Преобразование сигналов датчиков

Процесс преобразования аналоговых сигналов в цифровые, кроме процедуры преобразования, включают в себя операции обработки аналоговых сигналов, определенных условиями заданного качества сигнала, а в отдельных случаях необходимостью проведения функцио-нальных преобразований.

Большинство датчиков имеют большое исходное сопротивление и малый динамический диапазон, поэтому необходимо согласование выходных параметров датчиков с параметрами входных цепей системы обработки данных. В качестве устройств согласования чаще всего применяются операционные усилители, которые представляют собой усилители постоянного тока с большим коэффициентом усиления (например, ).

Рассмотрим основные схемы включения операционных усилителей: инвертирующий усилитель (рис. 2.2.) и неинвертирующий усилитель (рис.2.3).

Рисунок 2.2 – Инвертирующий усилитель

Перед анализом схемы вспомним основные правила:

· выход операционного усилителя стремится достичь такого состояния, чтобы разность напряжений между его входами была равна 0;

· входы операционного усилителя тока не потребляют.

Согласно первому и второму законам Кирхгофа можно записать

, (2.30)

тогда коэффициент усиления по напряжению для схемы инвертирующего усилителя

. (2.31)

Недостатком схемы является то, что она имеет малый входной импеданс. Этот недостаток устраняет схема неинвертирующего усилителя (рис. 2.3), для которого

, (2.32)

отсюда коэффициент усиления по напряжению

. (2.33)

Рисунок 2.3 - Неинвертирующий усилитель

Схема усилителя с единичным коэффициентом усиления (повторителя напряжения) приведена на рис.2.4.

Рисунок 2.4 - Повторитель напряжения

Такой усилитель также называют буфером, так как он имеет изолирующие свойства (большой входной импеданс и малый исходный).

Рисунок 2.5 – Дифференциальный усилитель

Схема дифференциального усилителя (рис. 2.5) пред-ставляет собой комбинацию инвертирующего и неинверти-рующего усилителей.

Для дифференциального усилителя можно записать

(2.34)

На практике часто необходимо ввести в исходный сигнал дифференциального усилителя постоянную составляющую. Это можно реализовать путем подключения источника смещения к инвертирующему входу операционного усилителя (рис.2.6).

Рисунок 2.6 – Смещение уровня

При введении смещения формула выходного напряжения имеет вид

(2.35)

Если входной сигнал изменяется в пределах от до и , то выходной сигнал будет изменяться от 0 до . Коэффициент усиления k определяется соотношением резисторов и .

Если выходной сигнал датчика - токовый, а для дальнейшей обработки сигнала требуется определённый уровень напряжения, то его необходимо превратить в напряжение и усилить до необходимого значения. Реализуем на базе операционного усилителя схему преобразователь ток-напряжение (рис. 2.7).

Рисунок 2.7 – Преобразователь ток/напряжение

Преобразование входного тока в напряжение осуществляется на резисторе R₁, падение напряжения на котором усиливается на операционном усилителе, включенном по схеме неинвертирующего усилителя. Коэффициент усиления определяется соотношением резисторов R₃+R₄ и R₂. Резистор R₄ использован для коррекции значения коэффициента усиления.

В случаях, если необходимо ограничить диапазон изменения сигнала, например, напряжения, то можно воспользоваться амплитудными ограничителями (рис.2.8), представляющими собой инвертирующий усилитель, в цепь обратной связи которого включен стабилитрон.

Напряжение стабилизации и прямое напряжение стабилитрона определяют границы исходного напряжения. Исходное напряжение может быть инвертировано путем изменения полярности включения стабилитрона.

Рисунок 2.8 – Амплитудный ограничитель

Для согласования датчиков с частотным выходом используют преобразователи частота-напряжение. В качестве такого преобразователя можно использовать микросхему К1108ПП1. Схема включения микросхемы в режиме преобразователя частота-напряжение приведена на рис 2.9.

Рисунок 2.9 – Преобразователь частота – напряжение

Для такого типа преобразователя можно записать

, (2.36)

где R- нагрузка усилителя и С₂ – входная ёмкость.

В дальнейшем аналоговые сигналы по параллельным каналам поступают на аналоговые коммутаторы (мультиплексоры). Для построения мультиплексоров рационально использовать многовыходные интегральные коммутаторы, например, серии 590. Условное графическое изображение мультиплексора на 8 входов приведено на рис. 2.10.

Рисунок 2.10 – Мультиплексор 8 х 1

Данный мультиплексор имеет возможность коммутации сигналов, уровень которых достигает , в соответствии с табл. 2.2.

Таблица 2.2 – Коммутация сигналов мультиплексора

При необходимости построения мультиплексоров с большим числом каналов используют разные многоступенчатые конфигурации аналоговых коммутаторов (рис. 2.11).

Рисунок 2.11 – Мультиплексор 32 х 1

Применение мультиплексоров для переключения режимов работы и изменения параметров аналоговых корректирующих устройств позволяет получить простые и надежные схемы. Рассмотрим корректирующую схему пропорционально-интегрального регулятора (рис.2.12).

