گسترش محدوده دینامیکی سیستم های سنسور یک چالش اساسی در اندازه گیری دقیق و ابزار دقیق است. سنسورها باید به طور دقیق سیگنال هایی را که از اندازه، از نوسانات محیط زیست به فرآیندهای صنعتی با شدت بالا است، ضبط کنند - ساخته شده در اطراف تقویت کننده های عملیاتی، ترانزیستورها و کنترل انطباق - ارائه ابزار برای تقویت سیگنال های ضعیف، سرکوب صدا و اشباع از ورودی قوی مقاله گسترش می دهد، سیستم های کاربردی و کنترل بهره وری واقعی، و سیستم های فعال.

درک محدوده دینامیک در سنسورها

محدوده دینامیکی در یک سنسور به عنوان نسبت بزرگترین سیگنال قابل تشخیص به کوچکترین سیگنال قابل تشخیص تعریف شده است، به طور معمول در decibels (dB) بیان می شود، به عنوان مثال، سنسور با محدوده دینامیکی 100 dB می تواند یک سیگنال 1 μV را از یک سیگنال 10 V بدون تحریف یا از دست دادن رزولوشن گسترده تشخیص دهد.

محدودیت های محدوده دینامیکی ناشی از کف سر و صدا، محدودیت های اشباع و غیر خطیت ها است. کف سر و صدا کوچکترین سیگنال را تعریف می کند که می تواند از سر و صدا پس زمینه متمایز شود. Saturation زمانی رخ می دهد که ورودی از حداکثر سطح رتبه سنسور تجاوز می کند، باعث کلیپ برداری یا تحریف محدوده دینامیکی نیاز به کاهش کف سر و صدا، افزایش آستانه اشباع، و حفظ خطی در سراسر منطقه عملیاتی.

نقش مدارهای فعال در محدوده تمدید

مدارهای فعال سیگنال های سنسور را قبل از اینکه دیجیتالی یا پردازش شوند، تغییر می دهند.آنها سه تابع اصلی را خدمت می کنند: تقویت سیگنال های ضعیف، کاهش یا محدود کردن سیگنال های قوی و بافر عدم اطمینان برای جلوگیری از بارگذاری اثرات. متداول ترین اجزای فعال شامل تقویت کننده های عملیاتی (op-amps)، تقویت کننده های ترانزیستور و به دست آوردن مدارهای اتوماتیک (AGC) است.

تقویت کننده های عملیاتی و وضعیت سیگنال

Op-amps اسب های پردازش سیگنال آنالوگ هستند. [۱] بالا باز و تنظیمات بازخورد انعطاف پذیر امکان تقویت دقیق، فیلترینگ و تغییر سطح را فراهم می کند.برای گسترش محدوده دینامیکی، فرمت های تبلیغاتی در مراحل تقویت کننده غیر قابل مشاهده با مقاومت های بازخورد به دقت انتخاب شده برای ایجاد بدون اضافه کردن سر و صدا بیش از حد استفاده می شود.

کنترل اتوماتیک (AGC)

مدارهای AGC به طور پویا افزایش یک تقویت کننده را بر اساس دامنه سیگنال ورودی تنظیم می کنند (این به سیستم اجازه می دهد تا سطح خروجی ثابت را علی رغم تغییرات ورودی بزرگ حفظ کند.یک حلقه معمولی AGC شامل تقویت کننده متغیر (VGA)، یک آشکارساز پاکت و یک کنترل کننده بازخورد است که سیگنال های قوی در حال حاضر کاهش می یابد، جلوگیری از اشباع و ضعیف در طول سیگنال های اتصال (F) به سیستم های دقیق اتصال:

تقویت کننده های ترانسیستور برای برنامه های عالی

برای سنسورهایی که در فرکانس های رادیویی کار می کنند یا نیاز به پهنای باند بسیار گسترده، تقویت کننده های ترانزیستور گسسته (BJT یا FET) ارائه می دهند، عملکرد برتر و نویز بالاتر در مقایسه با فرمت های یکپارچه، رایج و رایج است.[۱] طرح های تقویت کننده منابع، همراه با پیکربندی های تقویت کننده کاتتر، می توانند با به حداقل رساندن خازن میلر و بهبود مهندسان خطی، به طور گسترده ای به دست آورند.

طراحی برای Active Dynamic Range Extension

طراحی یک مدار فعال برای گسترش محدوده پویا نیاز به متعادل سازی چندگانه، اغلب متناقض، پارامترهای: به دست آوردن، پهنای باند، سر و صدا، خط خطی و مصرف برق در زیر مناطق کلیدی است که نیاز به توجه دقیق دارند.

بهینه سازی صدا

سر و صدا اضافه شده توسط مدار فعال باید به حداقل برسد برای حفظ محدوده دینامیکی ذاتی سنسور.این شامل انتخاب کم-noise op-amp با ولتاژ پایین و مشخصات نویز فعلی، با استفاده از مقاومت های راست خاتمه، و استفاده از سپر و تکنیک های طرح برای کاهش تداخل خارجی است.

خطی بودن و عدم مالکیت

عدم خطی در تقویت کننده ها ایجاد هارمونیک و محصولات متقابل است که می تواند سیگنال های کوچک را پنهان کند یا باعث خواندن نادرست شود. تکنیک ها برای بهبود خطی بودن شامل استفاده از بازخورد منفی، انتخاب دستگاه با سود حلقه باز بالا و عمل در منطقه خطی از منحنی انتقال تقویت کننده.

