entegrasyonu nedeniyle geçerli bir endişedir. Daha önce gösterildiği gibi, bu bölümler mümkün olan en iyi performansı elde etmek için tek bir sistem olarak tasarlanmıştır.
Artış Doğruluğu (Gain Accuracy) Nedir?
Artış doğruluğu, bir sinyal amplifikatörünün bir sinyali yükseltebileceği doğruluktur. Örneğin, 1,287 V’luk bir sinyalimiz varsa ve amplifikatörümüzden genliğini 10 kat artırmasını istersek, amplifikatör bize 12,870 V’luk bir çıkış sinyali vermelidir: bu örnekte tam olarak 10 kat daha büyük. İdeal amplifikasyon ile gerçek amplifikasyon arasındaki fark artış hatasıdır.
İdeal sinyal amplifikatöründe hiç artış hatası olmaz, ancak gerçekte her sistemde bir miktar hata vardır.
Artış doğruluğu, basitçe artış doğruluğunun tersi olan “artış hatası” cinsinden de ifade edilebilir.
Bu metrik için yaygın kısaltmalar arasında tam skala yüzdesi için “% FS” ve okuma yüzdesi için “% RD” bulunur.
Artış hatası, normalde gerçek sinyal okumasının yüzdesi olarak ifade edilen bir büyüklük ölçümüdür. Ancak çok farklı olabilen tam skala yüzdesi olarak da verilebilir. Nasıl?
Yuvarlak sayılarla bir örnek verecek olursak – şu iki varsayımsal sistemi düşünün: her biri 10V aralığının artış doğruluğunu %1 olarak belirtilmiş olsun.
Varsayımsal sistem A okumada artış hatasını belirtirken, varsayımsal sistem B bunu tam skalada belirtir. Aradaki fark nedir?
Bunu test etmek için her iki sisteme de 10V sinyali yerleştiririz. Sinyal 10V ve aralığımız 10V olduğunda, artış hatası Sistem A ve B’de aynı olmalıdır.
Ama … ya sinyalin genliğini 5V’a düşürürsek ne olur?
Sistem A’da okumanın %1’lik bir artış hatası vardır, dolayısıyla artış hatası yüzdesi okumanın genliğini takip eder ve sabit kalır. Bu aralıktaki sinyal ne olursa olsun, artış hatası değişmez – her zaman sinyal okumasının aynı yüzdesidir.
Sistem B, okumadan bağımsız olarak %1’lik bir artış hatasına sahiptir, bu nedenle sinyal genliği %50 azaltıldığında ancak ölçüm aralığı 10V’da kaldığında hata iki katına çıkar. Sinyali 1V’a düşürürsek, artış hatası %1’den 10 kat daha kötü veya %10 olabilir.
Bu nedenle artışın gerçekte nasıl belirtildiğine bakmak önemlidir.
SIRIUS LV modülü, okumanın ±%0,05’i kadar bir artış doğruluğu spesifikasyonuna sahiptir. Bu, belirli bir aralıkta sinyal genliği ne olursa olsun, artış doğruluğunun (hata) değişmeyeceği anlamına gelir.
Artış Kayması (Gain Drift) Nedir?
Artış kayması daha doğru bir şekilde “Artış Sıcaklık Kayması” olarak adlandırılır çünkü ortam sıcaklığındaki değişikliklerin bir sonucu olarak ortaya çıkabilecek artış hatası miktarıdır. Bu nedenle artış kayması, sıcaklıktaki derece değişimi başına milyonda bir parça sayısı olarak ifade edilir.
Sıcaklık ya Celsius cinsinden ya da SI birimi K (Kelvin) cinsinden ifade edilir. Sıfır veya referans noktaları büyük ölçüde farklı olsa da Kelvin ve Celcius’un aynı büyüklüğe sahip olduğunu unutmayın. Yani bir Celsius derecesi bir Kelvin birimi ile aynı büyüklüktedir.