Эта схема реализует передаточную функцию

,

где - оператор Лапласа;

- коэффициент передачи пропорционального элемента (DA1);

- коэффициент передачи i-го потенциометра пропорционального элемента ( для R₁, для R₂);

- коэффициент передачи интегрального элемента (DA2);

- коэффициент передачи i-го потенциометра интегрирующего элемента ( для R₃, для R₄).

Рисунок 2.12 – Корректирующая схема ПИ-регулятора

Приведенная схема позволяет управлять параметрами пропорционального и интегрирующего элементов. При сигнале «0» на входе DА2 схема работает в режиме формирования управляющего воздействия.

При сигнале «0» на входе DА1 параметры корректирующей схемы задаются потенциометрами R₁ и R₃, при сигнале «1» - R₂ и R₄. Необходимость изменения параметров корректирующей схемы возникает при управлении объектами или в случае, когда необходимо изменять параметры процесса управления.

Схема разрешает устанавливать нулевое значение исходного сигнала . Отключение исходного сигнала происходит при значениях, равных «0» и «1» на входах DА1 и DА2 соответственно. Для интегрирующего элемента в тот же момент устанавливается начальный нулевой заряд конденсатора С₁. Если на входах DА1 и DА2 формируется сигнал «1», то на выходе интегрирующего элемента устанавливается начальное значение напряжения, которое задается потенциометром R₅.

Для практической реализации схемы целесообразно выбирать параметры элементов равными соотношениям:

R₁₀/R₉=K_П; R₆=R₈; R₆C₁=1/K_j; R₇=R₁₂;
R₁₁С₁= ; R₁₂C₂= ; R₁₃=R₁₄=R₁₅,

где - постоянная времени разряда конденсатора С₁ при задании нулевого значения исходного сигнала ;

- постоянная времени перезаряда конденсатора С₁ при задании начального значения исходного сигнала .

Мультиплексоры также могут использоваться для моделирования дискретных элементов при переключениях, которые фиксируют значения непрерывных сигналов. В частности, можно реализовать модель квантователя непрерывного сигнала (рис.2.13а). Управляющие импульсы с частотой квантования поступают на вход счетного триггера DD1. На выходе триггера формируются импульсы с продолжительностью и периодом повторения (рис.2.13б).

Импульсы вызывают переключение мультиплексора DA1 таким образом, что на протяжении одного периода входной сигнал поступает через резистор R₁ на конденсатор С₁, а вход операционного усилителя DA2 подключается к конденсатору С₂. На протяжении второго полупериода через резистор R₁ заряжается конденсатор С₂, а на вход операционного усилителя подается сигнал, зафиксированный на конденсаторе С₁. Таким образом, при работе схемы на вход операционного усилителя подается кусочно-постоянный сигнал, значение которого равняется значению входного сигнала в момент переключения триггера DD1. Операционный усилитель необходимый для уменьшения тока разряда конденсаторов С₁ и С₂ через сопротивление нагрузки. При R₂=R₃ модель квантователя имеет единичный коэффициент передачи. Емкости конденсаторов С₁ и С₂ одинаковые, их выбирают таким образом, чтобы разряд через входные звенья операционного усилителя на протяжении одного периода не превышал заданной погрешности фиксирования сигнала при выполнении условия

,

где r_m - внутреннее проходное сопротивление открытого электронного ключа мультиплексора.

Если постоянная времени заряда конденсатора намного меньше , то к моменту окончания каждого периода квантования он оказывается заряженным до напряжения входного сигнала .

Рис 2.14 Схема модели квантователя непрерывного сигнала (а) и эпюры напряжения

Рисунок 2.13 – Схема модели квантователя непрерывного сигнала (а) и эпюры напряжений (б)

Для запоминания переменных аналоговых сигналов на время преобразования, коммутации и других операций в системах используют схемы выборки-хранения (рис. 2.14).

Рисунок 2.14– Схема выборки-хранения

Элементом памяти схемы выборки-хранения является конденсатор С, который подключается на время выборки к источнику сигнала. Время выборки сигнала определяется из соотношения

, (2.37)

где - сопротивление открытого ключа (для К590КН5 ); - сопротивление источника сигнала; С - емкость конденсатора.

В практических схемах широко используется микросхема К1100СК2, предназначенная для выборки и хранения аналогового сигнала, который запоминается по команде, поступающей на логический вход С₁, входной сигнал подаётся на , а постоянное значение сигнала поддерживается на выходе . Схема включения К1102СК2 приведена на рис.2.15.

Рисунок 2.15 – Схема выборки/хранения

Входной сигнал равен = 5В. Режиму выборки соответствует «1» на входе управления C_1, а режиму хранения - «0» при C_зб = 1000пФ и .

После необходимых преобразований сигналов, которые поступают от датчиков, нужно перейти к процедуре преобразования аналоговых сигналов в цифровой код и дальнейшей их обработки.

Дата добавления: 2015-07-08