صفر تا صد سنسورها و مبدل ها 

مدارهای الکترونیکی ایستاده ساده می‌توانند بصورت یک چراغ چشمک‌زن یا نواختن یک نت موسیقی ایجاد شوند. اما برای اینکه یک مدار یا سیستم الکترونیکی بتواند هر کار یا عملکرد کاربردی را انجام دهد، آن باید بتواند با “دنیای واقعی” ارتباط برقرار کند، که این چه با خواندن یک سیگنال ورودی از کلید “روشن/خاموش”  باشد و یا با فعال کردن نوعی دستگاه خروجی برای روشن کردن یک چراغ تنها باشد. به عبارت دیگر، یک سیستم یا مدار الکترونیکی باید قادر یا توانا برای “انجام” کاری باشد و سنسورها و مبدل ها المنت‌های مناسبی برای انجام این کار هستند. کلمه “مبدل” اصطلاح جمعی است که برای هر دو سنسورها و فعال کننده‌ها به کار می‌رود.

سنسورها و مبدل ها

در مورد سنسورها و مبدل ها، می‌توانند برای سنجش طیف گسترده‌ای از فرم‌های مختلف انرژی از قبیل حرکت، سیگنال‌های الکتریکی، انرژی تابشی، انرژی حرارتی یا مغناطیسی و غیره استفاده شوند و در مورد فعال کننده‌ها، می‌توانند برای تغییر وضعیت ولتاژ یا جریان استفاده شوند.

انواع مختلقی از سنسورها و مبدل ها، اعم از آنالوگ و دیجیتال و ورودی و خروجی برای انتخاب نوع فرم وجود دارد. نوع مبدل ورودی یا خروجی مورد استفاده، واقعاً بستگی به نوع سیگنال یا فرآیندی که “حس شده” یا “کنترل شده” دارد اما می‌‌توانیم یک سنسور و مبدل‌هایی را به عنوان دستگاه‌هایی که یک کمیت فیزیکی را به دیگری تبدیل می‌کند، تعریف کنیم.

دستگاه‌هایی که تابع “ورودی” را انجام می‌دهند، معمولاً سنسورها نامیده می‌شوند، زیرا آنها یک تغییر فیزیکی را در بعضی از خصوصیات که در پاسخ به برخی از تحریک‌ها تغییر می‌کنند “سنجش” می‌کنند، به عنوان مثال گرما یا نیروی نهانی که در یک سیگنال الکتریکی قرار دارد. دستگاه‌هایی که تابع “خروجی” را انجام می‌دهند، معمولاً فعال کننده‌ها نامیده می‌شوند و برای کنترل برخی از دستگاه‌های خارجی، به عنوان مثال حرکت یا صدا استفاده می‌شوند.

مبدل‌های الکتریکی برای تبدیل انرژی از یک نوع به نوع دیگر استفاده می‌شوند، به عنوان مثال، میکروفون (دستگاه ورودی) امواج صوتی را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند تا تقویت کننده آن را تقویت کند (یک فرآیند)، و یک بلندگو (دستگاه خروجی) این سیگنال‌های الکتریکی به امواج صوتی باز می‌گردند و نمونه‌ای از این نوع سیستم ساد، سیستم  ورودی/خروجی I / O)¹ ) است که در زیر آورده شده است.

انواع مختلفی از سنسورها و مبدل ها در بازار وجود دارد، و انتخاب هر کدام برای استفاده بستگی به کمیتی که اندازه‌گیری یا کنترل می‌شود دارد، انواع رایج آنها در جدول زیر آورده شده است:

سنسورها و مبدل های رایج

سنسورها و مبدل ها ی ورودی، یک پاسخ خروجی ولتاژ یا سیگنال تولید می‌کنند که متناسب با تغییر کمیتی است که آنها اندازه‌گیری می‌کنند (محرک). نوع یا میزان سیگنال خروجی به نوع سنسور مورد استفاده بستگی دارد. اما عموما، تمام انواع سنسورها می‌توانند در دو نوع سنسورهای غیر فعال یا حسگرهای فعال طبقه‌بندی شوند.

