Analog and Microprocessor System Design The Weather Station Project

258 Pages·2012·1.37 MB·English

Analog and Microprocessor System Design
The Weather Station Project
PeterD.Hiscocks
DepartmentofElectricalandComputerEngineering
RyersonUniversity
Toronto,Canada
Email: [email protected]
URL: http://www.ee.ryerson.ca/˜phiscock
http://www.syscompdesign.com
Contents
Preface xi
1 TemperatureMeasurement 1
1.1 GeneralRequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 TheThermistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 ThermistorElectricalSpecifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2 ThermistorMeasuringCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.3 LookupTable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.4 ThermistorEquation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.5 Steinhart-HartEquation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.6 ThermistorCircuitDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.7 ResolutionoftheThermistorThermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 EngineeringTool: BASICProgram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1 EstimatingtheProductionAccuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.2 ThermistorSelf-HeatingandThermalRunaway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.3 PlottingtheThermistorVICharacteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.4 EngineeringTool: GeneratingGraphswithGNUPLOT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4 TheDiodeTemperatureSensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.4.1 DiodeTemperatureCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.4.2 TransistorBase-EmitterVoltageFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4.3 Base-EmitterVoltageFunctionofTemperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.4 Base-EmitterVoltageTemperatureCoefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.4.5 InterfaceCircuitforaTransistorTemperatureSensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.4.6 TheOperationalAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.4.7 TheeffectofPowerSupplyRippleandDrift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.4.8 TheEffectofBiasCurrents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.4.9 TheEffectofOffsetCurrent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.4.10 TheEffectofOffsetVoltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.4.11 DriftinResistorValues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.4.12 EstimateofAccuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.5 Appendix: OperationalAmplifier,StaticErrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.5.1 InputOffsetVoltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.5.2 InputBiasCurrent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
1.5.3 InputOffsetCurrent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
i
ii
1.5.4 PowerSupplyRejectionRatio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.5.5 SoftwarefortheDiodeTemperatureSensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
1.5.6 CheckingtheProductionDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.5.7 SpreadsheetModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.6 IntegratedCircuitTemperatureSensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
1.6.1 NationalLM135PrecisionTemperatureSensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
1.6.2 GeneratingtheTemperature-SensitiveVoltage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
1.6.3 AmplifyingtheTemperature-SensitiveVoltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
1.6.4 IntegratedCircuitTemperatureSensorInterfaceCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
1.7 Temperature-CurrentTransducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1.7.1 TheNationalLM134TemperatureSensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
1.8 AHighResolutionTemperatureSensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
1.8.1 AnalysisoftheTemperature-FrequencyConverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
1.8.2 FrequencyMeasurementbyAccumulatingPulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
1.8.3 MeasurementofPeriod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
1.9 TemperatureMeasurementSummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
1.9.1 Thermistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
1.9.2 Diode-ConnectedTransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
1.9.3 IntegratedCircuitTemperature-VoltageSensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
1.9.4 IntegratedCircuitTemperature-CurrentSensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2 Humidity 79
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.2 VapourPressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.3 RelativeHumidity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.4 SaturationVapourPressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.4.1 VapourPressureApplied: Humidex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.5 TheWet-Bulb,Dry-BulbHygrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.5.1 ComputerizingWet-Bulb,Dry-BulbMeasurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.5.2 Wet-DryBulbCalculation:AnExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.6 DewPoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.6.1 DewPointCalculation:AnExample. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.6.2 DewPointCalculationbyComputer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.7 ElectronicMeasurementofHumidity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.8 ACapacitance-HumiditySensorCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.8.1 SensorSpecifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.8.2 OscillatorMeasuringCircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.8.3 555TimerDesignExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.8.4 EngineeringProverb:Doittheeasyway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.8.5 CMOSOscillatorandDivider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.8.6 HumidityOscillatorCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.9 CalibratingtheHygrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.10 HumidityMeasurementSoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
2.10.1 HumidityTaskStateMachine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
2.10.2 HumidityTaskPseudo-Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2.10.3 HumidityDisplayRoutine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
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CONTENTS CONTENTS
2.10.4 ConvertingHumiditySensorFrequencytoRelativeHumidity . . . . . . . . . . . . . . . 103
2.10.5 CalibrationSoftwarefortheHumiditySensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.11 ProjectExploration: ResistanceHumiditySensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2.12 ProjectExploration: MonostableInterface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
2.12.1 AnalysisoftheAstableMultivibrator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
2.12.2 HumidityAstableSchematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3 WindSpeed 111
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.2 CupAnemometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.3 AnemometerusingtheCoolingEffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.4 ThermalCircuits,AReview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.5 ThermalModeloftheCoolingEffect. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.6 AConstantPowerAnemometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.7 ConstantTemperatureAnemometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.8 ComparingThermalAnemometers:AMoralityTale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.9 TheHotWireAnemometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.10 AnalogSquaringCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.11 AHotWireAnemometerCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.12 HeatedThermistorAnemometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
