Сигнальний перетворювач функцiонально iнтегрованих термомагнiтних сенсорiв

Introduction. The article is dealing with the sensors analog front-end development in accordance to concepts of Lab-on-Chip and Internet of Things. The task of functional integration, the basis of which is the combination of several complementary methods of measurement in one device, is pointed. Basic approaches to functional integration. Functional integration provides the ability to use the same microelectronic structure for controlled heating, measuring the temperature, and measuring the changes of the investigated sample characteristics under the influence of external influence. Functional integrated magneto-transistor converter. The main advantages of used magneto-transistors are high signal-to-noise ratio, increased resistance to magneto-induction interferences, and multi-modes and multi-functionality. The last advantage is decisive for solving the problem of a single chip functionally integration. The principle of operation and the circuit diagram of the signal converter. The signal converter provides three functional properties on single chip magneto-transistor structure. The first is the magnetic field measurement. The second is controlled heating of the structure. And, the third property is the measurement of the temperature of the structure of the magneto-transistor with investigated substance placed on this structure. Hardware-software implementation of the signal converter. The signal converter has been implemented on the Programmable System on Chip PSoC 5LP (Cypress Semiconductor). The module CY8CKIT-059 Prototyping Kit has been used. The developed software for controlling the measurement process provides controlling the duration of the heating pulses and relaxation, the number of measurements in each thermal cycle, coefficients of measuring transformation functions, API operating modes commands, etc. Conclusions. The novelty of the obtained results is the implementation of the sensor device for thermomagnetic analysis on the lateral magneto-transistors single chip structure. The areas of application are sensors for materials science, biophysics and medicine in the concept of the Internet of Things.Статья посвящена проблемам развития сенсорной электроники в соответствии с концепций Лаборатория на чипе (Lab-on-Chip), Программируемая система на кристалле (Programmable System-on-Chip) и Интернет вещей (Internet of Things). Решается задача функционального интегрирования, основой которого является сочетание в одном устройстве нескольких взаимодополняющих методов измерения. Новизной полученных результатов является реализация сенсорного устройства термомагнитного анализа на однокомпонентной структуре латерального магнитотранзистора. Показано, что преимуществом построения in-situ сенсоров термомагнитного анализа на основе магнитотранзисторов является мультипараметричнисть их режимов работы. Это преимущество создает возможности реализации термомагнитных однокомпонентных измерительных преобразователей с расширенными функциональными возможностями, а именно, измерения магнитного поля, управляемого нагрева и измерения температуры. Управление процессами измерения с функциональным in-situ интегрированием осуществляется сигнальным преобразователем, который содержит аналоговый фронт-энд и микроконтроллер управления. Представлены результаты аппаратно-программной реализации сигнального преобразователя. Область применения представленного измерительного преобразователя - сенсорные устройства термомагнитного анализа для материаловедения, биофизики и медицины.Стаття присвячена проблемам розвитку сенсорної електроніки у відповідності до концепцій "Лабораторія на чіпі" (Lab-on-Chip), "Програмована система на кристалі" (Programmable System-on-Chip) та "Інтернет речей" (Internet of Things). Вирішується задача функціонального інтегрування, основою якої є поєднання в одному пристрої декількох взаємодоповнюючих методів вимірювання. Новизною отриманих результатів є реалізація сенсорного пристрою термомагнітного аналізу на однокомпонентній структурі латерального магнітотранзистора. Показано, що перевагою побудови in-situ сенсорів термомагнітного аналізу на основі магнітотранзисторів є мультипараметричність їх pежимів роботи. Ця перевага створює можливості реалізації термомагнітних однокомпонентних вимірювальних перетворювачів з розширеними функціональними можливостями, а саме, вимірювання магнітного поля, керованого нагріву та вимірювання температури. Керування процесами вимірювання з функціональним in-situ інтегруванням здійснюється сигнальним перетворювачем, який містить аналоговий фронт-енд та мікроконтролер керування. На відміну від типових рішень сигнального перетворення на магнітотранзисторах, запропонована схема дозволяє перейти від двофазного типу вихідного сигналу магнітотранзистора у виді різницевої напруги до ефективнішого для вирішуваної задачі рішення з однофазним вихідним сигналом. Таке рішення особливо важливе в схемах з низьковольтним однополярним живленням, що є вимогою до пристроїв Інтернету речей. Сигнальний перетворювач реалізовано на платформі програмованої системи на кристалі PSoC CY8CKIT-059 PSoC 5LP Prototyping Kit. Інформативна величина температури визначається температурною залежністю падіння напруги на прямозміщених p-n переходах магнітотранзистора. Представлені результати апаратно-програмної реалізації сигнального перетворювача. Галузь застосування представленого вимірювального перетворювача – сенсорні пристрої термомагнітного аналізу для матеріалознавства, біофізики та медицини

