Elektronikus eszközök felépítése

A valós világban előforduló jelek mérése, kezelése leghatékonyabban elektronikus eszközökkel oldható meg. A modern ezsközök ma már digitális, szoftvert futtató részeket is tartalmaznak. Az ilyen eszközök általános felépítése látható az alábbi ábrán.

A külső jeleket szenzor (érzékelő) alakítja elektronikával kezelhető formába. A bemenete sokféle jel lehet (például hőmérséklet, nyomás, elmozdulás), a kimenete feszültség, áram, ellenállás, kapacitás, induktivitás.

A szenzor kimeneti jelét megfelelő tartományú feszültséggé kell alakítani ahhoz, hogy hatékonyan feldolgozható legyen. Az ezt megvalósító jelkondicionálást analóg elektronika végzi el. Az így kapott feszültség A/D konverterrel digitalizálható. Az A/D konverter kimenete egész szám, ami digitális elektronikával, processzorral és rajta futó szoftverrel kezelhető a leghatékonyabban.

Szükség esetén a folyamat fordítottja is megvalósítható. Ebben az esetbe D/A konverterrel alakítjuk analóg jellé a digitális adatokat, majd analóg elektronikával alakítjuk megfelelő kjelekké, melyek aktuátor segítségével hatást, például fényt, hőmérsékletnövelést, elmozdulást hoznak létre. Itt szükség lehet nagyobb teljesítményre is.

Részletesebb bemutatás látható a Beágyazott technológiák kurzushoz tartozó videókban:

• Bevezetés
• Digiitális rendszerek

Elektronikai alapok

A műszerek analóg elektronikájának megértéséhez, elemzéséhez és tervezéséhez az alábbi alapvető számítási módszerek a legfontosabbak.

• Hálózatszámítás
  • Hálózatszámítási alapok
  • A csomóponti potenciálok módszere
  • Csomóponti egyenletek alkalmazása csomóponti feszültségek kiszámítására
  • Hálózatokra vonatkozó tételek, egyszerűsítések
• Váltóáramú hálózatok
  • Váltóáramú hálózatok leírása időtartományban
  • Váltóáramú hálózatok leírása frekvenciatartományban
• Műveleti erősítők
  • Műveleti erősítő alapismeretek
  • Műveletvégző áramkörök
  • Műszererősítők
• Adatkonvereterek

Műszerek integrált áramkörei

Az integrált áramkörök gyakran használt, univerzális áramköri részkapcsolásokat tartalmaznak. Ez nagyon sok előnnyel jár, diszkrét áramköri elemekből sokszor nem is lehetne ezeket felépíteni. Nem csak a megépítési munkát váltja ki és nem csak a miniatürizálás a cél, hanem egy lapkán sokkal egyformább komponensek hozhatók létre. Gondoljunk például egy rezisztív feszültségosztóra: nem az a lényeg, mennyire pontosak az értékek, hanem az, mennyire egyformák. Ugyanez igaz tranzisztorokra is, melyek a legtöbb integrált áramkör alapvető komponensei.

Az intergált áramkörök alkalmazástechnikája

Az integrált áramköröket építőelemként használjuk, összekötjük őket, és természetesen tartozik hozzájuk használati utasítás is, amiket követni kell ahhoz, hogy úgy működjenek, ahogy elvárható.

Adatlapok

Minden elektronikai alkatrészhez, így minden integrált áramkörhöz is tartozik egy adatlap (datasheet). Erről részletesebben itt található információ: Adatlapok értelmezése és használata.

Csatolásmentesítés

A csatolásmentesítés (decoupling) elektronikában általában azt jelenti, hogy biztosítjuk azt, hogy egy részáramkör működése ne zavarja a többi áramköri rész működését. Egy ilyen rész dinamikusan igényelhet vagy adhat áramot, feszültséget, azaz időben ingadozó jeleket kelt, melyik hatással lehetnek a többi részre. Ez persze lehet szükséges is, hiszen kimenettel hajtunk meg bemeneteket, de káros is lehet, ha például egy áramkör a tápfeszültség dinamikus terhelésével a tápfeszültség ingadozását okozza.

Az integrált áramkörök tápfeszültségbemeneti és a földpont közé a lehető legközelebb és legrövidebb kondenzátorokat kell kötni, így a hirtelen áramszükségletet a kondenzátor biztosítja. A legtipikusabb erre a célra a 100nF kerámiakondenzátor, mert a kapacitása elegendő, és igen jó nagyfrekvenciás tulajdonságokkal rendelkezik. Kiegészítésképp használhatunk 10uF körüli kerámia vagy tantál kondenzátorokat is. Ezt részletesebben írja le a Decoupling Techniques alkalmazási segédlet.

