การปรับปรุงคุณภาพของสัญญาณพื้นฐาน

.

การปรับปรุงคุณภาพของสัญญาณพื้นฐาน

Fundamental Signal Conditioning

ปัญญา มัฆะศร

สาขาวิชาเทคโนโลยีมีเดีย 

มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

สัญญาณดิจิตอลในระบบ “Multiplexed Data Acquisition” ที่ประกอบไปด้วยการแปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นอนาล็อกกับการแก้ปัญหาสัญญาณรบกวนก่อนการเก็บบันทึกข้อมูลสัญญาณที่มีประสิทธิภาพด้วยหลักการกรองสัญญาณพื้นฐานในรูปแบบต่างๆ

 

Data Acquisition Systems คือ ระบบการเก็บรวบรวมวิเคราะห์ข้อมูลจริงในการทดลองทางวิทยาศาสตร์และทดสอบงานทางด้านวิศวกรรมเชิงคุณภาพและประสิทธิผลผ่านคอมพิวเตอร์ เพื่อตรวจจับสัญญาณทางกายภาพทางวิทยาศาสตร์ อาทิเช่น อุณหภูมิ ความดันอากาศ ก๊าซ อัตราการไหล เป็นต้น โดยมีการแปลงข้อมูลสัญญาณทางไฟฟ้าเข้าสู่ระบบคอมพิวเตอร์ผ่านโปรแกรมประยุกต์ใช้งานตามคุณลักษณะของงานทดลองนั้นในฐานเวลาจริง ( Real Time ) โดยมีความแตกต่างไปจากอุปกรณ์ที่มีช่องสัญญาณสำหรับการบันทึกข้อมูลที่มีช่องสัญญาณเพียงหนึ่งหรือสองช่องสัญญาณเท่านั้น โดย “Data Acquisition Systems” สามารถวัดและเก็บบันทึกข้อมูลที่มีการรวบรวมจากหลายร้อยช่องสัญญาณไปพร้อมๆ กัน อย่างไรก็ตาม ส่วนใหญ่ของระบบประกอบด้วยช่องสัญญาณตั้งแต่ 8 – 32 ช่องสัญญาณ แต่ที่นิยมใช้กันอย่างกว้างขวางได้แก่ 8 ช่องสัญญาณ โดยเปรียบเทียบการใช้งานอย่างง่าย คือ โวลต์มิเตอร์ที่สามารถเลือกย่านวัดสัญญาณที่แตกต่างกัน เพื่อพิจารณาและเปรียบเทียบข้อมูลในระบบเก็บข้อมูล แต่จำเป็นที่ต้องใช้การเปลี่ยนช่วงการวัดแรงดันไฟฟ้าที่ขาดหายไปบางส่วนหรือไม่สมบูรณ์ สำหรับการจัดเก็บข้อมูลด้วยตนเอง (Manual)

1

รูปที่ 1. ระบบ Data Acquisition ซึ่งประกอบด้วยเครือข่ายสวิตซ์ชิ่ง (Multiplexer) และการเปลี่ยนสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) ที่ใช้วัดค่ากระแสไฟฟ้าระหว่างชุด Multiplexer และ ADC

ชุด ADC เป็นขั้นตอนที่เชื่อมต่อระหว่างโดเมนแบบอนาล็อกและเส้นทางผ่านสัญญาณดิจิตอลที่ใช้ ในระบบข้อมูลใด ๆ เช่น ระบบ “Multiplexed Data Acquisition” ที่ประกอบไปด้วยบล็อก ADC ที่จำเป็นอย่างยิ่งก่อนการเก็บบันทึกข้อมูลสัญญาณตัวอย่างที่วัดได้ก่อนหน้านี้ แต่ ADC ไม่สามารถดิจิไตซิ่งตามสัญญาณแรงดันไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาที่ค่าความละเอียดสูงๆ ของ ADC ยกเว้นเมื่อแรงดันไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงค่อนข้างช้ากับอัตราการแซมปลิ้งสัญญาณ บางบล็อกไดอะแกรมของชุด ADCs จะมีวงจร “Sample/Hold Circuits” อยู่ภายในหรือการใช้สถาปัตยกรรมที่เลียนแบบการทำงานของสเตจ “Sample/Hold Circuits” การอภิปรายที่เป็นไปตามสมมติฐานของบล็อกไดอะแกรม ADC รวมถึงวงจร “Sample/Hold Circuits” ที่เหมาะสม (ทั้งภายในหรือภายนอกชิป) เพื่อรักษาเสถียรภาพของสัญญาณในช่วงระยะเวลาการแปลง พารามิเตอร์หลักที่เกี่ยวกับ ADCs ในระบบ Data Acquisition Systems ที่มีความละเอียดและความเร็วเป็นปัจจัยสำคัญในการใช้งาน โดยบล็อกไดอะแกรม ADCs มีความถี่ใช้งานตั้งแต่ 20 kHz ถึง 1 MHz กับความละเอียดที่ 16-24 บิตและมีอินพุตหนึ่งหรือสองอินพุตที่เป็นไบโพลาร์หรือยูนิโพลาร์ ซึ่งอินพุตชนิดไบโพลาร์จะมีย่านวัดตั้งแต่ 0V กับแรงดันไฟฟ้า 5 โวลต์ ที่เป็นบวกหรือลบ เป็นต้น