عموما، سنسورهای فعال برای عمل کردن به منبع تغذیه خارجی که سیگنال تحریک نامیده می‌شود و توسط سنسور برای تولید سیگنال خروجی استفاده می‌شود، نیاز دارند. سنسورهای فعال دستگاه‌های خود تولید هستند زیرا خصوصیات خودشان در پاسخ به یک اثر خارجی تولیدی، به عنوان مثال، ولتاژ خروجی از 1 تا 10 ولت DC یا جریان خروجی مانند 4 تا  20 میلی‌آمپر، تغییر می‌کند. سنسورهای فعال همچنین می‌توانند تقویت سیگنال را تولید کنند.

یک مثال خوب از سنسور فعال، سنسور LVDT یا فشارسنج است. فشارسنج، شبکه‌های پل مقاومتی حساس به فشار هستند که بصورت بیرونی بایاس شده‌اند (سیگنال تحریک) به گونه‌ای که متناسب با مقدار نیرو و / یا فشار اعمال شده به سنسور، یک ولتاژ خروجی تولید می‌کنند.

بر خلاف یک سنسور فعال، یک سنسور غیرفعال به هیچ منبع توان اضافی یا ولتاژ تحریکی نیاز ندارد. در عوض، یک سنسور غیرفعال در پاسخ به برخی محرک‌های خارجی یک سیگنال خروجی تولید می‌کند. به عنوان مثال، یک ترموکوپل که هنگام قرار گرفتن در معرض حرارت، ولتاژ خروجی خود را تولید می‌کند. سپس سنسورهای غیرفعال حسگرهای مستقیمی هستند که خصوصیات فیزیکی آنها مانند مقاومت، خازن یا اندوکتانس و غیره را تغییر می‌دهند.

اما همانند سنسورها و مبدل ها ی آنالوگ، سنسورهای دیجیتال، خروجی گسسته‌ای را که نشان‌دهنده یک عدد یا رقم باینری مانند سطح منطقی “0” یا سطح منطقی “1”  است، را نشان می‌دهند.

سنسورهای آنالوگ و دیجیتال

سنسورهای آنالوگ

سنسورهای آنالوگ سیگنال یا ولتاژ خروجی پیوسته‌ای را تولید می‌کنند که عموما متناسب با کمیتی که اندازه‌گیری می‌شود، است. کمیت‌های فیزیکی مانند دما، سرعت، فشار، جابجایی، فشار و غیره همگی کمیت‌های آنالوگ هستند زیرا که آنها طبیعتا تمایل به پیوسته بودن دارند. به عنوان مثال، دمای مایع را می‌توان با استفاده از دماسنج یا ترموکوپل اندازه‌گیری کرد که با گرم شدن یا خنک شدن مایع، پیوسته به تغییرات دما پاسخ می‌دهد.

ترموکوپل برای تولید یک سیگنال آنالوگ استفاده می‌شود

حسگرهای آنالوگ تمایل دارند سیگنال‌های خروجی که با گذشت زمان هموار وپیوسته تغییر می‌کنند، تولید کنند. این سیگنال‌ها  تمایل دارند تا از نظر مقداری بسیار کوچک باشند از چند میکرو ولت (µV) تا چند میلی‌ولت (mV)، بنابراین برخی از شکل‌های تقویت مورد نیاز است.

سپس مدارهایی که سیگنال‌های آنالوگ را اندازه‌گیری می‌کنند، معمولاً دارای یک پاسخ آهسته و / یا دقت کم هستند. همچنین سیگنال‌های آنالوگ با استفاده از مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال یا ADC⁵ به راحتی می‌توانند به سیگنال‌های نوع دیجیتال برای استفاده در سیستم‌های میکروکنترلر تبدیل شوند.