Földelés

A földpont (ground) az áramkörökben mérhető feszültségek viszonyítási pontja, ide folyik be minden visszatérő áram, ez jelenti a be- és kimeneti feszültségek viszonyítási pontját is. A földelést természetesen vezetők biztosítják, de a gyakorlatban tökéletes vezető nem létezik, így az átfolyó áram feszültségesést, ezzel hibát okozhat. A vezetékeknek az ellenállása mellett induktivitása is van, ami nagyfrekvencián romló vezetőképességet jelent. Ezért a földelést teljes rézréteggel (földsziget, földsík, ground plane) szokták megoldani a nyomtatott áramkörökön. Ha a földelés nem elég jó minőségű, nem csak a pontosság romolhat, hanem az áramkör hibásan is működhet.

A földelésről többet a Staying Well Grounded cikkben lehet olvasni.

Védelem (ESD, áram/feszültség, hőmérséklet)

Az áramkörök többféle terhelésnek lehetnek kitéve, melyek károsodást is okozhatnak. Az adatlap absolute maximum ratings táblázatában levő értékeket sosem szabad meghaladni. Az integrált áramkörök védőáramköröket is tartalmaznak, a maximum értékek ezekkel együtt értendők. Túláram, túlfeszültség, túlmelegedés mellett akár az érintéssel létrejövő kV nagyságú elektrosztatikus kisüléssel is számolni kell. Ha nem elég a belső védelem, külső komponensekkel kell megoldani, hogy a működés biztonságos tartományban maradjon. Erre mutat néhány példát a műveleti erősítő bemeneteinek védelmét tárgyaló rész.

PCB tervezési elvek

A nyomtatott áramkörök (printed circuit board, PCB) tervezése komoly gyakorlatot igénylő feladat. Fentebb már szóba került a csatolásmentesítés, a földelés, de ezek mellett számít az alkatrészek elhelyezése, a vezetékek elrendezése és hossza, vastagsága és számos más dolog is.

Néhány fontosabb megoldást mutat be a What Are the Basic Guidelines for Layout Design of Mixed-Signal PCBs? segédlet.

Erősítők

Az erősítő-kapcsolások univerzálisan használhatók jelkondicionálási feladatokhoz. Ide sorolható a jelek megfelelő tartományba skálázása, áram-feszültség konverzió és sok más is. Ezeket az erősítő-kapcsolásokat az univerzális építőelem műveleti erősítővel építhetjük meg. Teljesítményerősítőket aktuátorok meghajtására használunk.

Műveleti erősítők

A műveleti erősítők gyakorlati alkalmazásánál, műszeráramkörök tulajdonságainak megértéséhez fontos figyelembe venni az ideálistól eltérő tulajdonságaikat. Ezeket mutatja be az alábbi két fejezet.

• Műveleti erősítők DC tulajdonságai
• Műveleti erősítők AC tulajdonságai

Műszererősítők

Részletesebb leírás: Műszererősítők

Adatkonverterek

Az adatkonvertekek (analóg-digitál átalakítók és digitál-analóg átalakítók) integrált áramkörök, melyek biztosítják a jelek analóg és digitális formája közötti átjárást. Ma már a műszerek jellemző komponensei, rendkívül elterjedtek. Meghatározzák a műszerek pontosságát és biztosítják a szoftveres feldolgozás lehetőségét is.

Részletesebb leírás: Adatkonvereterek

Feszültség-referenciák

Minden méréshez szükséges kellően pontos referencia, amihez hasonlítjuk a mérendő mennyiséget. A szenzorok és jelkondicionálás után feszültséget kapunk, melyet A/D konverzió alakít számokká, ehhez szükséges referenciafeszültség. A referencia-feszültséget előállító áramkör lehet külön integrált áramkör, de akár az A/D konverter is tartalmazhatja. Alapvetően fontos a pontosság, a hőmérséklettől, tápfeszültségtől, terheléstől minél kevésbé függő érték.

Részletesebb leírás: Referenciaforrások

Analóg kapcsolók és multiplexerek

Integrált áramköri formában kaphatók félvezető alapú kapcsoló-áramkörök, melyek vagy jól vezetnek, vagy jól szigetelnek digitális vezérlőjelek állapotától függően. A relékkel (jelfogókkal) szemben nagy előnyük, hogy nem mechanikusak, így sokkal megbízhatóbbak és sokkal nagyobb kapcsolási sebesség érhető el. A kapcsolható jelek feszültségtartománya a tápfeszültségig terjed. Műszerekben jelutak kiválasztására, működési paraméterek állítására használhatók.

Részletesebb leírás: Analóg kapcsolók, multiplexerek

Szigetelő áramkörök

Műszerekben szükség lehet a jelek galvanikus leválasztására. Ez biztosíthat zavarvédelmet, de akár érintésvédelmet is nagyobb feszültségek mérésekor, vagy a pácienssel érintkező orvosi műszerekben. A szigetelés tipikusan a digitális tartományban működik hatékonyan, mivel itt nem befolyásolja a pontosságot.

Részletesebb leírás: Szigetelő áramkörök