Velocity-space sensitivity of the time-of-flight neutron spectrometer at JET

The velocity-space sensitivities of fast-ion diagnostics are often described by so-called weight functions. Recently, we formulated weight functions showing the velocity-space sensitivity of the often dominant beam-target part of neutron energy spectra. These weight functions for neutron emission spectrometry (NES) are independent of the particular NES diagnostic. Here we apply these NES weight functions to the time-of-flight spectrometer TOFOR at JET. By taking the instrumental response function of TOFOR into account, we calculate time-of-flight NES weight functions that enable us to directly determine the velocity-space sensitivity of a given part of a measured time-of-flight spectrum from TOFOR

Relationship of edge localized mode burst times with divertor flux loop signal phase in JET

A phase relationship is identified between sequential edge localized modes (ELMs) occurrence times in a set of H-mode tokamak plasmas to the voltage measured in full flux azimuthal loops in the divertor region. We focus on plasmas in the Joint European Torus where a steady H-mode is sustained over several seconds, during which ELMs are observed in the Be II emission at the divertor. The ELMs analysed arise from intrinsic ELMing, in that there is no deliberate intent to control the ELMing process by external means. We use ELM timings derived from the Be II signal to perform direct time domain analysis of the full flux loop VLD2 and VLD3 signals, which provide a high cadence global measurement proportional to the voltage induced by changes in poloidal magnetic flux. Specifically, we examine how the time interval between pairs of successive ELMs is linked to the time-evolving phase of the full flux loop signals. Each ELM produces a clear early pulse in the full flux loop signals, whose peak time is used to condition our analysis. The arrival time of the following ELM, relative to this pulse, is found to fall into one of two categories: (i) prompt ELMs, which are directly paced by the initial response seen in the flux loop signals; and (ii) all other ELMs, which occur after the initial response of the full flux loop signals has decayed in amplitude. The times at which ELMs in category (ii) occur, relative to the first ELM of the pair, are clustered at times when the instantaneous phase of the full flux loop signal is close to its value at the time of the first ELM

Optymalizacja mikroelektronicznych sensorów magnetycznych na dzielonych strukturach Hall'a

The work gives an analysis of the field characteristics of magnetic sensors on the splitted Hall structures. Having a number of advantages (including the capability to be integrated into three-component magnetic probes with high spatial resolution), such splitted Hall structures require further analysis of output voltage dependence on magnetic induction vector. New field characteristic equations are proposed.Praca przedstawia analizę charakterystyki pola sensorów magnetycznych rozmieszczonych na dzielonych strukturach Hall'a. Dzielone struktury Hall'a mogą być integrowane w trójkomponentowe czujniki z wysoką rozdzielczością przestrzenną. Dzielone struktury Hall'a wymagają dalszych badań dotyczących zależności napięcia wyjściowego od wektora indukcji magnetycznej. W pracy zaproponowano nowe równania charakterystyki pola

Study and stability improving of operational amplifiers in the capacitance sensor drivers