سنسورهای دیجیتال

همانطور که از نام آن پیداست، سنسورهای دیجیتال ولتاژها یا سیگنال‌های خروجی دیجیتال گسسته، نمایش دیجیتالی مقدار اندازه‌گیری شده هستند. سنسورهای دیجیتالی، سیگنال خروجی دودویی را به صورت منطق “1” یا منطق “0” ، (“روشن” یا “خاموش”) تولید می‌کنند. این بدان معنی است که یک سیگنال دیجیتال تنها مقادیر گسسته (غیر پیوسته) را تولید می‌کند که ممکن است به صورت یک “بیت” (انتقال سریال) یا با ترکیب بیت‌ها برای تولید یک خروجی  “بایت” (انتقال موازی) تولید شود.

سنسور نور برای تولید سیگنال دیجیتال استفاده می‌شود

در مثال ساده بالا، سرعت چرخش شفت با استفاده از یک سنسور آشکار ساز دیجیتال نوری یا  LED اندازه‌گیری می‌شود. دیسک که در یک شفت چرخان ثابت شده است (برای مثال، از چرخ‌های موتور یا ربات)، در طراحی خود تعدادی شکاف شفاف دارد. وقتی که دیسک با سرعت شفت می‌چرخد، هر شکاف توسط سنسور در چرخه عبور می‌کند و پالس خروجی تولید می‌کند  که نشان‌دهنده یک سطح منطق “1” یا “0” است.

این پالس‌ها برای نشان دادن سرعت یا چرخش شفت به یک ثبت‌کننده شمارنده و در آخر به صفحه نمایش خروجی ارسال می‌شوند. با افزایش تعداد شکاف‌ها یا “پنجره‌ها” در دیسک، پالس‌های خروجی بیشتری برای هر چرخش شفت تولید می‌شود. مزیت این امر این است که وضوح و دقت بیشتری زمانی که بخشی از کمیت آشکارسازی شد، حاصل می‌شود. سپس این نوع از تنظیم سنسور همچنین می‌توانست برای کنترل موقعیت با یکی از شکاف‌های دیسک که نشان‌دهنده یک موقعیت مرجع است استفاده شود.

در مقایسه با سیگنال‌های آنالوگ، سیگنال‌های دیجیتال یا کمیت‌ها دارای دقت بسیار بالایی هستند و می‌توانند در سرعت ساعت بسیار بالای اندازه‌گیری و نمونه‌برداری شوند. دقت سیگنال دیجیتال متناسب با تعداد بیت‌های مورد استفاده برای نشان دادن کمیت اندازه‌گیری شده، است. به عنوان مثال، استفاده از پردازنده 8 بیتی، دقت ٪39/0 (1 بخش در 256) را تولید خواهد کرد. در حالی که استفاده از یک پردازنده 16 بیتی، صحت 0.0015%، (1 بخش در 65،536) یا 260 بار دقیق تر را ارائه می‌دهد. این دقت می‌تواند حفظ شود زیرا مقادیر دیجیتال بسیار سریع پردازش و بکار برده می‌شوند، میلیون‌ها برابر سریع‌تر از سیگنال‌های آنالوگ هستند.

در اکثر موارد، سنسورها و مخصوصاً حسگرهای عموما به منبع تغذیه خارجی و بعضی فرم‌های تقویت یا فیلتر کردن اضافی سیگنال برای تولید یک سیگنال الکتریکی مناسب که قابلیت اندازه‌گیری یا استفاده را داشته باشد، نیاز دارند. یک روش بسیار خوب برای دستیابی به تقویت و فیلتر کردن در داخل یک مدار واحد، استفاده از تقویت کننده عملیاتی است که در گذشته مشاهده شد.