อินพุตที่เป็นไบโพลาร์จะมีช่วงการวัดแรงดันไฟฟ้าที่เป็นลบไปยังแรงดันไฟฟ้าที่เป็นบวกที่ขนาดเดียวกัน “Data Acquisition Systems” สามารถอ่านแรงดันไฟฟ้าอินพุตแบบไบโพลาร์หรือยูนิโพลาร์ ณ ความละเอียดเต็มรูปแบบของ ADC ซึ่งจะต้องการวงจรเลื่อนระดับหรือ“Level-Shifting Stage” ไปยังสัญญาณไบโพลาร์ที่ใช้สัญญาณอินพุต ADC แบบ Unipolar และในทางกลับกันจำทำหน้าที่เลื่อนระดับสัญญาณแบบยูนิโพลาร์เป็นสัญญาณแบบไบโพลาร์ได้เช่นกัน ยกตัวอย่างเช่นปกติ การใช้งานที่จำนวนบิตเท่ากับ 16 บิต 100 KHzADC มีย่านแรงดันไฟฟ้าใช้งานตั้งแต่ -5V ถึง + 5V ของค่าสเกลสูงสุด (Full Scale)หรือมีค่าเท่ากับ 65,536 โดยที่ศูนย์โวลท์จะมีค่าสเกลที่ 32,768 ถ้าจำนวน 65,536 สามารถแบ่งช่วงสเกลได้เท่ากับ 10V ซึ่งผลลัพธ์ที่ได้เป็นบิตนัยสำคัญต่ำสุด (LSB: Least Significant Bit) ที่แรงดันไฟฟ้าเท่ากับ 153 μv เป็นต้น Multiplexing จะมีค่าความต้านทานสูงทางเอาต์พุต ซึ่งส่งผลต่อการทำงานที่ไม่เกิดประสิทธิภาพมากนัก ด้วยเหตุผลที่ว่าความต้านทานทางอินพุตมีค่าต่ำเป็นสิ่งที่จำเป็นต่อระบบมัลติเพล็กซ์ที่สามารถธิบายได้อย่างง่ายด้วยวงจร RC แสดงในรูปที่ 2.  โดยปกติมัลติเพล็กเซอร์ประกอบไปด้วยค่าความจุแฝงขนาดเล็ก (Small Parasitic Capacitance) ของสัญญาณอินพุตและเอาต์พุตแบบอนาล็อกทั่วไป ค่าความจุปรสิตขนาดเล็กเหล่านี้ จะส่งผลกระทบต่อความถูกต้องวัด เมื่อรวมกับความต้านทานแหล่งจ่ายและอัตราการสุ่มหรือแซมปลิ้งอย่างรวดเร็ว

2

รูปที่ 2.  ค่าความต้านทานของแหล่งจ่ายควรมีค่าต่ำมากๆ เพื่อให้ค่าเวลาคงของวงจร MUX มีค่าพาราซิติกส์ของตัวเก็บประจุและตัวต้านทานที่ค่าต่ำด้วยเช่นกัน เนื่องจากค่าเวลาคงที่ๆมีค่ามากจะส่งลต่อการวัดสัญญาณที่ผิดพลาดได้

ยกตัวอย่าง วงจรเทียบเท่าอย่างง่ายด้วย RC ที่ประกอบด้วยแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่ต่อลำดับกับตัวต้านทาน สวิทช์และตัวเก็บประจุ เมื่อสวิทช์ปิด ณ เวลา T = 0, แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าจะประจุให้กับตัวเก็บประจุและตัวต้านทาน เมื่อการประจุมีค่าเท่ากับ 100 pF และขนาดกำลังไฟฟ้าที่ตัวต้านทานเท่ากับ 10 กิโลวัตต์ ณ ค่าเวลาคงที่ RC มีค่าเท่ากับ 1 ไมโครวินาที ในช่วงเวลา 10 ไมโครวินาที ตัวเก็บประจุสามารถประจุได้สูงสุดถึง 86% ของค่าสัญญาณทั้งหมด ซึ่งการประจุพลังงานที่ค่ายาวนานเช่นนี้ จะนำไปสู่ข้อผิดพลาดที่สำคัญในการวัดสัญญาณ แต่ถ้าขนาดกำลังไฟฟ้าที่ตัวต้านทานมีค่าเท่ากับ 1 กิโลวัตต์เท่านั้น จะสามารถช่วยให้ตัวเก็บประจุพลังงานได้อย่างรวดเร้วและมีความถูกต้องมากที่สุดในการวัดสัญญาณในทางปฏิบัติ

3 A

รูปที่ 3. (A) ค่าอิมพิแดนซ์ของเซนเซอร์ (Rs) ควรมีความสัมพันธ์ที่มีค่าน้อยไปหาค่าที่มากขึ้นตามแรงงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมตัวต้านทานของวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้า Ri, ทางอินพุตของวงจรขยายสัญญาณอย่างมีนัยสำคัญ สำหรับการปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนในย่านแรงดันไฟฟ้าขนาดมิลลิโวลต์

รูปที่ 3. แสดงระบบอินพุตอิมพิแดนซ์และแหล่งจ่ายอิมพิแดนซ์ของทรานสดิวเซอร์ที่ต่อใช้งานร่วมกับตัวต้านทานในวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้า ซึ่งจะลดทอนแรงดันไฟฟ้าที่ได้จากการอ่านค่าในวงจรแปลงอนาลอกเป็นดิจิตอล (ADC) ซึ่งส่งผลให้อินพุตอิมพิแดนซ์ของช่องสัญญาณอินพุตโดนรวมมีค่าเท่ากับ 1 เมกะโอห์มหรือมากกว่า ดังนั้น จึงมักจะไม่เกิดปัญหา เมื่ออินพุตอิมพิแดนซ์อยู่ในระดับต่ำ อย่างไรก็ตาม บางทรานสดิวเซอร์ ตัวอย่างเช่น เปียโซ จะมีอินพุตอิมพิแดนซ์สูงและจึงควรนำไปใช้กับวงจรขยายสัญญาณที่พิเศษโดยเฉพาะ นอกจากนี้ วงจรมัลติเพล็กเซอร์ยังสามารถลดทอนระบบ Data Acquisition ที่เกิดผลกระทบจากอินพุตอิมพิแดนซ์ที่มีค่าสูงๆ แสดงผลกระทบดังรูปที่ 3.B

3 B

รูปที่ 3. (B) อุปกรณ์อะนาล็อกสวิตซ์ชิ่งสามารถกำเนิดแรงดันสไปค์ทางเอาต์พุตของวงจร MUX ในช่วงการเปลี่ยนแปลงระดับสัญญาณ โดยมีชื่อเรียกว่า “Charge-Injection Effect” ซึ่งสามารถลดทอนค่าดังกล่าวนี้ด้วยการลดอินพุตอิมพิแดนซ์ให้มีค่าต่ำมากๆ