Driver for capacitance loads more than 10 nF is developed and investigated. Driver provides high operational stability of the transducer by decoupling operational amplifier output from reactive load

Методика пiдвищення точностi вимiрювальних перетворювачiв iмпедансу з врахуванням негармонiчностi сигналiв

Introduction. Nowadays, one of the most relevant classes of sensor electronics for the Internet of Things is based on the methods of impedance spectroscopy. In general, the informative signals of impedance spectroscopy, namely, an active component or resistance which forms the real part and a reactive component or reactance which forms the imaginary part of complex impedance of the investigated two-terminal network, are formed by specialized analog front-end or measuring transducers. The defining requirements for measuring converters of sensor devices of the Internet Things are their versatility, minimal power consumption, the ability to work at low supply voltages, stability of operation with changing external factors and so on. In this paper, the problem of improving the accuracy of electrical impedance measuring transducers is considered, taking into account the non-harmonic of the driving signals. SPICE model and research technique. The implementation of impedance spectroscopy assumes a transition from frequency plots to plots on the complex plane, called as Nyquist plots. In a number of modern versions of circuit simulation programs the method of impedance analysis is already provided with the use of mathematical functions of Real (Re) and Imagine (Im) components of the signal. Using these functions, it is possible to calculate the corresponding values of the active (Re Z) and the reactive (Im Z) impedance of the object under investigation. As a result of his usage a Nyquist plot is plotted. However, this approach is not universal, and in particular, imposes significant restrictions taking into account the parameters of real signals, namely, their amplitude, shape, non-harmonics, etc. The results obtained in this paper are based on the new SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) model studding methodology, which compares small signal Alternative Current Analysis with large signal Transient Analysis. During the Alternative Current Analysis, Nyquist impedance plot are obtained in the idealized case, and during the Transient Analysis the active Re Z value and reactive Im Z impedance components are calculated for the actual parameters of the measuring transducers and the form of the activating signals. The implementation of the above mentioned methodology involves the use of synchronous quadrature detection of the output signals of the measuring circuit. Analysis and correction of results. In accordance with the task of increasing the impedance measuring transducers accuracy at inharmoniousness signals we consider the method of calculating the coefficients KRE and KIM, allowing correcting the measurement results of the active Re Z and the reactive Im Z impedance components. A few analysis and correction results are presented. The obtained regularities can be widely used in correcting the results of impedance spectroscopy upon activation by pulse signals for the vast majority of research options. Conclusion. A new approach is proposed, according to which three arrays of informative signals of active Re Z and reactive Im Z impedance are formed and compared. The first M(AC) array is obtained using small signal Alternative Current Analysis, which corresponds to an idealized version of the measurement transformation and is subsequently used as a reference. The next two arrays M(H1) and M(HN) are obtained by the method of large signal Transient Analysis using the results of integrating the quadrature detector output voltages of the impedance transducer. The array M(H1) is formed when the input source triggers a harmonic oscillation (the first H1 harmonic), and the M(HN) array when activated by a functionally controlled source synthesizes a non-harmonic signal in the form of harmonics HN. The increase in the accuracy of the measurement conversion is provided by coefficients $K_{RE}$ and $K_{IM}$, which allow the correction of the measurement results of the active and reactive components of the impedance. A method for calculating such coefficients and examples of their use are presented.В работе решается задача повышения точности измерительных преобразователей электрического импеданса с учетом негармоничности задающих сигналов. Полученные результаты базируются на методе SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) модельных исследований, в котором проводится сопоставление малосигнального AC (Alternative Current) анализа по переменному току и переходного Transient анализа. Предложена методика, согласно которой формируют и сравнивают массивы информативных сигналов активного Re Z и реактивного Im Z импеданса. Повышение точности измерительного преобразования обеспечивается использованием соответствующих коэффициентов, которые позволяют проводить коррекцию результатов измерения активной и реактивной составляющих импеданса. Представлен способ расчета таких коэффициентов и примеры их использования.В роботі вирішується задача підвищення точності вимірювальних перетворювачів електричного імпедансу з врахуванням негармонічності задаючих сигналів. Отримані результати базуються на методі SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) модельних досліджень, в якому проводиться співставлення малосигнального AC (Alternative Current) аналізу за змінним струмом та перехідного Transient аналізу. Запропоновано методику, згідно якої формують та порівнюють масиви інформативних сигналів активного Re Z та реактивного Im Z імпедансу. Підвищення точності вимірювального перетворення забезпечується відповідно розрахованими коефіцієнтами, які дозволяють проводити корекцію результатів вимірювання активної та реактивної складових імпедансу. Представлено спосіб розрахунку таких коефіцієнтів та приклади їх використання