SIRIUS LV sinyal amplifikatörü bu spesifikasyona iyi bir örnektir. Artış sapması şu şekilde belirtilmiştir:
- Tipik 10 ppm/°K, maks. 30 ppm/°K
Bu durumda iki spesifikasyon verilmektedir: günlük çalışma koşulları altında beklenen tipik sapma ve zorlu koşullar altında yaşanabilecek (en kötü koşullardaki) maksimum sapma. Bu durumda tipik sapma Kelvin birimi başına milyonda 10 parça olacaktır (esasen “°C derece başına” ile aynıdır).
“Milyonda parça”, çalışma sıcaklığında bir değişikliğe maruz kaldığında artış sapacağı kesri tanımlar.
Artış sapmasının belirtildiğini görebileceğiniz başka bir yol da şudur:
- ±20 ppm/°K ±100μV/°K
Bu durumda, derece başına ppm sapması belirtilir ve sıcaklık değişiminin °C derecesi başına maksimum artış sapmasını belirlemek için °C derecesi başına ek bir voltaj (bu örnekte 100 µV) eklenmelidir.
Tabii ki, hangi sıcaklıkla başladığımızı bilmemiz gerekir, bu nedenle üreticiler normalde söz konusu cihazın temel çalışma sıcaklığını veya çalışma sıcaklıkları aralığını sağlar.
Artış Doğrusallığı (Gain Linearity) Nedir?
Doğrusallık, bir amplifikatörün, içine koyduğumuz sinyallerin doğru kopyaları olan yükseltilmiş sinyalleri ne kadar iyi çıkarabildiğini ifade eder. Elbette hiçbir amplifikatör mükemmel değildir, ancak doğrusal bir amplifikatör bu zorluğun üstesinden gelmek için özel olarak tasarlanmıştır. DAQ sistemleri doğru ölçümler yapma işindedir, bu nedenle sinyal koşullandırıcılarının ölçtüğü sinyallerin doğasını temelden değiştirmesi pek mümkün değildir.
Amplifikatörümüzün orijinal sinyalin mümkün olduğunca mükemmel bir kopyasını yapmasını istiyoruz, ancak sadece farklı bir genlikte. Gelen ve giden dalga şekillerinin uyumu aynı olmalı, çok az miktarda bozulma veya “doğrusal olmama” olmalıdır.
Örnek olarak SIRIUS LV sinyal koşullandırıcıyı kullanırsak, bu modülün artış doğrusallığı spesifikasyonu <%0,02’dir; bu da basitçe, orijinal dalga şekline kıyasla güçlendirilmiş sinyalin doğrusallığının yalnızca %0,02 oranında yanlış olabileceği anlamına gelir.
Ofset Doğruluğu Nedir?
Daha çok yükseltilen sinyalin büyüklüğü ile ilgili olan artış doğruluğunun aksine, ofset doğruluğu sinyalin taban çizgisinin doğru Y ekseni konumlandırması ile ilgilidir.
Basit bir AC sinüs dalga formu örneğini ±1.000 V’ta kullanalım. Bu sinyalin merkez çizgisi tam olarak 0.000 V’tadır. Sinyal koşullandırıcımız bu sinüs dalgasını ±5.000 V’a kadar yükseltecek şekilde ayarlanmışsa, taban çizgimizin hala 0.000 V’ta olmasını isteriz, değil mi? Ofset doğruluğu, sinyal düzenleyicimizin yükselttiği sinyallerin taban çizgisini ne kadar iyi koruyabileceğini tanımlar.
SIRIUS LV göz önüne alındığında, ofset doğruluğu spesifikasyonu hem dahili dengeli amplifikatörden önce hem de sonra verilir. Bu amplifikatörün çok geniş ölçüm aralığı nedeniyle, özellikler aralığa bağlı olarak biraz farklıdır.
- En hassas ölçüm aralığı olan ±100 mV’de ofset doğruluğu ± 0,1 mV’dir.
- En az hassas ölçüm aralığı olan ±200 V’de, ofset doğruluğu ± 40 mV’dir.