آماده سازی سیگنال سنسورها و مبدل ها

در بحث سنسورها و مبدا‌ها همانطور که در آموزش تقویت کننده عملیاتی op-amp)⁶) مشاهده کردیم، op-amp ها می‌توانند برای تقویت سیگنال‌ها هنگام اتصال به پیکربندی معکوس یا غیر معکوس استفاده شوند. ولتاژهای سیگنال آنالوگ بسیار کوچک تولید شده توسط یک سنسور، مانند چند میلی‌ولت یا حتی پیکو ولت می‌توانند بارها توسط یک مدار Op-Amp ساده برای تولید یک سیگنال ولتاژ بسیار بزرگتر 5v یا 5mA تقویت شوند که پس از آن می‌توانند به عنوان یک سیگنال ورودی برای ریز پردازنده یا سیستم مبتنی بر آنالوگ به دیجیتال استفاده شوند.

بنابراین، برای تهیه هرگونه سیگنال کاربردی، سیگنال خروجی سنسورها باید با یک تقویت‌کننده که دارای بهره ولتاژ حداکثر 10،000 و بهره جریان تا 1000000 با تقویت سیگنالی که بصورت خطی با سیگنال خروجی که بازتولید دقیقی از ورودی است و فقط در دامنه تغییر یافته است، تقویت شود .

سپس تقویت بخشی از آماده‌سازی سیگنال است. بنابراین هنگام استفاده از سنسورهای آنالوگ عموما بعضی فرم‌های تقویت (بهره)، تطبیق امپدانس، جداسازی بین ورودی و خروجی یا شاید فیلتر کردن (انتخاب فرکانس) ممکن است قبل از استفاده از سیگنال، مورد نیاز باشد و این بصورت قراردادی توسط تقویت کننده‌های عملیاتی انجام می‌شود.

همچنین، هنگام اندازه‌گیری تغییرات فیزیکی خیلی کوچک، سیگنال خروجی یک سنسور می‌تواند با سیگنال‌های ناخواسته یا ولتاژ‌هایی که مانع از اندازه‌گیری صحیح سیگنال واقعی می‌شوند “آمیخته” شوند. این سیگنال‌های ناخواسته “نویز” نامیده می‌شوند. این نویز یا تداخل با استفاده از تکنیک‌های آماده‌سازی سیگنال یا فیلتر کردن همانطور که در آموزش فیلتر فعال بحث کردیم، می‌تواند تا حد زیادی کاهش یا حتی از بین برود.

با استفاده از یک فیلتر پایین گذر یا بالا گذر و یا حتی میان‌گذر “پهنای باند” نویز می‌تواند فقط برای ماندن سیگنال خروجی مورد نیاز کاهش یابد. به عنوان مثال، بسیاری از ورودی‌های کلیدها، صفحه کلیدها یا کنترل‌های  دستی قادر به تغییر سریع حالت نیستند و بنابراین فیلر پایین گذر می‌تواند استفاده شود. هنگامی که تداخل در یک فرکانس خاص است، به عنوان مثال فرکانس اصلی، می‌توان از فیلترهای میان‌نگذر یا شکافی برای تولید فیلترهای فرکانس گزین استفاده کرد.

فیلترهای OP-amp مرسوم

اگر برخی از نویزهای تصادفی همچنان پس از فیلتر کردن باقی بمانند، ممکن است لازم باشد تا چندین نمونه گرفته شود و سپس آنها را برای دادن مقدار نهایی متوسط گیری کرد در نتیجه باعث افزایش نسبت سیگنال به نویز می‌شود. در هر صورت، هر دو تقویت و فیلتر کردن نقش مهمی در اتصال هر دو سنسور و مبدل ها به سیستم‌های مبتنی بر ریز پردازنده و الکترونیکی در شرایط “دنیای واقعی” دارند.

در آموزش بعدی درباره سنسورها و مبدل ها ، به سنسورهای موقعیتی که موقعیت و/ یا جابجایی اشیاء فیزیکی را اندازه می‌گیرند و در واقع به  معنای حرکت از یک موقعیت به موقعیت دیگر برای فاصله یا زاویه خاص هستند، خواهیم پرداخت.

1. Input/output

2.  Light Dependent Resistor

3. Light Emitter Diode

4.  Linear variable differential transformer

5. Analogue to Digital

6.  Operational Amplifier