Входные характеристики интерфейсных схем

СХЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ С ДАТЧИКОВ

Входные характеристики интерфейсных схем

Если датчик не оснащен встроенной электронной схемой, формирующей выходной сигнал в определенном формате, его практически никогда не удается напрямую под­ключить к процессору, монитору или другой регистрирующей аппаратуре. Обычно сигнал на выходе датчика бывает либо слишком зашумленным, либо очень слабым, либо содержит нежелательные составляющие. В дополнение к этому его формат мо­жет не соответствовать формату системы приема данных. Для подключения датчика к процессорному устройству, как правило, требуется промежуточное согласующее устройство. Схема согласования сигналов часто называется интер­фейсам между датчиком и последующими устройствами. Ее основная цель — преоб­разование сигнала датчика в формат, совместимый с нагрузкой. На рис. 2.1 показан внешний сигнал, действующий на датчик, подключенный к нагрузке через интер­фейсную схему. Его входные характеристики должны быть совместимы с выходными параметрами датчика, а выходные - с входным фор­матом нагрузки.

Рис. 2.1. Интерфейсная схема согласует форматы сигналов датчика и нагрузоч­ного устройства.

Входная часть интерфейсной схемы характеризуется несколькими стандарт­ными параметрами, показывающими насколько точно схема может преобразо­вать сигнал датчика и какой вклад она внесет в общую погрешность.

Входной импеданс показывает насколько сильно интерфейс нагружает датчик. Он может быть выражен в комплексном виде:

, (2.1)

где Z и I – комплексные числа, соответствующие напряжению и току через вход­ной импеданс. Например, если входную часть интерфейсной схемы представить в виде параллельного соединения входного сопротивления R и входной емкости С (рис. 2.2.А), входной импеданс в комплексном виде можно записать как:

(2 .2)

где w - круговая частота, a - мнимая единица. На очень низких частотах схема обладает относительно небольшой входной емкостью, и ее входной импе­данс определяется сопротивлением R, поэтому можно считать, что в этом случае Z≈R. Следовательно, реактивная часть уравнения (2.2) становится очень малень­кой, т.е. выполняется следующее соотношение:

(2.3)

При рассмотрении входного импеданса интерфейсной схемы всегда необходимо учитывать выходной импеданс датчика. Например, если датчик имеет емкостную природу, для определения частотных характеристик входной части интерфейса емкость датчика должна быть подсоединена параллельно его входной емкости. В формуле (2.2) предполагается, что входной импеданс является функцией частоты внешнего сигнала. С увеличением скорости изменения сигнала входной импе­данс уменьшается.

Рис. 2.2. А — комплексный входной импеданс интерфейсной схемы, Б -эквивалентная схема датчика с выходным сигналом в виде напряжения

Эквивалентная схема датчика с выходным сигналом в виде напряжения. В состав схемы входят два импеданса: выходной импеданс датчика Z_оut и входной импеданс интерфейса Z_in. Выходной сигнал датчика представлен в виде ис­точника напряжения Е, соединенного последовательно с выходным импедансом. Для некоторых типов датчиков выходной сигнал удобнее представлять в виде ис­точника тока, включенного параллельно с выходным импедансом датчика. Оба эти варианта идентичны. С учетом двух импедансов входное напря­жение интерфейсной схемы можно записать в виде:

(2.4)

Усилители

Большинство пассивных датчиков обладают очень слабыми выходными сигналами. Их величина часто не превышает нескольких микровольт или пикоампер. С другой стороны входные сигналы стандартных электронных устройств обработки данных, таких как АЦП, частотные модуляторы, различные регистраторы и т.д. должны быть гораздо выше: порядка вольт или миллиампер. Поэтому для подключения датчиков к таким устройствам требуются промежуточные усилители с коэффициентами уси­ления по напряжению до 10 000, а по току до 1 000 000. Усилители, как правило, являются одной из составных частей интерфейсных схем. Существует несколько стан­дартных схем усилителей для подключения различных типов датчиков, реализован­ных на дискретных компонентах: транзисторах, резисторах, конденсаторах и катуш­ках индуктивности. Но в настоящее время чаще всего используются усилители, по­строенные на основе ОУ и пассивных дискретных компонентах.