Operational Amplifiers

มัลติเซ็นเซอร์ได้พัฒนาเป็นอย่างมากในด้านการใช้งานสัญญาณเอาต์พุตระดับต่ำๆ สัญญาณที่มักจะมีขนาดเล็กเกินไป สำหรับการใช้โดยตรงไปยังเกณฑ์การขยายต่ำกับอินพุตของระบบการมัลติเพล็กข้อมูลเพื่อขยายสัญญาณบางส่วนที่จำเป็น แสดงได้ด้วย 2 ตัวอย่างของเซ็นเซอร์ที่ระดับสัญญาณต่ำๆ เช่น เทอร์โมคับเปิ้ลและสเตรนเกจที่มักจะส่งผลกับเอาต์พุตในแบบเต็มสเกลที่มีค่าน้อยกว่า 50 mV ส่วนใหญ่ระบบ Data Acquisition จะใช้วงจรขยายสัญญาณที่มีความแตกต่างกันตามแต่ละชนิดก่อนที่จะมีการประมวลผลสัญญาณ วงจรแอนาล็อกที่ทันสมัยเหล่านี้มีไว้สำหรับระบบ Data Acquisition ที่ประกอบไปด้วยวงจรขยายสัญญาณอินทิเกรทแบบพื้นฐาน ซึ่งผู้ใช้สามารถกำหนดค่าได้อย่างไม่ซับซ้อน เพื่อการขยายสัญญาณหรือเป็นวงจรบัฟเฟอร์ วงจรขยายสัญญาณอินทิเกรทแบบพื้นฐานมีองค์ประกอบของวงจรมาก แต่มักจะอยู่ในรูปของบล็อควงจรการทำงานที่เรียบง่าย โดยการใช้ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุต่อเชื่อมภายนอกเพียงไม่กี่ตัวก็สามารถกำหนดฟังก์ชันการทำงานของระบบได้แล้ว  ส่วนใหญ่วงจรขยายสัญญาณมีพื้นฐานมาจากวงจรอินเวอร์ติ้งและวงจรนอนอินเวอร์ติ้ง (Inverting or Non-Inverting Amplifier Circuit) แสดงดังรูปที่ 4. สมการง่ายๆ ที่เกี่ยวข้องกับการกำหนดค่าเกณฑ์การขยายสัญญาณ การทำงานอินพุตที่มีการป้อนกลับสัญญาณด้วยตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ

4

รูปที่ 4. วงจรขยายสัญญาณมีพื้นฐานมาจากวงจรอินเวอร์ติ้งและวงจรนอนอินเวอร์ติ้งการป้อนกลับสัญญาณด้วยตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ

Inverting Amplifier Stages

ในสเตจของวงจรอินเวอร์ติ้งหรือวงจรขยายแบบกลับขั้ว คือ วงจรขยายสัญญาณที่มีการกำหนดค่าการขยายสัญญาณที่เป็นพื้นฐานมากที่สุด โดยจะมีอัตราส่วนของแรงดันเอาต์พุตต่อแรงดันอินพุต (หรือเรียกว่าอัตราขยาย) มีค่าที่ติดลบ (-) หมายถึง การที่เราป้อนสัญญาณอินพุตมีค่าเป็นบวกสัญญาณทางเอาต์พุตจะมีค่าเป็นลบหรือในทางตรงข้ามถ้าเราป้อนสัญญาณอินพุตมีค่าเป็นลบสัญญาณทางเอาต์พุตจะมีค่าเป็นบวก ซึ่งอัตราขยายสัญญาณของวงจรดังกล่าวนี้เป็นลูปเปิดที่มีอัตราขยายหลายร้อยพันเท่า แต่ในทางอุดมคตินั้น การขยายสัญญาณจะมีค่าเป็นอนันต์เสมอ ทั้งนี้ เนื่องจากจะละลเยต่อค่าการสูญเสียที่เกิดขึ้นในการขยายสัญญาณ สังเกตได้ คือ เกณฑ์อัตราขยายสัญญาณที่สูงนั้น แรงดันไฟฟ้าทางอินพุตถูกจำกัดด้วยค่าความต้านทาน Rf และ Ri ที่เป็นวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้า โดยฟังก์ชั่นการถ่ายโอนทางเอาต์พุตสามารถคำนวณได้จากสมการ :

111

เมื่อ,

222

ตัวอย่างเช่น แรงดันไฟฟ้าทางอินพุตเท่ากับ 500 mV และแรงดันไฟฟ้าทางเอาต์พุตเทากับ -5V ดังนั้น :

333

ดังนั้น อัตราส่วนระหว่างอินพุตและการป้อนกลับสัญญาณด้วยตัวต้านทานมีค่าเท่ากับ 10 ที่ความต้านทานป้อนกลับ Rf มีค่าเป็น 100 กิโลโอห์ม เมื่อมีการเลือกตัวต้านทานอินพุตเท่ากับ 10 กิโลโอห์ม แสดงดังรูปที่ 5.

5

รูปที่ 5. ขั้วสัญญาณทางเอาต์พุตของวงจรอินเวอร์ติ้งจะตรงกันข้ามกับขั้วสัญญาณทางอินพุต

สัญญาณอินพุตที่มีค่าสูงสุดสามารถจัดการได้โดยไม่มีความเสียหายเกิดขึ้นที่ขนาดแรงดันไฟฟ้าเท่ากับ 2V ที่มีค่าน้อยกว่าแรงดันไฟฟ้าที่แหล่งจ่าย เมื่อกำหนดแหล่งจ่ายแรงดันฟ้าเท่ากับ ± 15 VDC, สัญญาณอินพุตไม่ควรเกินกว่า ± 13 VDC สิ่งนี้เป็นลักษณะที่สำคัญที่สุดเพียงอย่างเดียวของการขยายสัญญาณที่จำกัดความสามารถในการจัดการแรงดันไฟฟ้าที่สมบูรณ์แบบ

Non-Inverting Amplifier Stages

วงจรขยายแบบไม่กลับขั้ว หรือวงจรขยายแบบนอนอินเวอร์ติ้งนี้ มีอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าทางเอาต์พุต ต่อแรงดันไฟฟ้าทางอินพุตมีค่าเป็นบวก (+) หมายถึง การที่เราป้อนสัญญาณอินพุตมีค่าเป็นบวกสัญญาณทางเอาต์พุต จะมีค่าเป็นบวกด้วยหรือในทำนองเดียวกัน ถ้าเราป้อนสัญญาณอินพุตมีค่าเป็นลบสัญญาณทางเอาต์พุตจะมีค่าเป็นลบด้วย  หรือมีเฟสสัญญาณเดียวกัน โดยค่าอัตราขยายนี้จะขึ้นกับค่าความต้านทานที่กำหนดใช้ในวงจร โดยใช้ความต้านทานแบ่งแรงดันไฟฟ้าที่ประกอบด้วย RF และ Ri แสดงดังรูปที่ 6. ส่วนฟังก์ชั่นการถ่ายโอนอย่างง่ายสามารถเขียนสมการ คือ