Yani bu değerler, ±100 mV aralığı seçildiğinde ±0,1 mV ofset doğruluğu gibi mutlak değerlerdir. Bu çok etkileyici bir sayıdır ve ilk bakışta altındaki 40 mV ofset doğruluğu spesifikasyonunun çok daha kötü görünmesine neden olur. Ancak öyle değildir – çünkü bu değer ±100 mV aralığından 2000 kat daha büyük olan ±200 V aralığındadır!
Ofset Kayması (Offset Drift) Nedir?
Daha önce tartıştığımız artış kayması spesifikasyonunda olduğu gibi, ofset kayması da bu parametrenin ortam çalışma sıcaklığındaki değişikliklere bağlı olarak zaman içinde değişme eğilimidir.
SIRIUS LV sinyal koşullandırıcıyı örneğimiz olarak kullanırsak, ofset kayması şu şekilde belirtilir:
- Tipik 0,3 μV/°K + 5ppm aralık/°K, maks: 2 μV/°K + 10 ppm aralık/°K
Burada da aslında iki spesifikasyon verilmektedir: normal bir çalışma ortamındaki tipik sapma ve sistem zorlu bir çalışma ortamında kullanıldığındaki maksimum sapma
Yani tipik çalışma ortamında, ofset sapma spesifikasyonu şöyledir:
- Kelvin birimi başına 0,3 µV (0,000003 V) + Kelvin birimi başına seçilen ölçüm aralığının 5 ppm’i (0,000005)
Dinamik Aralık (Dynamic Range) Nedir?
Dinamik aralık belki de en kolay müzikle açıklanabilir. Müzik CD’si piyasaya sürüldüğünde vinil plak ve kasetlere kıyasla avantajlarından biri dinamik aralığa sahip olmasıydı. Temel olarak bu, ortamın ifade edebileceği en düşük ve en yüksek sesler arasındaki farktır.
Ses hacmi doğası gereği logaritmiktir, bu nedenle dinamik aralık desibel (dB) cinsinden ifade edilir.
Bir kaset 50 – 60 dB dinamik aralığa ulaşabilirken ve 33-⅓ RPM vinil LP 55 – 70 dB dinamik aralık sunarken, bir CD’deki müzik 96 dB’ye kadar ulaşabilir ve hatta insan kulağına göre gürültü şekillendirme kullanılarak daha da yüksek olabilir.
Dinamik aralık, bozulmamış en büyük büyüklükteki sinyal ile en küçük büyüklükteki sinyal arasındaki orandır. Bunu sistemler arasında tekrarlanabilecek şekilde ölçmek için, 1 kHz’de saf sinüs dalgası gibi bir sinyal ve 1.228 VRMS gibi sabit bir büyüklük bilinen bir referans olarak belirlenir.
SIRIUS LV durumunda, dinamik aralık spesifikasyonu 10 kS/s örnekleme hızında kullanıcı tarafından seçilebilen her aralık için verilmiştir:
- En hassas aralık olan ±100 mV’de dinamik aralık 130 dB’dir
- En az hassas aralık olan ±200 V’ta dinamik aralık 136 dB’dir
Peki Dewesoft bu kadar yüksek bir dinamik aralığı nasıl elde ediyor? Sıradan DAQ sistemleri 100 dB’nin altında dinamik aralık özelliklerine sahiptir.
İlk açıklama, 24-bit delta-sigma ADC teknolojisinin kullanılmasıdır. Yukarıda bahsedilen müzik CD’si 1980’lerden kalma bir standarttır ve CD’de yalnızca 16 bit müzik depolanmasına izin verir. Çözünürlüğe eklenen her bir bitin ifade edilebilecek değer sayısını iki katına çıkardığını düşünürseniz, 24 bit ADC’lerin 16 bit ADC’lerden çok daha fazla niceleme sağladığı açıktır.