Програмована система сигнального тракту пристроїв магнiтного трекiнгу для задач локальної навiгацiї

Introduction. The article is dealing with the Magnetic Tracking signal path for measurement of objects’ positions in nearby places. The basic principle of the Magnetic Tracking method is based on measurement of magnetic induction of the reference magnetic fields and the calculation of the objects position based on it.Problem analysis. Big advantages of magnetic tracking technologies are the non-line-of-sight feature compared to optical tracking and high accuracy of long time measurement compared to inertial tracking. However, a very large signal range and significant distortions due to nearby metallic objects are serious drawbacks preventing magnetic tracking from being widely used.Selection and configuration of signal path components. Taking into account the requirements of uptoday microelectronics, in particular for the sensors of the Internet of Things, the signal path of the Magnetic Tracking sensors is implemented on the concept of System on Chip. Basic components of the signal path are software Programmable Waveform Generator, Programmable Gain Amplifiers and Programmable Mixer. Configurations of the components are provided by Application Programming Interface routines.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               Functional and model studies of the synchronous detector. Noise immune processing is based on synchronous detector. SPICE simulations and analysis of this detector are provided.Implementation of signal path of magnetic tracking. The signal converter has been implemented on the Programmable System on Chip PSoC 5LP (Cypress Semiconductor). The module CY8CKIT-059 Prototyping Kit has been used. The developed software for controlling the measurement process provides controlling the conversion mode, dynamic amplification switching, analog-to-digit converting, etc.Conclusions. The novelty of the solutions presented in the work is the combination of signal amplification dynamic switching and the noise immune processing. Reference magnetic fields are formed by actuator coils in the lowfrequency spectrum of electromagnetic waves. Signals are produced by sensor coils and are used for objects position calculation. Technologies of Magnetic Tracking are considered as high promising solutions for Virtual Reality, Augmented Reality and Internet of Things.Работа посвящена проблематике аппаратно-программной реализации устройств магнитного трекинга для высокоточного определения положения объектов в пространстве, в частности в концепциях Интернета вещей и виртуальной реальности. Базовый принцип метода магнитного трекинга базируется на расчете положения объектов по результатам динамического измерения вектора индукции опорных магнитных полей. Такие опорные магнитные поля формируются матрицами актюаторних катушек в низкочастотном диапазоне электромагнитного излучения. В данной работе решается задача разработки сигнального тракта устройств магнитного трекинга пространственного положения. Предлагаемые решения направлены на повышение точности и расширение зоны измерения пространственного положения, а их новизной алгоритм помехоустойчивого преобразования при динамическом переключении параметров сигнального тракта. Учитывая требования к современным радиоэлектронных устройств, сигнальный тракт реализовано на концепции программируемых систем на кристалле, в частности, PSoC семейства 5LP Family Cypress Semiconductor.Робота присвячена проблематицi апаратно-програмної реалiзацiї пристроїв магнiтного трекiнгу для високоточного визначення положення об’єктiв в просторi, зокрема в концепцiях вiртуальної та доповненоїреальностi. Базовий принцип методу магнiтного трекiнгу базується на розрахунку положення об’єктiв за результатами динамiчного вимiрювання вектора iндукцiї опорних магнiтних полiв. Такi опорнi магнiтнiполя формуються актюаторними котушками в низькочастотному спектрi електромагнiтного випромiню вання. Суттєвими перевагами систем магнiтного трекiнгу вiдносно систем оптичних систем є можливiстьфункцiонування поза зоною прямого бачення. Вiдносно систем iнерцiального трекiнгу перевагами систем магнiтного трекiнгу є можливiсть високоточного вимiрювання координат та вiдсутнiсть похибок, щовиникають внаслiдок часового дрейфу сигналiв акселерометрiв та гiроскопiв. Проте, сфера застосувань систем магнiтного трекiнгу є обмеженою. Це обумовлено паразитним впливом на результат вимiрюванняджерел стороннiх електромагнiтних завад та металiчних предметiв, якi спотворюють опорнi поля. В данiй роботi вирiшується задача розроблення сигнального тракту пристроїв магнiтного трекiнгу просторовогоположення. Проблемами, що обумовили цю задачу, є необхiднiсть забезпечення широкого дiапазону змiни сигналiв (до 120 dB) та високої завадостiйкостi вимiрювання при специфiчних умовах експлуатацiї. Запропонованi рiшення направленi на пiдвищення точностi та розширення зони вимiрювання просторового положення, а їх новизною є алгоритм завадостiйкого перетворення при динамiчному перемиканнi параметрiв сигнального тракту. Враховуючи вимоги до сучасних радiоелектронних пристроїв, сигнальний тракт реалiзовано на концепцiї програмованих систем на кристалi PSoC, Cypress Semiconductor. Представлено вибiр та конфiгурування компонентiв сигнального тракту, результати SPICE модельних дослiджень та приклад практичної реалiзацiї