444

เมื่อแรงดันไฟฟ้าทอินพุตเท่ากับ 500 mV ความต้านทาน Rf = 100 kΩ, and Ri = 10 kΩ ดังนั้น แทนค่าในสมการจะได้ คือ

555

ข้อจำกัดแรงดันไฟฟ้าอินพุตมีข้อกำหนดเช่นเดียวกับวงจรอินเวอร์ติ้งทั้งการกำหนดค่าอัตรขยายสัญญาณเพียงแต่ไม่มีการกลับขั้วสัญญาณเท่านั้น

6

         รูปที่ 6. ขั้วสัญญาณทางอินพุตและเอาต์พุตของวงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับขั้วหรือนอนอินเวอร์ติ้ง 

Differential Amplifiers

วงจรขยายดิฟเฟอเรนเชียล (Differential Amplifier Circuit) หรือเรียกอีกชื่อว่า “วงจรขยายผลต่าง” คือ วงจรที่ใช้สำหรับขยายสัญญาณผลต่างของแรงดันไฟฟ้าทางอินพุตที่ป้อนให้กับวงจรขยายดิฟเฟอเรนเชียล ซึ่งมีข้อเปรียบเทียบของวงจรขยายสัญญาณแบบกลับขั้วและวงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับขั้วแสดงดังรูปที่ 7.  วงจรดิฟเฟอเรนเชียลจะมีอินพุต 2 อินพุตแยกจากกันอิสระ (เทียบกับกราวด์ของวงจร) โดยส่วนมากวงจรดิฟเฟอเรนเชียลจะใช้แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า 2 แหล่งจ่าย ส่วนการตอบสนองต่อแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันอยู่ระหว่าง 2 ขั้วสัญญาณทางอินพุต โดยมีฟังก์ชั่นการถ่ายโอนของการขยายสัญญาณดังนี้ คือ :

666

เมื่อ แรงดันไฟฟ้าทางอินพุตมีค่าเท่ากับ 50 mV, ดังนั้น

777

เมื่อเกนอัตราขยายสัญญาณเท่ากับ 10 ที่ความต้านทาน Rf = 100kΩ และ Ri = 10kΩ:

888

7

รูปที่ 7. วงจรขยายสัญญาณผลตางแรงดันไฟฟ้าอินพุต

ประโยชน์ที่สำคัญของวงจรขยายสัญญาณความแตกต่าง คือ ความสามารถในการกำจัดแรงดันไฟฟ้าใด ๆ ในแบบคอมมอนสัญญาณหรือแรงดันไฟฟ้าทางอินพุตมีขนาดเท่ากันหรือที่เรียกชื่อว่า “ การขจัดสัญญาณคอมมอนโหมด” (Common Mode Rejection) ที่ไม่ส่งผลใดๆต่อสัญญาณเอาต์พุต ส่วนสัญญาณอินพุตที่มีขนาดเท่ากันแต่เฟสสัญญาณแตกต่างกัน ส่งผลให้เกิดการขยายสัญญาณความแตกต่างเกิดขึ้นทางเอาต์พุตในแบบของวงจรขยายสัญญาณความแตกต่างหรือวงจรดิฟเฟอรเรนเชียนโหมด ในขณะที่การขยายแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันของอินพุตทั้งคู่ ดังนั้น อัตราขยายสัญญาณโดยรวมของออปแอมป์ จึงประกอบไปด้วย 2 ส่วน ได้แก่

1. อัตราขยายแรงดันดิฟเฟอร์เรนซ์ (Differential Gain)

2. อัตราขยายแรงดันในโหมดร่วม (Common Mode Gain)

แรงดันไฟฟ้าปกติหรือแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมโหมดปกติ (Vcm หรือ CMV) จะมีคุณภาพของวงจรในการกำจัดโหมดร่วมของแรงดันไฟฟ้า ซึ่งความสามารถของวงจรแสดงให้เห็นโดยการเชื่อมต่ออินพุตทั้งสองร่วมกันและแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าอ้างอิงร่วมกับกราวด์ แม้ว่าแรงดันไฟฟ้าใดๆ ที่เกิดขึ้นทางอินพุตทั้งคู่ การขยายสัญญาณความแตกต่างทางเอาต์พุตจะเกิดขึ้น เมื่อเกิดความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าทางอินพุตเท่านั้น

8

รูปที่ 8. วงจรขยายสัญญาณแบบนอนอินเวอร์ติ้งที่สามารถโปรแกรมเกนและการควบคุมแรงดันไฟฟ้าอินพุตจากคอมพิวเตอร์ผ่านชุดอะนาล็อกสวิตซ์  

Programmable-Gain Amplifiers

วงจรขยายสัญญาณแบบโปรแกรมได้ที่มักใช้วงจรนอนอินเวอร์ติ้งที่ใช้การควบคุมสวิตซ์อนาล็อกด้วยระบบดิจิตอลที่จ้อเชื่อมไปยังตัวต้านทานใดๆ สำหรับการป้อนกลับลูปการทำงานด้วยคอมพิวเตอร์ภายนอกหรือการควบคุมด้วยสัญญาณลอจิกจากภายนอกในการควบคุมแอดเดรสอินพุต แสดงดังรูปที่ 8. การตรวจจับขนาดสัญญาณอินพุตในระบบ Data Acquisition และการส่งข้อมูลที่เป็นรหัสไบนารีที่เหมาะสมในการตั้งโปรแกรมการขยายสัญญาณ (Programmable Gain Amplifier :PGA) เพื่อเพิ่มเกนขยายสัญญาณที่มีระดับต่ำหรือลดทอนเกนการขยายสัญญาณ สำหรับสัญญาณที่มีขนาดใหญ่ สัญญาณอินพุตนั้นสามารถวัดและแสดงผลได้โดยไม่มีการผิดเพี้ยนเกิดขึ้น

INSTRUMENTATION AMPLIFIERS

ปัญหาพื้นฐาน (A Fundamental Problem)