Следует понимать, что назначение усилителей не ограничивается только фун­кцией увеличения амплитуды сигнала. Они могут также использоваться для со­гласования устройств по импедансу, для улучшения соотношения сигнал/шум, в качестве фильтров и изоляторов между входами и выходами.

Операционные усилители

Составной частью практически всех современных усилительных схем являются операционные усилители (ОУ), которые могут быть интегрированными (монолит­ными) или гибридными (состоящими из монолитных и дискретных частей). В состав интегрированного ОУ входят сотни транзисторов, резисторов и конденса­торов. Разработчики аналоговых устройств, меняя подключение дискретных ком­понентов к выводам ОУ, реализовали большое количество полезных схем (не толь­ко усилительных). На основе ОУ строятся специализированные ИС, часто назы­ваемые интегральными схемами прикладной ориентации (ASIC). В последующих разделах будут приведены типовые схемы интерфейсных устройств, реализован­ные на ОУ, часто применяемые для подключения различных датчиков.

На рис. 2.3 показано схематичное представление ОУ. Типовой ОУ, как прави­ло, обладает следующими характеристиками:

ü Двумя входами: инвертирующим (-) и неинвертирующим (+)

ü Высоким входным сопротивлением (порядка сотен МОм и даже ГОм)

ü Низким выходным сопротивлением (доли Ома)

ü Способностью работать с емкостной нагрузкой

ü Низким входным напряжением смещения е₀ (несколько мВ и даже мкВ)

ü Низким входным током смещения /₀ (несколько пА и даже меньше)

ü Очень высоким коэффициентом усиления при разомкнутой цепи обратной свя­зи (ОС) A_0L (10⁴ ...10⁶ и даже выше). Этот коэффициент показывает во сколько раз ОУ увеличивает разность напряжений между двумя входами.

ü Высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС). КОСС показывает насколько эффективно ОУ подавляет синфазные сигналы оди­наковой амплитуды V_CM, одновременно поданные на оба входа

ü Низким коэффициентом собственного шума

ü Широким рабочим частотным диапазоном

ü Низкой чувствительностью к помехам по шине питания

ü Высокой стабильностью характеристик при изменении параметров окружа­ющей среды.

Рис. 2.3. А — основное символьное обозначение ОУ, Б — зависимость коэффи­циента усиления ОУ от частоты

Для получения более подробной информации и рекомендаций по примене­нию ОУ следует обращаться к специализированным справочникам, в которых даны подробные описания характеристик каждого типа выпускаемых ОУ. Часто в та­кой литературе ОУ сгруппированы по следующим критериям: ОУ с низким на­пряжением смещения, ОУ с низким током смещения, малошумящие ОУ и т.д.

Произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания характеризует способность ОУ усиливать высокочастотные сигналы малой амплитуды. Это произве­дение равно частоте f₁ при которой коэффициент усиления ОУ становится равным 1, т.е. ОУ перестает усиливать сигнал.

Повторители напряжения

Назначение повторителя напряжений (рис. 2.4) — преобразование импеданса от высокого уровня к низкому. Повторитель, как правило, обладает высоким входным импедансом (высоким вход­ным сопротивлением и низкой входной емкостью) и низким выходным сопротивлением (выходная емкость не имеет никакого значения). Хороший повторитель имеет близкий к единице коэффициент усиления по напряжению (обычно 0.999 на низких частотах) и вы­сокий коэффициент усиления по току. По существу, по­вторитель напряжения является усилителем тока и преобразователем импеданса. Высокий входной и низкий выходной импеданс повторителей напряжений, делает их незаменимыми элементами при согласовании датчиков с устрой­ствами обработки сигналов.

Повторитель, подключенный к выходу датчика, не оказывает практически никакого влияния на работу последующих цепей, поэтому его часто называют бу­ферным устройством между сенсором и нагрузкой. При разработке повторителей следует придерживаться следующих рекомендаций:

• При подключении к датчикам с токовым выходом входной ток смещения по­вторителя должен быть, по крайней мере, в 100 раз меньше тока датчика

• Если невозможно полностью компенсировать входное напряжение смеще­ния, оно не должно превышать величину младшего значащего разряда (МЗР)

• Температурный коэффициент тока и напряжения смещения не должен приводить к появлению погрешности, превышающей 1 МЗР во всем температурном диапазоне.