3.13 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
3.14 Appendix: SimplifyingKing’sLaw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.15 Appendix: AWindTunnelforCalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4 WindDirection 143
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.2 AccuracyandResolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.3 ShaftEncoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.4 SynchroResolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.5 ResolverInterface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.5.1 AnAsideonCircuitDesignMethodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.5.2 ResolverInterfaceasCommunicationsSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.5.3 ResolverInterfaceBuildingBlocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5 AirPressure 161
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.2 MeasuringAirPressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.3 AirPressureandAltimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.4 ElectronicMeasurementofAirPressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.4.1 SensorSpecifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.4.2 BarometerDesignIssues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.4.3 BarometerResolutionandDynamicRange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.4.4 TransferFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.4.5 TheBarometerCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.4.6 BarometricSoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5.5 BarometerCalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
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iv
5.5.1 ApproximateMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
5.5.2 AccurateMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.5.3 AutomaticCalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5.6 ReliabilityoftheDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
5.6.1 CircuitToleranceAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
5.6.2 TemperatureDrift. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6 SoftwareDesign 189
6.0.3 TheComplexityMonster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
6.0.4 OrganizationofaControlProgram. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.0.5 ExampleControlProgram:CAPCON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.0.6 Example: CAPCONMainLoop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
6.1 ModuleDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
6.1.1 ModuleExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
6.1.2 ModuleDescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
6.1.3 ModuleHeadingExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.1.4 ModuleInternalDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
6.1.5 Decisions,Decisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
6.2 ModuleDebugging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
6.2.1 DataStructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
6.2.2 DataStructureExample: TemperatureConversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
6.3 TheReal-TimeInterrupt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
6.3.1 AccurateTimeDelays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
6.3.2 FlipABit: RealTimeInterruptonthe68HC11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
6.4 StateMachineTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
6.4.1 StateMachineTechnique1: OutputPulseWaveform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
6.4.2 StateMachineTechnique2: MotionDetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
6.5 TheButtonInterface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
6.5.1 ButtonSwitchPseudocode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
6.5.2 ButtonInterfacetoDisplayManagerTask(MainLoop). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
7 InstrumentationLaboratoryOutline 223
7.1 LabDescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
7.1.1 ProjectObjectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
7.1.2 ProjectManagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.1.3 Microprocessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.1.4 ProjectFeatures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.1.5 GradingCriteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
7.1.6 ToolsandEquipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
7.1.7 ResourceMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
7.1.8 LabSchedule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
7.1.9 ProjectReport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
7.2 LaboratoryExercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
7.2.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
7.2.2 CalibrationConstants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
7.2.3 HumiditySensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
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CONTENTS CONTENTS
7.2.4 BarometricAirPressureSensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
7.2.5 WindSpeedSensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
7.2.6 SystemIntegration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
BibliographyandReferences 235
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vi
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List of Figures
1.1 ThermistorResistance-TemperatureCharacteristic. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 ThermistorTemperatureMeasurementCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 LookupTable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 ThermistorEquation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 ThermistorDivider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.6 TemperatureMeasurementBlockDiagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.7 A/D–TemperatureLookupTable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.8 ThermistorCircuitMeasurementAccuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.9 ThermistorVoltage-CurrentCharacteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.10 ThermistorSources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.11 ThermistorCircuitLoadLine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.12 ThermistorVoltagefromCurrent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.13 DiodeandDiode-ConnectedTransistorTemperatureSensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.14 TheMTSTemperatureMeasurementTransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.15 V vsI fortheMTS102 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
be C
1.16 SimpleDiodeCurrentSource . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.17 SensorandA-DSignals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.18 InvertingAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.19 InvertingAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.20 SensorandA-DSignalSeesawDiagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.21 SensorandA-DSignalSeesawDiagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.22 TemperatureSensorCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.23 PowerSupplyRejectionRatioEquivalentCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.24 LM324InternalCircuitry(Simplified) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.25 OperationalAmplifierWithBiasCurrent. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.26 BiasVoltageDividerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.27 OffsetCurrentCalculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.28 OperationalAmplifierWithOffsetVoltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.29 OperationalAmplifierOffsetVoltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.30 OperationalAmplifierOffsetVoltageApplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