เนื่องจากระดับสัญญาณของทรานสดิวเซอร์มีขนาดเพียงไม่กี่ไมโครโวลต์ ปัญหาพิเศษที่เกี่ยวข้องกับกราวด์ลูปและการรบกวนของสัญญาณความถี่แปลกปลอมที่เกิดขึ้น เมื่อวงจรขยายสัญญาณ ทรานสดิวเซอร์จะให้สัญญาณเอาต์พุตที่เกิดจากสัญญาณความแตกต่างกันของอินพุตไปยังกราวด์ เพื่อลดปัญหาและการลดผลกระทบจากสัญญาณแทรกสอดในโหมดร่วมที่พบเป็นประจำ วงจรขยายสัญญาณจะใช้ฟังก์ชันเหล่านี้ที่จำเป็นต้องใช้กระแสอินพุตที่มีค่าต่ำมากๆ และการชดเชยแรงดันไฟฟ้าออฟเซต เกนการขยายแรงดันที่มีเสถียรภาพและความถูกต้องและอิมพิแดนซ์อินพุตที่สูงและมีอัตราขยายสัญญาณแบบคอมมอนโหมดรีเจคชั่น

แม้ว่าการขยายสัญญาณแบบอินทิกรัลร่วมกันที่มีหลายขั้นตอนและอัตราส่วนความต้านทานหนาแน่นมาก มักจะใช้ในการออกแบบเป็นพิเศษในการขยายสัญญาณอินสตรูเมนเตชั่น (Instrumentation Amplifiers) ในการดำเนินงานที่มีประสิทธิภาพสูงยังคงใช้วงจรพื้นฐาน แต่เพื่อให้มั่นใจในประสิทธิภาพสูงสำหรับการใช้งาน จึงจำเป็นต้องการขจัดแรงดันไฟฟ้าโหมดร่วมที่มีประสิทธิภาพสูงเช่นกันและไม่จำเป็นต้องมีความแม่นยำสูงด้วยการใช้ตัวต้านทานแมทชิ่งเกนขยายสัญญาณ การขยายสัญญาณอินสตรูเมนเตชั่นส่วนมากจะได้รับการออกแบบสำหรับการใช้งานพิเศษและมีคุณสมบัติที่ไม่ซ้ำกัน เพื่อเพิ่มความแม่นยำและความเสถียรภาพ สำหรับการใช้งาน ยกตัวอย่างเช่น ฟังก์ชั่นบล็อกไดอะแกรมการทำงานต่อไปนี้ของระบบเครือข่ายสวิตซ์ในระบบ Data Acquisition แสดงดังรูปที่ 9. การขยายสัญญาณอินสตรูเมนเตชั่นที่มีฟังก์ชั่นที่สำคัญหลากหลย การขจัดแรงดันไฟฟ้าโหมดร่วม วงจรขยายสัญญาณแรงดันไฟฟ้า การลดผลกระทบของความต้านทานของวงจรมัลติเพล็กเซอร์และวงจรขับสัญญาณ ADC ทางอินพุท

9

      รูปที่ 9. การขยายสัญญาณอินสตรูเมนเตชั่นที่ใช้การขจัดแรงดันไฟฟ้าโหมดร่วมที่มีประสิทธิภาพสูง

High Common-Mode Amplifiers

แรงดันไฟฟ้าโหมดร่วมถูกกำหนดให้เป็นแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ร่วมกันกับอนาล็อกร่วมที่อินพุตทั้งคู่ เมื่ออินพุตมีค่าแรงดันไฟฟ้าที่เหมือนกัน แสดงดังรูปที่ 10. แต่เมื่อแรงดันไฟฟ้าอินพุตมีค่าแตกต่างกัน เช่น 4.10V และ 4.20V แรงดันโหมดร่วมกัน (Vcm) มีค่าเท่ากับ 4.10V และแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันระหว่างอินพุตทั้งคู่ คือ 0.10V จะเป็นผลเป็นอย่างดี ถ้าการขยายสัญญาณอินสตรูเมนเตชั่นจะไม่ใส่ใจต่อแรงดันโหมดร่วมและการขยายเฉพาะสัญญาณที่แตกต่างระหว่างอินพุตทั้งคู่เท่านั้น การขยายสัญญาณที่มีการขจัดแรงดันไฟฟ้าโหมดร่วมที่มีชื่อเรียกว่า “Common Mode Rejection Ratio: CMRR” ซึ่งความสามารถของการขยายสัญญาณอินสตรูเมนเตชั่น (IA) จะใช้การขจัดสัญญาณแรงดันไฟฟ้าโหมดร่วมสูง (Reject High Common Mode Voltages) แต่ในบางครั้งก็จะสับสนกับการใช้ความสามารถของการขจัดแรงดันไฟฟ้าสูง (Reject High Voltages) เช่นกัน

10

รูปที่ 10. การวัดอัตราขยายสัญญาณที่ขจัดแรงดันไฟฟ้าโหมดร่วมในขณะที่อินพุตลัดวงจรร่วมกับแรงดันไฟฟ้าโหนดร่วม โพเทนเชียนมิเตอร์ใช้ในการปรับแต่งค่าต่ำสุดเอาต์พุต (VoCM) เพื่อการปรับค่าสมดุลของอินพุตทั้งคู่ 

การวัดสัญญาณแรงดันไฟฟ้าที่มักเป็นความถี่ ซึ่งจะมีสัญญาณเล็กกว่าสัญญาณอินพุตของระบบ ADC ยกตัวอย่างเช่น สัญญาณมีค่าตั้งแต่ 0-100 mV มีขนาดเล็กกว่าแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 0 ถึง 5V ของ ADC ที่เกนขยายสัญญาณเท่ากับ 50 สิ่งนี้จำเป็นเพื่อให้ได้ความละเอียดสูงสุดในทางปฏิบัติสำหรับการตรวจวัดนี้ การขยายสัญญาณอินสตรูเมนเตชั่นมีเกนขยายสัญญาณเป็นจำนวนมากจาก 1 ไปจนถึงมากกว่า 10,000 แต่ในระบบมัลติเพล็กเกนขยายสัญญาณจะถูกจำกัดเฉพาะช่วง 1 ถึง 1,000 เท่านั้น

ข้อผิดพลาดของการวัดเกิดขึ้นจากความไม่เหมาะสม ที่เกิดจากความต้านทานของสวิทช์อนาล็อกในขณะทำงาน (On) กับการเพิ่มอิมพิแดนซ์ที่แหล่งกำเนิดสัญญาณใดๆ แต่อินพุตอิมพิแดนซ์ของการขยายสัญญาณอินสตรูเมนเตชั่นเกิดผลกระทบต่ำมาก อินพุตของ การขยายสัญญาณอินสตรูเมนเตชั่น(IA) ประกอบด้วยอินพุตทั้งคู่ที่เป็นวงจรตามสัญญาณแรงดันไฟฟ้า (Voltage Followers) ที่มีอิมพิแดนซ์สูงของการกำหนดค่าการขยายสัญญาณที่นิยมมากที่สุด