Вимірювальні перетворювачі імпедансу з чотиритактним детектуванням сигналу

Internet of Things (IoT), a new direction in information and communication systems, has a significant impact on the development of novel electronics devices. Further progress in the field of IoT devices is conditioned by the development of sensor devices, and in particular, analog front-ends and signal converters for IoT sensors. High sensitivity and wide range applications of IoT sensors can be achieved by methods of impedance spectroscopy. Compared with other methods of physical research, impedance spectroscopy and based on it IoT sensor devices provide ease of implementation, high energy efficiency, good resolution and selectivity. In this paper, we present results of the development and model study of the impedance measuring transducer using the four-phase signal integration method. The implementation of impedance spectroscopy assumes a transition from frequency plots to plots on the complex plane, called as Nyquist plots. The data obtained in this paper are based on the SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) model studding methodology, which compares small signal Alternative Current Analysis with large signal Transient Analysis. During the Alternative Current Analysis, Nyquist impedance plot are obtained in the idealized case, and during the Transient Analysis the active ReZ value and reactive ImZ impedance components are calculated for the actual parameters of the measuring transducers and the form of the activating signals. We have proposed a new solution of the impedance measuring transducer based on the four-phase signal commutation and integration method. This method consists in the formation of four informative signals, namely, the voltages $V_{Q1}$, $V_{Q2}$, $V_{Q3}$ та $V_{Q4}$, each of which corresponds to the integration results in the corresponding four phases of the activation signal. In these phases, or time t, the sign functions $A_{Q1}(t)$, $A_{Q2}(t)$, $A_{Q3}(t)$, $A_{Q4}(t)$ of synchronous detections are used: $A_{Q1}(t)=1$ at $t=[0...\pi/2]$; $A_{Q2}(t)=1$ at $t=[\pi/2...\pi]$; $A_{Q3}(t)=1$ at $t=[\pi...3\pi/2]$; $A_{Q4}(t)=1$ at $t=[3\pi/2...2\pi]$. In other time these sign functions are equal 0. Output signals of the impedance measuring transducer, namely, voltages of active $V_{RE}$ and the reactive $V_{IM}$ components are formed by adding and subtracting the numerical values of the above four voltages: $V_{RE}=V_{Q1}+V_{Q2}-V_{Q3}-V_{Q4}$; $V_{IM}=V_{Q1}-V_{Q2}-V_{Q3}+V_{Q4}$. The main units of the impedance measuring analog front-end are a synchronous quadrature detector and an integrator or filter. In comparison to traditional two-phase detection, four-phase detection we have proposed allows avoiding intermediate signal transducing, which provides a significant simplification of impedance measuring transducing. This simplification is achieved by directly integrating the instantaneous value of the $I_{Z}(t)$ current. Important dependences of the measuring transducer output voltages with four-phase integration on the operational amplifiers bandwidth are obtained. Results presented in the article are important for developing a new generation of microelectronic IoT sensor devices based on impedance spectroscopy methods. Main areas of application of such sensor devices are materials science, biochemistry, instrumentation, avionics, ecology, etc.