راهنمای طراحی یک اندازه گیر دیجیتال

این مقاله، یک راهنمای کوتاهی برای طراحی یک اندازه گیر دیجیتال است.
یک دستگاه اندازه گیری دیجیتال، قادر است مقادیر آنالوگ را دریافت کرده و آن را به صورت درست و قابل فهم به کاربر نمایش دهد. نمی‌خواهیم به دستگاه‌های اندازه گیری آنالوگ قدیمی بپردازیم. ساختار آنها با دستگاه‌های دیجیتال بسیار متفاوت بود و در طراحی آن‌ها اساساً یک صفحه مدرج با یک میکرومتر عقربه‌ای سهم بیشتر کار را بر عهده داشت و فقط کافی بود که شما به این میکرومتر بسیار حساس و دقیق، یک نمونه تضعیف شده از مقدار ورودی را بدهید که با صفحه مدرج نسبتی درست داشته باشید. بگذریم و خیلی سرتان را درد نیاورم!

ساختار طراحی یک اندازه گیر دیجیتال

دستگاه‌های اندازه گیری دیجیتال انواع گوناگونی دارند. چیزی که عموماً به طور مستقیم با فعالان برق و الکترونیک در ارتباط باشد، اندازه گیری مشخصه‌های الکتریکی است. این مشخصه‌ها یا پارامترها می‌تواند شامل جریان، ولتاژ، مقاومت، فرکانس، ظرفیت خازن، اندوکتانس سلف و بسیاری دیگر از پارامترهای الکتریکی باشد که کاربردهای خاص دارند.
اما نیازهای دیگری هم وجود دارد که آنها به پارامترهای فیزیکی اطراف ما مربوط می‌شوند، چیزهایی مثل دما، رطوبت، شدت نور و …
برای اندازه گیری پارامترهای الکتریکی اصولاً کافی است تا شما دو سیم را به دو سر جایی متصل کنید و با مدارهای داخلی سیگنال مربوطه را به اندازه‌ای تضعیف یا تقویت کنید تا مناسب ورودی مبدل آنالوگ به دیجیتال باشد. مبدل یا ADC هم پس از انجام تبدیل، آن را تحویل واحد نمایش می‌دهد. شکل 1 ساختار ارتباطی در طراحی یک دستگاه اندازه گیر دیجیتال را نشان می‌دهد.

ساختار ارتباطی در طراحی یک دستگاه اندازه گیر دیجیتال

اگر شما نیازمند اندازه گیری یک پارامتر فیزیکی و غیر الکتریکی باشید، باید ابتدا آن را با یک ترانسدیوسر یا سنسور، تبدیل به یک پارامتر الکتریکی کنید و سپس بر اساس شکل 1 ادامه‌ی مدار و دستگاه شما چیده می‌شود.
پس بیایید یک بار دیگر کل اجزای این سیستم را با هم مرور کنیم:

• سنسور (برای تبدیل پارامترهای غیر الکتریکی به پارامتر الکتریکی)
• مدارهای آماده سازی سیگنال
• مبدل آنالوگ به دیجیتال
• نمایشگر

حال، کمی بیشتر به شرح هر بخش می‌پردازیم.

حسگر یا transducer

همان‌طور که گفته شد، وظیفه‌ی حسگر (سنسور)، تبدیل پدیدهای غیر الکتریکی به یک پارامتر الکتریکی است. حال، این پارامتر الکتریکی می‌تواند از جنس ولتاژ، جریان، مقاومت، خازن یا سلف باشد.
قطعاً می دانید که برای اندازه گیری هر پارامتر غیر الکتریکی سنسورهای متنوع و متعددی وجود دارد و شرح آنها خارج از این داستان است و شاید وقتی دیگر بتوانیم به این موضوع بپردازیم.

شکل 2 – سنسور دمای LM35 که تغییرات دما را به شکل تغییرات ولتاژ در خروجی نشان می دهد.

آماده سازی سیگنال

اگر سیگنالی که قرار است به ADC اعمال شود، بیش از اندازه بزرگ باشد، ممکن است به قطعه آسیب بزند، بعضی مواقع سیگنال به حدی نیست که آسیب وارد کند، اما باعث می‌شود مبدل شما به اشباع برود و عملاً از یک مقداری به بعد برای ADC فرقی نکند و همه‌ی مقادیر را در بالاترین حد نشان بدهد. برای حل این مشکل از مدارهای تضعیف کننده استفاده می‌کنند. تضعیف کننده‌ها به سادگی یک تقسیم مقاومت‌اند.