Ancak bu sadece başlangıç çünkü benzer 24 bit ADC’lere sahip diğer DAQ sistemleri bile bu özelliklere ulaşamıyor. Dewesoft’un DualCoreADC® teknolojisi, kanal başına iki ayrı 24 bit ADC kullanır ve bunlar arasında gerçek zamanlı olarak otomatik geçiş yaparak tek ve kesintisiz bir kanal oluşturur. Bu iki ADC her zaman giriş sinyalinin yüksek ve düşük artışlarını ölçer. Bu sayede sensörün mümkün olan tüm ölçüm aralığı elde edilir ve sinyalin kırpılması önlenir.
DualCoreADC® teknolojisi ile SIRIUS 130 dB’den fazla sinyal-gürültü oranı ve 160 dB’den fazla dinamik aralık elde eder. Bu, 20 kat daha az gürültü ile tipik 24 bit sistemlerden 20 kat daha iyidir.
Sinyal Gürültü Oranı (Signal Noise Ratio) Nedir?
Adından da anlaşılacağı gibi bu, faydalı sinyal içeriği ile sinyal zincirine sızan arka plan veya istenmeyen sinyal içeriği (gürültü) arasındaki orandır. Sinyal-gürültü oranı (genellikle S/N veya SNR olarak kısaltılır) desibel (dB) cinsinden ifade edilir.
Bu özellik yukarıda açıklanan dinamik aralık ile yakından ilişkilidir. Dewesoft DualCoreADC teknolojisi, iki farklı artım açıklığına ayarlanmış iki bağımsız 24 bit ADC kullanarak ve ardından akışlarını mümkün olan en düşük gürültü tabanı ve mümkün olan en iyi dinamik aralık ve sinyal / gürültü oranına sahip tek bir akışta birleştirerek SIRIUS ölçüm sistemlerinin sinyal / gürültü oranını önemli ölçüde geliştirir.
Noise Floor Nedir?
Yukarıda açıklanan Sinyal/Gürültü oranıyla yakından ilişkili olan “noise floor”, bir ölçüm sisteminde mevcut olan ve “gürültü” olarak adlandırılan tüm istenmeyen sinyallerin toplamıdır. Bunu bir ses amplifikatöründe hayal etmek kolaydır çünkü gürültü, müziğin sessiz pasajlarının arkasında tam anlamıyla duyulabilir. Ancak tüm sistemlerde, özellikle de elektronik sinyalleri daha yüksek bir seviyeye yükselten sistemlerde mevcuttur.
Bir spektrum analizörü kullanarak bir sistemin arkaplan gürültüsünü ölçmek mümkündür.
Ortalama genliği arkaplan gürültüsünden daha düşük olan herhangi bir sinyali doğru bir şekilde ölçemeyeceğimiz için, bu parametrenin bilinmesi ve anlaşılması önemlidir.
Sinyal gürültü oranı gibi, arkaplan gürültüsü de desibel (dB) cinsinden ifade edilir.
Şekil 12. IOLITE 8xTH sinyal amplifikatörü
Örnek olarak, Dewesoft IOLITE 8xTH‘ye bakalım. Bu, izole edilmiş 8 kanallı bir termokupl sinyal koşullandırıcıdır. Arkaplan gürültüsü iki örnekleme hızında ve iki ölçüm aralığında belirtilmiştir:
Dolayısıyla 114 dB’lik en iyi durum spesifikasyonu, 10 S/s’de ve ±1 V aralığında örnekleme yapıldığı zamandır.
Giriş Empedansı Nedir?
DAQ sistemi kullanıcıları, yüksek empedanslı bir girişin düşük empedanslı bir girişten daha iyi olduğunu söylemeye eğilimlidirler. Ama neden? Temel olarak, giriş empedansı ne kadar yüksekse, bağlı sinyal kaynağından o kadar az akım çekecektir. Bu tercih edilir çünkü sinyal amplifikatörümüz ne kadar az akıma izin verirse, ölçümün kalitesi üzerinde o kadar az etkisi olabilir. Sonuç olarak, neredeyse tüm DAQ sistemleri, voltmetreler ve osiloskoplar yüksek giriş empedanslı girişlere sahiptir.