อิมพแดนซ์สูงและกระแสไบแอสที่ต่ำมากจากสัญญาณอินพุตที่กำเนิดแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมสวิตซ์อนาล็อกที่น้อยที่สุดและการกำเนิดสัญญาณที่มีความถูกต้องมากยิ่งขึ้น สำหรับอินพุตของ IA การขยายสัญญาณอินสตรูเมนเตชั่นมีเอาต์พุตอิมพิแดนซ์ต่ำ ซึ่งเหมาะสำหรับการขับสัญญาณอินพุตของ ADC โดยทั่วไป ADC จะมีอิมพิแดนซ์ต่ำหรืออินพุตอิมพิแดนซ์ที่คงที่ ดังนั้น ในขั้นตอนก่อนหน้านี้จะต้องให้อิมพิแดนซ์มีค่าต่ำสุดในทางปฏิบัติ การขยายสัญญาณอินสตรูเมนเตชั่นมีข้อจำกัดเกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้าชดเชยข้อผิดพลาด (Concerning Offset Voltage) เกนขยายที่ผิดพลาด แบนด์วิดท์ที่จำกัดและการเซตค่าเวลา แรงดันไฟฟ้าชดเชยและเกนขยายที่ผิดพลาดสามารถสอบเทียบผลลัพธ์ที่ได้ของการวัด แต่แบนด์วิดธ์และการตั้งค่าเวลาเวลาเป็นพารามิเตอร์ที่ จำกัดความถี่ของการขยายสัญญาณและความถี่ของระบบสวิตซ์ชิ่งทางอินพุตสามารถสลับสับเปลี่ยนระหว่างช่องสัญญาณ

11

รูปที่ 11. การขยายสัญญาณอินสตรูเมนเตชั่นที่อินพุตอิมพิแดนซ์สูงทั้ง V1 และ V2 โดยตัวต้านทาน(Rm) ทำหน้าที่ปรับเกนขยายสัญญาณความแตกต่างอินพุต

เวลาทั้งหมดที่ใช้อ่านค่าแต่ละช่องเป็น 10 ไมโครวินาที ถ้าแปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นอนาล็อกที่เวลา 8 ไมโครวินาที การเซตค่าเวลาของสัญญาณอินพุตที่ถูกต้องจำเป็นต้องน้อยกว่า 2 ไมโครวินาที แม้ว่าการปรับเทียบระบบสามารถลดแรงดันไฟฟ้าชดเชยและเกนขยายที่ผิดพลาด ซึ่งไม่มีความจำเป็นเสมอไปที่จะทำเช่นนั้น ยกตัวอย่างเช่น การขยายสัญญาณที่มีแรงดันไฟฟ้าชดเชยเท่ากับ 0.5 mV และเกนขยายจากการวัดสัญญาณเท่ากับ 2V ที่พัฒนาแล้วเกิดข้อผิดพลาดเพียง 1 mV เท่านั้นใน 4V ทางเอาต์พุตหรือประมาณ 0.025% โดยเปรียบเทียบการชดเชยที่ 0.5 mV และเกนขยายเท่ากับ 50 วัดสัญญาณได้ 100mV ที่พัฒนาแล้วและเกิดข้อผิดพลาดเท่ากับ 25 mV ใน 5V หรือประมาณ 0.5% ข้อผิดพลาดเกนขยายสัญญาณที่ประมาณ 0.25% จะมีผลกระทบมากยิ่งขึ้นโดยเป็นผลรวมของข้อผิดพลาดที่เพิ่มขึ้น ณ เกนขยายที่สูงขึ้นและข้อผิดพลาดที่น้อยที่สุด ณ เกนๆ เดียวเท่านั้น

Integrated Instrumentation Amplifiers

วงจรขยายสัญญาณอินทิกรัลอินสตรูเมนเตชั่น คือ การขยายสัญญาณที่มีคุณภาพสูงที่ชุด  “Precision Feedback Networks” ที่ทำงานอย่างแม่นยำอยู่ภายในระบบและเหมาะสำหรับการวัดสัญญาณระดับต่ำในสภาพแวดล้อมที่มีเสียงดัง โดยที่ไม่มีข้อผิดพลาดและการขยายสัญญาณขนาดเล็กในท่ามกลางโหมดแรงดันไฟฟ้าสูง ๆ วงจรขยายสัญญาณอินทิกรัลอินสตรูเมนเตชั่นมีความเหมาะสมสำหรับการเชื่อมต่อโดยตรงกับความหลากหลายของเซ็นเซอร์ เช่น สเตรนเกจ และ   เทอร์โมคัปเปิ้ล, RTDs, กระแสชันต์และโหลดเซลล์วงจรขยายสัญญาณอินทิกรัลอินสตรูเมนเตชั่นมีการกำหนดค่าทั่วไปกับออปแอมป์ 3 ตัว ที่มี 2 อินพุตและเอาต์พุตที่เป็นผลลัพธ์จากสัญญาณความแตกต่างทางอินพุต แสดงรูปที่ 11. ในบางครั้งการเซตค่าเกนขยายสัญญาณตั้งแต่ 1 ถึง 100 และเงื่อนไขอื่นๆ ที่สามารถโปรแกรมได้

Programmable-Gain Instrumentation Amplifiers

วงจรขยายสัญญาณอินสตรูเมนเตชั่นแบบพิเศษมีชื่อเรียกว่า “Programmable-Gain Instrumentation Amplifiers” (PGIA) ที่มีการทำงานที่สลับไปมาระหว่างระดับเกนขยายสัญญาณคงที่และความเร็วสูง สำหรับสัญญาณความแตกต่างทางอินพุต โดยระบบสวิตซ์ชิ่งที่อินพุต วงจรควบคุมแบบดิจิตอลที่ทำหน้าที่เลือกช่องอินพุต นอกจากนี้ ยังสามารถเลือกช่วงเกนขยายสัญญาณ หลักการปฏิบัติเป็นเช่นเดียวกับที่กล่าวไว้ข้างต้นสำหรับเกนการขยายสัญญาณที่โปรแกรมได้

