2.3. 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

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

Рисунок 2.3. Неинвертирующий усилитель

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

Рисунок 2.4. Повторитель напряжения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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=KП;    R6=R8;        R6C1=1/Kj; 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  rm - 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

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 

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

Рисунок 2.15. Схема выборки/хранения

Входной сигнал равен  = 5В. Режиму выборки соответствует «1» на входе управления C1,  а режиму хранения- «0» при  Cзб = 1000пФ и .

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

Локальные системы автоматики


*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.