Работа посвящена проблемам разработки сенсорных устройств на основе методов импедансной спектроскопии. По сравнению с другими методами физических исследований устройства импедансной спектроскопии обеспечивают простоту реализации, высокую энергоэффективность, хорошую разрешающую способность и селективность измерений параметров исследуемых объектов. Представлены результаты разработки и модельного исследования измерительного преобразователя импеданса с использованием метода четырехтактного детектированием сигнала. В отличие от традиционного двухтактного детектирования, четырехтактное детектирование сигнала позволяет существенно упростить схемы преобразователей. Такое упрощение достигается непосредственным интегрированием мгновенного значения $I_{Z}(t)$ тока без использования промежуточных каскадов сигнального преобразования. Проведенные модельные исследования и параметрический анализ базируются на методе расчета с использованием Transient анализа SPICE моделей, в результате которого определяют активную $Z_{RE}$ и реактивную $Z_{IM}$ составляющие измеряемого импеданса для фактических параметров сигналов и элементной базы схемы преобразователя. Представлены зависимости выходных напряжений измерительного преобразователя с четырехтактным детектированием от ширины полосы рабочих частот операционных усилителей. Полученные результаты имеют важное значение для решения проблем разработки нового поколения микроэлектронных сенсорных устройств концепции Интернета Вещей на основе методов импедансной спектроскопии, в частности, в области материаловедения, биохимии, приборостроения, авионики, экологии и др.Робота присвячена проблемам розроблення сенсорних пристроїв на основі методів імпедансної спектроскопії. У порівнянні з іншими методами фізичних досліджень пристрої імпедансної спектроскопії забезпечують простоту реалізації, високу енергоефективність, хорошу роздільну здатність та селективність вимірювань параметрів досліджуваних об’єктів. Представлені результати розроблення та модельного дослідження вимірювального перетворювача імпедансу з використанням методу чотиритактного детектуванням сигналу. На відміну від традиційного двотактного детектування, чотиритактне детектування сигналу дозволяє суттєво спростити схеми перетворювачів. Таке спрощення досягається безпосереднім інтегруванням миттєвого значення $I_{Z}(t)$ струму без використання проміжних каскадів сигнального перетворення. Проведені модельні дослідження та параметричний аналіз базуються на методі розрахунку з використанням Transient аналізу SPICE моделей, в результаті якого визначають активну $Z_{RE}$ та реактивну $Z_{IM}$ складові вимірюваного імпедансу для фактичних параметрів сигналів та елементної бази схеми перетворювача. Представлені залежності вихідних напруг вимірювального перетворювача з чотиритактним детектуванням від ширини смуги робочих частот операційних підсилювачів. Отримані результати мають важливе значення для вирішення проблем розроблення нового покоління мікроелектронних сенсорних пристроїв концепції Інтернету Речей на основі методів імпедансної спектроскопії, зокрема, в галузях матеріалознавства, біохімії, автомобілебудування, авіоніки, екології тощо