การกรองสัญญาณ (FILTERING)

วงจรกรองสัญญาณที่นิยมใช้มากที่สุด คือ วงจรกรองสัญญาณแบบบัตเตอร์เวอร์ดและเบสเซลจำนวนวงจรกรองสัญญาณใน 3 ประเภท แสดงดังรูปที่ 12A, B และ C แต่ละชนิดมีลักษณะเฉพาะในการกรองสัญญาณความถี่สูงผ่าน (High-Pass Filter) การกรองความถี่ต่ำผ่าน (Low-Pass Filter) การกรองความถี่กลางผ่าน (Band-Pass Filter) และการกรองความถี่ที่ไม่ต้องการ (Band-Reject Filter) แต่การกรองสัญญาณความถี่ทั้งหมดที่กล่าวมามีการตอยสนองสัญญาณแตกต่างกันออกไป ซึ่งอาจจำเป็นต้องใช้วงจร “Passive  Filter Networks” หรือ “Active Filter Networks” เพื่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานให้มากยิ่งขึ้น

ตัวกรองสัญญาณแบบบัตเตอร์เวอร์ดมีการตอบสนองความถี่ที่ค่อนข้างแคบในวงจรกรองความถี่ที่ต้องการผ่านได้ แต่ให้ผลตอบสนองเชิงขนาดของสัญญาณได้เท่าเทียมกันตลอดย่านความถี่ที่ต้องการ มีอัตราการลดทอนสูงชัน ค่าแอมปลิจูดของสัญญาณจะถูกลดทอนลงด้วยอัตราประมาณ -20n dB/decade ซึ่งเมื่อเปรียบเทียบกับวงจรกรองความถี่แบบเชบีเชฟ ซึ่งทำงานได้ค่อนข้างดี สำหรับสเตปฟังก์ชั่น แต่ขั้นตอนการตอบสนองแบบไม่เชิงเส้น วงจรกรองความถี่แบบเชบีเชฟมีการลดทอนสูงชันกว่าบัตเตอร์เวิร์ด จุดคัทออฟของวงจรบัตเตอร์เวิร์ธนี้จะอยู่ต่ำกว่าจุดคัทออฟของวงจรกรองความถี่แบบเชฟบีเชฟ      

12 A

(A)

12 B

(B)

12 C

(C)

รูปที่ 12.(A),(B),(C) การกรองสัญญาณแบบ Butterworth Filter, Bessel Filter และ Chebyshev Filter ตามลำดับ   

การกรองความถี่ต่ำผ่าน (Low-Pass Filters)

การกรองความถี่ต่ำผ่านจะเกิดการลดทอนที่ความถี่ใช้งานที่สูงในองศาที่แตกต่างกัน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับจำนวนของสเตปการกรองและขนาดของคลื่นความถี่สูงเมื่อเทียบกับความถี่ในเชิงมุม โดยปกติการขยายสัญญาณไม่จำเป็นต้องมีแบนด์วิดธ์สูง เมื่อสัญญาณที่ต้องวัดมีความถี่ที่ต่ำกว่ามากๆ ในความเป็นจริงการออกแบบมีวัตถุประสงค์ เพื่อขจัดแบนด์วิดธ์ที่มากเกินไปในวงจรทั้งหมด ซึ่งจะช่วยลดเสียงรบกวนลงได้ ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีว่า  มีวงจรกรองความถี่ต่ำอยู่หลายแบบด้วยกัน แต่ก็มีเพียง 2 แบบ ซึ่งเป็นที่นิยมใช้กันคือ แบบบัตเตอร์เวิร์ธ  (Butterworth)  และแบบเซบีเซฟ (Chebyshev)   หนึ่งประโยชน์ที่สำคัญ สำหรับเซ็นเซอร์ที่ใช้สัญญาณในระดับต่ำๆ (เมื่อเทียบกับขั้นตอนการมัลติเพล็ก) เป็นการรวมกันของวงจรกรองความถี่ต่ำผ่านต่อช่องสัญญาณบนเส้นเดินสัญญาณ ในวงจรมัลติเพล็ก เส้นทางสัญญาณหลักโดยทั่วไปไม่สามารถใช้การกรองความถี่ต่ำผ่านได้ เนื่องจากความจำเป็นในด้านการเซตค่าเวลาการทำงานที่รวดเร็วในระบบมัลติเพล็ก (ดูรูปที่ 13 A)

13 A

(A)

13 B

(B)

13 C

(C)

รูปที่ 13. (A),(B),(C) การขยายสัญญาณอินสตรูเมนเตชั่นที่การกรองความถี่ที่ผ่านเกนขยายบัฟเฟอร์หลักระหว่างเอาต์พุตเซนเซอร์และอินพุตของมัลติเพล็กซ์ที่ทรานฟรอมส์อิมพิแดนซ์เอาต์พุตที่สูงของเซนเซอร์ให้มีอิมพิแดนซ์ต่ำ วงจรกรองสัญญาณอย่างง่ายและการต่อร่วมใช้งานของระบบโดยรวม ตามลำดับ

การกรองความถี่สูงผ่าน (High-Pass Filters)

การกรองความถี่สูงผ่านมีการทำงานที่ตรงกันข้ามกับการกรองความถี่ต่ำผ่าน การกรองความถี่สูงผ่านจะลดทอนความถี่ต่ำและมีความจำเป็น เมื่อสัญญาณรบกวนความถี่ต่ำสามารถผ่านมากับสัญญาณความถี่สูง ซึ่งความถี่ต่ำที่รบกวนทางไฟฟ้าบางครั้งมาจากระบบสัญญาณไฟฟ้าที่ความถี่ 50 หรือ 60 เฮิร์ตซ์ สัญญาณที่ต้องการจะเสียหายจากการรบกวนความถี่ต่ำที่สอดแทรกของหม้อแปลงไฟฟ้าที่ติดตั้งอยู่กัโครงสร้างอุปกรณ์ นอกจากนี้ การรวมเอาข้อได้เปรียบของการกรองความมถี่สูงและการกรองความถี่ต่ำผ่านอาจถูกนำมาใช้งาน เพื่อสร้างการกรองสัญญาณแบบ “Notch Filter” ที่จะลดทอนแบนวิดธ์ของความถี่ให้แคบลง เช่น ความถี่ 50-60 เฮิร์ตซ์และฮาร์โมนิกที่หนึ่ง แสดงการกรองความถี่สูงแบบ 3 ลำดับ ดังรูปที่ 14.