حفاظت از سرخانه و محافظت از Saturation

مدارهای فعال باید دارای سرخانه کافی برای عرضه بدون کلیپ سازی سیگنال های مورد انتظار باشند، این بدان معنی است که انتخاب کردن قالب ها با قابلیت خروجی ریلی به ریل یا ارائه منابع تقسیم شده می تواند مورد استفاده قرار گیرد.

مصرف برق و مدیریت حرارتی

در سیستم های سنسور قابل حمل یا کم قدرت، بودجه قدرت مدار فعال باید به دقت مدیریت شود.پرش های کم قدرت و عملیات ترانزیستور زیرکانه می توانند مصرف را کاهش دهند، اما با هزینه پهنای باند و عملکرد صدا، طراحی حرارتی نیز مهم است زیرا خود گرمایش می تواند باعث حرکت در ولتاژ های جبران و به دست آوردن شود.

تکنیک های پیشرفته برای گسترش بیشتر

فراتر از تقویت پایه و AGC، چندین تکنیک آنالوگ پیشرفته می توانند محدوده دینامیکی را بیشتر تحت فشار قرار دهند.

تقویت کننده های Logarithmic

تقویت کننده های Log یک محدوده ورودی گسترده را به یک محدوده خروجی کوچکتر با استفاده از یک تابع انتقال لگاریمیک فشرده می کنند، این به ویژه برای سنسورهایی مانند Photodiodes یا accelerometers که سیگنال های چند دهه را تولید می کنند، مفید است. ولتاژ خروجی متناسب با logarithm از ورودی فعلی است، قادر به یک تقویت کننده واحد برای کنترل هر دو سیگنال های ضعیف و شدید بدون تغییر مراحل.

تکمیل (Compression and Expansion)

تکمیل یک تکنیک قرض گرفته شده از مخابرات است که سیگنال در فرستنده فشرده شده است (یا سنسور جلویی) و در گیرنده (یا ADC) گسترش یافته است.

Digital کالیبراسیون و ادغام ترکیبی

سیستم های مدرن اغلب مدارهای آنالوگ فعال را با پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) پس از دیجیتالی سازی ترکیب می کنند، پردازنده دیجیتال می تواند تکنیک های کالیبراسیون دیجیتال را پوشش دهد، حذف را جبران کند و فیلتر انطباق برای بازیابی سیگنال هایی که ممکن است در غیر این صورت از دست بروند. مجله طراحی الکترونیکی تکنیک های کالیبراسیون دیجیتال را پوشش می دهد که مکمل گسترش محدوده آنالوگ است.

برنامه های کاربردی در سیستم های سنسور

گسترش محدوده پویا فعال در سراسر طیف گسترده ای از فن آوری های سنسور اجرا می شود.

تصویربرداری پزشکی

در روش هایی مانند محاسبه ی توموگرافی (CT) و تصویربرداری رزانس مغناطیسی (MRI)، سیگنال از آشکارسازها می تواند با 80-100 dB. AGC و تقویت کننده های قابل برنامه ریزی (PGAs) متفاوت باشد تا تقویت کننده های جلو را برای هر خط جذب تنظیم کنند، اطمینان حاصل کنند که هر دو بافت نرم کم کنتراست و استخوان بالا دارای اهمیت هستند [F1] اغلب این منابع طراحی پزشکی را برجسته می کنند.

LiDAR و اپتیکی

تشخیص نور و تنظیم سنسورهای (LiDAR) باید بازده ضعیف را از اشیاء دور تشخیص دهند در حالی که از اشباع از سطوح نزدیک به شدت انعکاسی جلوگیری می کنند. تقویت کننده های ترانسفرنس با کنترل به دست آوردن اتوماتیک برای حفظ خطی بودن بر محدوده دینامیکی بازگشت کامل استفاده می شود. پیشرفته LiDAR از تقویت کننده های logarithmics برای پردازش کل زنجیره سیگنال بدون تغییر بهره می برد.

نظارت بر محیط زیست

سنسورهای کیفیت آب، شمارنده ذرات هوا و آشکارسازهای پرتو نیاز به کار در سراسر محدوده غلظت گسترده دارند، به عنوان مثال، سنسور همخوانی ممکن است از 0.01 NTU (آب پاک) به 1000 NTU (آب مایع) اندازه گیری کند.یک تقویت کننده جلویی با گام های به دست آوردن قابل انتخاب، همراه با میکروپرست که محدوده مناسب را انتخاب می کند، نظارت دقیق بدون مداخله دستی را فعال می کند.

فضا و دفاع

سنسورها در هواپیما و ماهواره ها تحت تغییرات دمای شدید، تابش و استرس مکانیکی عمل می کنند. مدارهای فعال باید با اجزای سخت و مسیرهای اضافی طراحی شوند. تکنیک های گسترش محدوده دینامیکی مانند ترکیب در گیرنده های رادار برای شناسایی اهداف پنهان در حالی که به طور کامل در معرض بازده بزرگ از بمب گذاران نزدیک است.

نتیجه گیری

ایجاد مدارهای فعال برای گسترش محدوده دینامیکی یک تلاش چند رشته ای است که ترکیبی از الکترونیک آنالوگ، پردازش سیگنال و طراحی سطح سیستم است.با دقت انتخاب اجزای مانند فرمت های op-amps و ماژول های AGC، بهینه سازی برای سر و صدا و خطی، و استفاده از تکنیک های پیشرفته مانند تقویت کننده و مقایسه، مهندسان می توانند سیستم های سنسور را ایجاد کنند که سیگنال های گسترده ای را در محیط های اکتشاف پویا جذب می کنند - به طور فزاینده ای از محیط های تعاملی - به عنوان گسترش می دهند.