Şekil 13. Tipik lastik basınç göstergesi
Resim OpenClipart-Vectors tarafından Pixabay’dan alınmıştır
Arabanızdaki bir lastiğin hava basıncını ölçtüğünüzü düşünün. Basınç göstergesini bağladığınızda, ölçüm yapabilmek için lastiğinizden az miktarda hava çıkmasına izin verir.
Bu benzetmede, ideal lastik basınç göstergesi, lastiğinizin içindeki hava üzerinde neredeyse hiçbir etkiye sahip olmaması anlamında “yüksek empedanslı” olacaktır. Ancak “düşük empedanslı” bir basınç göstergesi çok fazla havanın dışarı çıkmasına izin vererek lastiğinizin havasının belirgin şekilde inmesine ve performansının düşmesine neden olur. Ayrıca yanlış okumalara da neden olabilir.
Peki “giriş empedansı” tam olarak nedir?
Esasen empedans, bir devrenin ölçüm sistemimize akım akışına (empedans) karşıtlığının toplamıdır. Empedans iki bağımsız skaler elemandan oluşan vektörel bir büyüklüktür: direnç (statik) ve reaktans (dinamik). Vektör, iki boyutlu bir büyüklüğü ifade eder. Bu durumda, iki tek boyutlu (skaler) elemandan oluşur: direnç (R) ve reaktans (X).
Empedans Z sembolü ile yazılır ve Ohm (Ω) cinsinden ifade edilir.
Empedansın tersi (1/Z) admitans olarak adlandırılır, yani girişin sinyal kaynağından ne kadar akım çekeceği anlamına gelir.
İdeal DAQ girişi sonsuz bir empedansa sahip olacaktır. Uygulamada, DAQ sistemleri, voltmetreler vb. için giriş empedansları tipik olarak 1 MΩ aralığındadır. Dewesoft sinyal koşullandırıcılar tipik olarak bu giriş Z’sini de sağlar, ancak modüller içindeki bazı modeller veya aralıklar 10 MΩ giriş Z’sine olanak tanır. Örneğin, ±200 V aralığında 1 MΩ giriş Z’si sağlayan SIRIUS LV (düşük voltaj) modülünü ele alalım, diğer tüm aralıklar 10 MΩ giriş Z’si sağlar.
Ayrıca, SIRIUS HV (yüksek voltaj) modülü 10 MΩ || 2 pF giriş Z sağlar; burada || sembolü “paralel olarak” anlamına gelir.
Osiloskoplar ve DAQ sistemleri gibi yüksek giriş empedansına sahip ölçüm sistemleri genellikle giriş Z’lerini normalde çok küçük bir değer olan bir kapasitansa paralel bir direnç olarak belirtir. 2 pF = 2 pikofarad, yani bir faradın milyarda 2’si.
Maksimum Ortak Mod Gerilimi
İlk olarak, ortak mod gerilimi tam olarak nedir? Ortak mod gerilimleri, genellikle bir sensörü ölçüm sistemine bağlayan kablodan ölçüm zincirine giren istenmeyen sinyallerdir. Bu gerilimler ölçmeye çalıştığımız gerçek sinyali bozar.
Genliklerine bağlı olarak, “küçük bir sorun” olmaktan gerçek sinyali tamamen gizlemeye ve ölçümü mahvetmeye kadar değişebilirler. Hem pozitif hem de negatif giriş terminallerine girdikleri için “ortak mod” olarak adlandırılırlar.
Şekil 14. Bir Diferansiyel Amplifikatörün Gösterimi
Ortak mod sinyallerini ortadan kaldırmak için en temel yaklaşım bir diferansiyel amplifikatör kullanmaktır. Bu amplifikatörün iki girişi vardır: bir pozitif ve bir negatif. Amplifikatör yalnızca iki giriş arasındaki farkı ölçer.