Измерительный усилитель

Измерительный усилитель (ИУ) имеет два входа и один выход. В отличие от ОУ он обладает конечным коэффициентом усиления (его величина обычно не более 100) и возможностью подключения источников сигнала одновременно на два вхо­да. Это означает, что все компоненты цепи ОС подключаются не к инвертирую­щему и неинвертирующему входам, а к другим выводам ИУ. Основная функция ИУ - формирование выходного сигнала, пропорционального разности напряже­ний на его входах:

V_out = A(V₊ - V_-) = ADV, (2.5)

где V₊ и V_- — напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах, а А — коэффициент усиления.

Измерительные усилители могут быть реализованы на основе ОУ по интегральной или гибридной технологиям. Важным свойством ИУ является высокое сопротивление по обоим входам, что позволяет ему выступать в роли дифференциального усилителя и эффективно подавлять синфазные адди­тивные помехи.

Хотя в настоящее время можно приобрести промышленно выпускаемые ИУ в интегральном исполнении, на практике многие применяют ИУ, реализованные из дискретных компонентов. На рис. 2.5 показана наиболее часто используемая схема ИУ. Падение напряжения на резисторе R_a настраивается равным входной разности DV, тогда ток, протекающий через него, будет равен: I= DV/R_a. Выход­ные напряжения ОУ: U₁ и U₂ равны друг другу по амплитуде, но имеют разную полярность. Первая стадия усиления входной разности напряжений проходит на ОУ: U₁ и U₂, которые можно представить в виде одного усилителя, имеющего дифференциальные входы и дифференциальные выходы. Вторая стадия усиле­ния осуществляется на ОУ U₃, преобразующем дифференциальный входной сиг­нал в униполярный выходной. Полный коэффициент усиления ИУ можно найти из выражения:

(2.9)

Величина коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС) зависит от того, насколько точно в этой схеме подобраны резисторы. Как правило, при использова­нии резисторов 1% точности КОСС не превышает значения 100, тогда как для рези­сторов 0.1% точности КОСС имеет на порядок более высокие значения.

Рис. 2.5. Измерительный усилитель на трех ОУ с точно подобранными резис­торами.

Усилители заряда

Характерной чертой усилителей заряда (УЗ) является очень низкий ток смеще­ния. Такие усилители используются для преобразования в напряжение сигналов от емкостных датчиков, квантовых детекторов, пироэлектрических чувствитель­ных элементов и других устройств, имеющих на выходе либо очень маленькие заряды (порядка пикокулон, пКл), либо очень маленькие токи (порядка пикоампер, пА). Поэтому УЗ по своей сути является преобразователем заряда в напряже­ние. На рис. 2.6.А показана принципиальная схема УЗ. В цепи ОС ОУ стоит кон­денсатор С, сопротивление утечки которого r-должно быть значительно большим его импеданса на самой низкой рабочей частоте. В УЗ можно использовать толь­ко хорошие пленочные конденсаторы. Также необходимо уделять большое вни­мание качеству печатных плат и равномерному покрытию всех их компонентов.

Рис. 2.6. А — преобразователь заряда в напряжение, Б — преобразователь тока в напряжение

Передаточную функцию УЗ можно представить в виде:

(2.10)

ЛИТЕРАТУРА

Основная литература

1. Аш.Ж. и др. Датчики измерительных систем: в 2-х книгах.

Кн.1. Пер. с франц. – М.: Мир, 1992. – 480 с.

Кн.2. Пер. с франц. – М.: Мир, 1992. – 424 с.

2. Левшина Е.С., Новицкий Л.В. Электрические измерения физических величин – М: Машиностроение, 1983.

3. Виноградов Ю.Д. и др. Электронные измерительные системы для контроля мелких перемещений. – М.: Машиностроение, 1967.

4. Измерение электрических, и неэлектрических величин:Учебное пособие для вузов. Под общ. Ред. Н.Н. Евтихиева. -М:Энер гоатомиздат, 1990.

Дополнительная литература

1. Измерения в промышленности. Справочник / Под ред. П.Профоса. Пер. с нем. – М.: Металлургия, 1980.

2. Логинов В.Н. Электрические измерения механических величин. – М.: Энергия, 1976.

3. Тартаковский Д.Ф., Ястребов А.С., Метрология, стандартизация и технические средства измерений: Учебное пособие для вузов. М.Высшая школа 2001.