1.31 OperationalAmplifierBiasCurrent. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.32 OperationalAmplifierBiasCurrentApplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.33 OperationalAmplifierOffsetCurrent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
1.34 OperationalAmplifierOffsetCurrentApplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
vii
viii
1.35 OpAmpPowerSupplyRejection,EquivalentCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.36 OpAmpPowerSupplyRejection,ApplicationCircuit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.37 DiodeTemperatureSensorBlockDiagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
1.38 CheckingComponentVariation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.39 DiodeTemperatureSimulationBlockDiagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.40 IntegratedCircuitTemperatureSensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
1.41 TemperatureCoefficientCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
1.42 TheEffectofVaryingCollectorCurrent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
1.43 TemperatureSensorAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
1.44 Temperature-VoltageInterfaceCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
1.45 Temperature-CurrentTransducerConcept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1.46 Temperature-CurrentTransducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
1.47 LM134AdjustableCurrentSource . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
1.48 ConversionofCurrenttoVoltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
1.49 SchematicDiagram,HighResolutionTemperatureSensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
1.50 TemperaturetoFrequencyConversionResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
1.51 InternalDetails,HighResolutionTemperatureSensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
1.52 BlockDiagram,HighResolutionTemperatureSensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
1.53 Count-TemperatureCurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
1.54 CountVSTemperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
1.55 FinalThermistorCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
1.56 TemperatureSensorCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
1.57 Temperature-VoltageFinalCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
1.58 SchematicDiagram,HighResolutionTemperatureSensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.1 VapourPressureDemonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.2 TemperatureandSaturationVapourPressureofWater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.3 VapourPressurevsTemperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.4 Wet-DryBulbHygrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.5 AutomaticMeasurementofHumidity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.6 PsychrometricCalculation,DataFlow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.7 VapourPressureDemonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.8 CapacitancevsRelativeHumidityforHumiditySensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.9 LCvsRCOscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
2.10 HumiditySensorOscillatorWaveform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
2.11 TimerCircuitandAstableConfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
2.12 HumidityMeasurementWithVariableFrequencyOscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.13 HygrometerCalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
2.14 SaltsforHumidityCalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
2.15 HumidityTaskStateDiagram. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
2.16 HumidityTaskFlowChart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.17 VariableResistanceHumiditySensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.18 HumiditySensorusingMonostables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
2.19 AstableMultivibratorOperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.20 HumiditySensorusingMonostables,Schematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
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LISTOFFIGURES LISTOFFIGURES
3.1 BeaufortWindScale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.2 HighestWindSpeedfor1Hour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.3 RotatingCupAnemometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.4 OpticalEncoderDisc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.5 ThermalCircuitExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.6 ThermalEquivalentCircuit,CoolingEffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.7 ConstantPowerAnemometerConcept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.8 ConstantPowerAnemometer,BasicCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.9 ConstantPowerAnemometerCircuit,FinalVersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.10 ConstantTemperatureAnemometerConcept. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3.11 ConstantTemperatureAnemometerCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3.12 ConstantPowerAnemometer,BasicCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.13 ConstantTemperatureAnemometerConcept. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.14 MeasuringLampTimeConstant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.15 HotWireAnemometerCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.16 CoolingFunctions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.17 SquareFunctionCircuitConcept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.18 HotWireAnemometerwithSquarer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.19 LampVoltage-CurrentCharacteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.20 ThermistorAnemometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
3.21 ThermistorAnemometer,OutputSignal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.22 WindTunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.1 CompassRose. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.2 ShaftEncoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.3 GrayCode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.4 Resolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.5 ResolverSINEOutput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.6 ResolverCOSINEOutput. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.7 ResolverStatorVoltageWaveformvsShaftAngle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.8 ResolverInterfaceBlockDiagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.9 ResolverSpectumDiagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.10 WeinBridgeOscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.11 PhaseSensitiveRectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.12 Phase-SensitiveRectifierOutput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.13 LowPassFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.14 LowpassFilterResponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.15 ResolverInterfaceSchematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.1 MercuryColumnBarometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.2 PressureUnits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.3 AneroidBarometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.4 BarometerScale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.5 PressureSensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.6 ResistorBridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.7 BarometerInterfaceTransferFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
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