Her iki hat için ortak olan sinyaller diferansiyel amplifikatör tarafından reddedilecek ve aşağıdaki grafikte gösterildiği gibi sadece sinyali geçirilecektir:
Şekil 15. Bir diferansiyel amplifikatör, CMV giriş aralığı içindeki ortak mod gerilimlerini başarıyla ortadan kaldırır
Bu harika çalışır, ancak amplifikatörün ne kadar ortak mod voltajını (CMV) reddedebileceğinin sınırları vardır. Sinyal hatlarında bulunan CMV, diferansiyel amplifikatörün maksimum CMV giriş aralığını aştığında, “kırpılacaktır”. Sonuç, aşağıda gösterildiği gibi bozuk, kullanılamaz bir çıkış sinyalidir:
Şekil 16. CMV giriş aralığı aşıldığında bir diferansiyel amplifikatör bozulur
Tüm Dewesoft sistem girişleri diferansiyel olduğundan ve çoğu da izole edildiğinden, verilen maksimum ortak mod spesifikasyonu aslında her iki korumanın toplamıdır. Maksimum ortak mod voltajının nasıl belirlendiğini görmek için aşağıdaki örneğe bakalım:
SIRIUS STG, her tür gerinim ölçeri kullanabilen, aynı zamanda voltaj ve direnci doğrudan ölçebilen ve charge tipi ve IEPE tip ivmeölçerler, termokupllar, LVDT’ler ve daha fazlası dahil olmak üzere DSI serisi adaptörleri kullanarak çok çeşitli diğer giriş türlerini işleyebilen çok işlevli bir modüldür. Hem diferansiyel hem de diferansiyel + izole versiyonları mevcuttur.
SIRIUS STG Maks. Ortak Mod Gerilim spesifikasyonu:
- İzole versiyon: ±500 V
- Diferansiyel versiyon: 50 V aralık: ±60 V; @diğer tüm aralıklar: ±12 V
Diferansiyel versiyonun maksimum CMV’si uygulamaya uygunsa, bu model uygundur. Ancak ortak mod gerilimlerinin spesifikasyondan daha yüksek olması bekleniyorsa, ±500V ortak mod gerilim koruması sunduğu için izole versiyon kullanılmalıdır.
İzolasyon
Bir diferansiyel giriş amplifikatörünün maksimum ortak mod voltajının yeterince yüksek olmadığı durumlarda, CMV, elektriksel gürültü ve toprak döngülerine karşı ek bir koruma katmanına ihtiyaç vardır: izolasyon.
İzole edilmiş bir amplifikatörün girişleri ortak mod geriliminin üzerinde “yüzer”. Bu amplifikatörler 1000 volt veya daha fazla kırılma gerilimine sahip bir izolasyon bariyeri ile tasarlanmıştır. Bu, çok yüksek CMV gürültüsünü reddetmelerini ve toprak döngülerini ortadan kaldırmalarını sağlar.
Şekil 17. İzole edilmiş bir diferansiyel amplifikatör çok yüksek CMV’yi bile reddeder
İzole amplifikatörler bu izolasyon bariyerini, girişi çıkıştan ayırmak için küçük transformatörler kullanır veya küçük optokuplörlerle veya kapasitif çiftleme oluşturur. Son iki yöntem tipik olarak en iyi bant genişliği performansını sağlar.
İzolasyon normalde voltaj olarak belirtilir. Örneğin, tüm Dewesoft SIRIUS amplifikatörleri 1000 V izolasyonla derecelendirilmiştir ve HV (yüksek voltaj) modülü bu seviyede ek CAT II sertifikası alır. Diğer şeylerin yanı sıra CAT derecelendirmeleri, bir sistemin belirli seviyelerdeki geçici akımlara nasıl dayanabileceğini ifade eder.
Özet
Umarız bu makale, sinyal amplifikatörleri ve bunların arkasındaki ana teknoloji ve terminoloji hakkında sizler için yararlı olmuştur. Sinyal amplifikatörlerinin nasıl çalıştığını ve teknik özelliklerini nasıl daha iyi yorumlayacağınızı anlamak, DAQ sistemlerini seçerken doğru seçimi yapmanıza kesinlikle yardımcı olacaktır.