شکل 3 – مدار ساده تضعیف کننده برای نمونه گیری از ولتاژ ورودی

اما غالباً برای اینکه دستگاه اندازه گیر دیجیتال به عنوان مصرف کننده قرار نگیرد، در طراحی آن یک بافر با استفاده از آپ امپ، پس از تضعیف کننده استفاده می‌شود. خیلی مواقع نیز آپ امپ را به عنوان تقویت کننده استفاده می‌کنند. حتی با تغییرات دیگری از آپ امپ برای حذف مقدار آفست ورودی استفاده می‌کنند. همچنین می‌توان در مدار آپ امپ از فیلتر حذف نویز نیز بهره جست که هر کدام از این موارد، بخش کوچکی به مدار اضافه می‌کند. شکل 4 یک تضعیف کننده با بافر را نشان می‌دهد.

شکل 4 – تضعیف کننده به همراه بافر

از تضعیف و بافر و تقویت و فیلتر حذف نویز که بگذریم، باید به نقش مهم مدارهای حفاظتی نیز اشاره کنیم. این مدار برای حفاظت ورودی آی سی‌ها در مقابل ولتاژهای ناگهانی یا ناخواسته‌ی بالا استفاده می‌شوند و در ساده‌ترین حالت، می‌تواند یک دیود زنر موازی با ورودی و زمین باشد. دیودهای TVS هم همین کار را می‌کند، ولی برای کاربردهای سریع‌تر و بهینه‌تر طراحی شده‌اند و مناسب‌تر اند. محل قرارگیری مدار حفاظتی پیش از آپ امپ یا در صورت نبود آپ امپ، پیش از ADC است.
فیلتر حذف نویز نیز می‌تواند به سادگی قرار دادن یک مدار RC باشد.

شکل 5 – مدار RC به عنوان فیلتر حذف نویزهای فرکانس بالا

مبدل آنالوگ به دیجیتال

این مبدل‌ها نیز بسیار متنوع‌اند. پارامترهای متنوعی در انتخاب این مبدل‌های دخیل‌اند. به تعدادی از این پارامترهای خیلی مختصر اشاره می‌کنیم.

• دقت یا resolution که بر اساس bit تعیین می‌شود.
• نسبت سیگنال به نویز یا SNR که بر اساس dB بیان می‌شود.
• حداکثر دامنه‌ی ورودی
• سرعت نمونه برداری که معمولاً بر اساس تعداد نمونه در یک ثانیه بیان می‌شود. مثلاً 100ksps یعنی 100 هزار نمونه در ثانیه، و همین‌طور 1Gsps یعنی 1 میلیارد نمونه در یک ثانیه

پارامترهای دیگری نیز برای یک ADC وجود دارد. اما همین 4 پارامتر می‌تواند به شما دید اولیه خوبی برای انتخاب یک ADC بدهد.

نمایشگر

در طراحی اندازه گیر دیجیتال ، نمایشگر می‌تواند هر چیزی باشد. مثلاً چند عدد LED یا یک نمایشگر چند رقمی 7-segment یا یک نمایشگر گرافیکی از نوع LCD یا OLED.
حتی شما می‌توانید بعد از اندازه گیری مقادیر از طریق یک مبدل یا bridge مناسب، اطلاعات خود را به کامپیوتر یا گوشی موبایل ارسال کنید تا با نرم افزاری مناسب بر روی نمایشگر آنها دیده شوند.

خلاصه، این ساختار کلی یک سیستم اندازه گیری بود. از جمله دستگاه‌های جالب اندازه گیری می‌توان به اسیلوسکوپ، طیف نما و دستگاه ضربان قلب اشاره کرد.
امیدوارم این شروع خوبی برای آشنایی شما با این گونه دستگاه‌ها باشد و بتوانید در آینده با این مقدمه به سمت طراحی و ساخت دستگاه‌های مورد نیاز خود بروید. البته این شروع راه ما است و به امید خدا مقالاتی در پی این نوشتار خواهد آمد که روشن گر راه شما باشد.