14

รูปที่ 14. การกรองความถี่สูงแบบ 3 ลำดับที่ออกแบบให้มุมของความถี่ต่ำใกล้เคียงค่าศูนย์และความถี่คัทออฟที่มีค่าสูง

Passive VS. Active Filters

การกรองสัญญาณแบบพาสซีพประกอบด้วยตัวเก็บประจุดิสคริสต์ (Discrete Capacitors) ตัวเหนี่ยวนำและตัวต้านทานที่ต้องนำไปออกแบวงจรร่วมกับอุปกรณ์อื่นๆ ตามความเหมาะสมการเดินทางของสัญญาณความถี่ผ่านเครือข่ายเหล่านี้ แต่มี 2  ปัญหาเกิดขึ้นกับการกรองแบบนี้ได้แก่: สัญญาณที่ต้องการจะถูกลดทอนตามขนาดที่เล็กลงและเมื่อเชื่อมต่อกับโหลด คุณลักษณะการกรองสัญญาณจะเกิดการเปลี่ยนแปลงไปจากเดิม  อย่างไรก็ตาม การกรองสัญญาณด้วย “Active Filters” สามารถหลีกเลี่ยงปัญหาเหล่านี้ได้ แสดงดังรูปที่ 15. วงจรจะประกอบด้วยการขยายสัญญาณที่สร้างขึ้นแบบไม่ต่อเนื่องและเป็นการนำตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำมาต่อใช้งานร่วมกัน

โดยวงจรสามารถตอบสนองต่อการกรองสัญญาณที่ต้องการ (Pass-Band หรือ Stop-Band) ผ่านได้อย่างเหมาะสม โดยไม่มีผลกระทบต่อโหลดของวงจรในการลดทอนสัญญาณที่ต้องการหรือเปลี่ยนคุณลักษณะการกรองสัญญาณไปจากเดิม ข้อดีของการกรองสัญญาณแบบนี้ คือ ง่ายต่อการออกแบบและมีการปรับแต่งปลีกย่อยเพียงเล็กน้อยเท่านั้น สำหรับการปรับปรุงคุณลักษณะของการกรองสัญญาณ

15 A

(A)

15 B

(B)

รูปที่ 15  (A), (B) การกรองสัญญาณแบบพาสซีพที่ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของโหลด การป้องกันโดยใช้ “Active Filters”  ที่มีทรานซิสเตอร์หรือออปแอมป์แยกวงจรออกจากโหลด

Switched-Capacitance Filters

แม้ว่าการกรองสัญญาณที่สร้างขึ้นใช้งาน จากออปแอมป์ในการแก้ปัญหาของการกรองแบบพาสซีพก็ตาม การกรองดังกล่าวยังคงมีการต่อใช้งานร่วมกันกับของอุปกรณ์อื่นและตัวต้านทานแบบดิสคริตส์  ตัวต้านทานดิสคริสต์ในแบบวงจรรวมยังคงใช้พื้นที่ขนาดใหญ่บนแผงวงจร ซึ่งส่งผลต่อสัญญาณที่มีความคลาดเคลื่อนสูง นอกจากนี้ ค่าตัวเก็บประจุเสมือนจริงมีโอกาสที่จะเกิดขึ้นได้ในวงจรรวมดังกล่าวนี้ เมื่อนำมาใช้กับสวิตซ์ชิ่งโหมดสามารถแทนที่ด้วยการกรองสัญญาณด้วยตัวต้านทาน

การกรองสัญญาณแบบ “Switched-Capacitor Filter” คือ การปรับปรุงคุณภาพของการกรองสัญญาณแบบแบบดั้งเดิมค่อนข้างมาก โดย “James Clerk Maxwell” ได้เปรียบเทียบการสวิตซ์ด้วยตัวเก็บประจุกับตัวต้านทานในปี 1892 ทฤษฎีการกรองสัญญาณดังกล่าวนี้ แสดงดังรูปที่16. แสดงให้เห็นว่ามีการเปิด S2 และสวิตซ์  S1 จะเกิดการถ่ายเทประจุจาก V2 ไปยังตัวเก็บประจุ เมื่อ S2 เปิด และ S1 ปิด ตัวเก็บประจุจะถ่ายโอนค่าประจุไปยัง V1 กระบวนการนี้จะเกิดซ้ำไปเรื่อยๆ ณ ความถี่เฉพาะและการประจุจะกลายเป็นค่ากระแสไฟฟ้าอย่างมีนัยสำคัญที่มีค่ากระแสไฟฟ้าเท่ากับการถ่ายโอนค่าประจุต่อหนึ่งหน่วยเวลาความเป็นมาของสมการที่อยู่นอกเหนือขอบเขตนี้ยังสามารถแสดงให้เห็นว่าตัวต้านทานเทียบเท่าอาจถูกกำหนดโดยสมการ :

999

เมื่อ

1010

สมการข้างต้นระบุว่าการสวิตซ์ด้วยตัวเก็บประจุเปรียบเสมือนตัวต้านทานที่อยู่ภายในข้อจำกัดของวงจรความถี่สัญญาณนาฬิกาและตัวเก็บประจุมีค่าคงที่ นอกจากนี้ ยังมีค่าที่มีประสิทธิภาพเทียบเท่าของตัวต้านทานจะแปรผกผันกับความถี่หรือขนาดของตัวเก็บประจุ

16

รูปที่ 16. ตัวต้านทานมีค่าความคลาดเคลื่อนเพิ่มมากขึ้นและต้องการพื้นผิวที่มากกว่าตัวเก็บประจุ ดังนั้น การใช้ตัวเก็บประจุแทนค่าการสวิตซ์ด้วยตัวต้านทานในการกรองสัญญาณด้วยวงจร “Switched Capacitor”

 

จากเนื้อหาที่นำเสนอนั้น  คงพอจะเป็นแนวทางและแนวความคิดในการนำไปแก้ไขปัญหา การออกแบบ หรือแม้แต่ประยุกต์ใช้ในลักษณะต่างๆ ได้อย่างเหมาะสมยิ่งขึ้น ทั้งนี้ในเรื่องของการการปรับปรุงคุณภาพของสัญญาณนั้น เป็นเรื่องที่มีความสำคัญมากสำหรับนักอิเล็กทรอนิกส์เรา นะครับ.  

Leave a Comment

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>