2.3. Перетворення вихідних сигналів датчиків

Процес перетворення аналогових сигналів в цифрові, крім процедури перетворення, містить в собі операції обробки аналогових сигналів, визначених умовами надання заданої якості сигналу та в окремих випадках необхідністю проведення функціональних перетворень.

Більшість датчиків мають великий вихідний опір та малий динамічний діапазон, тому необхідно узгодження параметрів виходу датчиків з параметрами вхідних ланцюгів системи обробки даних. В якості пристроїв узгодження найчастіше застосовуються операційні підсилювачі, які являють собою підсилювачі постійного струму з великим коефіцієнтом підсилення (наприклад ).

Розглянемо основні схеми ввімкнення операційних підсилювачів: Інвертуючий підсилювач, схема якого наведена на рис. 2.3.

38

Перед аналізом схеми згадаємо основні правила:

1. Вихід операційного підсилювача прагне досягнути, щоб різниця напруг між його входами була рівна 0.

2. Входи операційного підсилювача струму не споживають.

Згідно з 1 законом Кірхгофа сума струмів, що входять в вузол дорівнює 0 та в силу правила 2 вхідний струм дорівнює 0.

Звідки :

(2.30)

або коефіцієнт підсилення по напрузі:

(2.31)

Недоліком схеми є те, що вона має малий вхідний імпеданс. Цей недолік усуває схема неінвертуючого підсилювача (рис.2.4.)

39

Для якого:

(2.32)

Або коефіцієнт підсилення по напрузі:

(2.33)

4 0

Схема підсилювача з одиничним коефіцієнтом підсилення (повторювача напруги) наведена на рис.2.5.

Такий підсилювач також називають буфером, тому що він має ізолюючі властивості (великий вхідний імпеданс та малий вихідний).

Схема диференційного підсилювача наведена на рис.2.6. і являє собою комбінацію інвертуючого та неінвертуючого підсилювачів.

Для якого:

(2.34)

На практиці часто необхідно ввести в вихідний сигнал диференційного підсилювача постійну складову. Це можна реалізувати шляхом підключення джерела зміщення до інвертуючого входу операційного підсилювача (рис.2.7).

41

Для якого:

(2.35)

тобто, якщо вхідний сигнал змінюється в межах до та , то вихідний сигнал буде змінюватись від 0 до . Коефіцієнт підсилення k визначається відношенням резисторів та .

Якщо вихідний сигнал датчика - струмовий, а для подальшої обробки сигналу необхідний рівень напруги, то його необхідно перетворити в напругу та підсилити до необхідного значення. Реалізуємо схему на базі операційного підсилювача (рис.2.8).

42

Перетворення вхідного струму в напругу здійснюється на резисторі R₁, падіння напруги на якому підсилюється на операційному підсилювачі, який ввімкнено за схемою неінвертуючого підсилювача. Коефіцієнт підсилення визначається відношенням резисторів R₃+R₄ та R₂. Резистор R₄ використано для корекції значення коефіцієнту підсилення.

В таких випадках, якщо необхідно обмежити діапазон зміни сигналу, наприклад напруги, можна скористатись амплітудними обмежувачами (рис.2.9), які являють собою інвертуючий підсилювач, в ланцюг зворотнього зв'язку якого ввімкнено стабілітрон.

Напруга стабілізації та пряма напруга стабілітрона визначають

границі вихідної напруги. Вихідна напруга може бути інвертована шляхом зміни полярності ввімкнення стабілітрону.

43

Для узгодження датчиків з частотним виходом використовують перетворювачі частота-напруга. В якості такого перетворювача можна використати мікросхему К1108ПП1. Схема ввімкнення мікросхеми в режимі перетворювача частота-напруга наведена на рис 2.10.

Для якої:

(2.36)

де параметри R та С₂ вибираються з табл.2.3, k = 7-8 В.

45

46

Подалі аналогові сигнали по паралельним каналам надходять на аналогові комутатори (мультиплексори). Для побудови мультиплексо­рів раціонально використовувати багатовхідні інтегральні комутатори, наприклад серії 590. Умовне графічне зображення мульплексора на 8 входів наведено на рис.2.11.

Даний мультиплексор має можливість комутації сигналів, рівень яких досягає ,у відповідності з табл.2.4.

47

При необхідності побудови мультиплексорів з великим числом каналів використовують різні багатоступеневі конфігурації аналогових комутаторів (рис.2.12).

Застосування мульплексорів для переключення режимів роботи та зміни параметрів аналогових корегуючих пристроїв дозволяє отримати прості та надійні схеми. Розглянемо корегуючу схему пропорційно-інтегрального регулятора (рис.2.13).

48

Ця схема реалізує передаточну функцію

де - оператор Лапласа;

- коефіцієнт передачі пропорційного елементу (DA1);

- коефіцієнт передачі i-го потенціометра пропорційного елементу ( для R₁, для R₂);

- коефіцієнт передачі інтегрального елементу (DA2);

- коефіцієнт передачі у-го потенціометра інтегруючого елементу ( для R₃, для R₄).

Наведена схема дозволяє управляти параметрами пропорційного та інтегруючого елементів. При сигналі «0 на вході А2 схема працює в режимі формування управляючого впливу.

При сигналі «0» на вході А1 параметри корегуючої схеми задаються потенціометрами R₁ і R₃, при сигналі «0» - R₂ і R₄. Необхідність зміни параметрів корегуючої схеми виникає при управлінні об'єктами, або в випадку, коли необхідно змінити параметри процесу управління.

Схема дозволяє встановлювати нульове значення вихідного сигналу . Відключення вихідного сигналу відбувається при рівні «0» на вході А1 і «1» на вході А2. Для інтегруючого елементу в той же момент встановлюється початковий нульовий заряд конденсатору С₁. При сигналах «1» на входах А1 і А2 на виході інтегруючого елементу встановлюється початкове значення напруги, яка задається потенціометром R₅.

Для практичної реалізації схеми доцільно вибирати параметри елементів відповідно співвідношенням:

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

49

де - постійна часу кола розряду конденсатора С₁ при заданні нульового значення вихідного сигналу ;

- постійна часу перезаряду конденсатора С₁ при заданні початкового значення вихідного сигналу .

Мультиплексори також можуть використовуватись при моделюванні дії дискретних елементів для переключення елементів, які фіксують значення неперервних сигналів. Зокрема, можна реалізувати модель квантувателя неперервного сигналу (рис.2.14.а). Управляючі імпульси з частотою квантування поступають на вхід лічильного тригера DD1. На виході тригера формуються імпульси з тривалістю і періодом повторення (рис.2.14.б).

Імпульси визивають переключення мультиплексора DA1 таким чином, що на протязі одного періоду вхідний сигнал надходить через резистор R₁ на конденсатор С₁, а вхід операційного підсилювача DA2 підключається до конденсатору С₂. На протязі другого полуперіоду через резистор R₁ заряджається конденсатор С₂, а на вхід операційного підсилювача подається сигнал, зафіксований на конденсаторі С₁. Таким чином, при роботі схеми на вході операційного підсилювача подається кусочно-постійний сигнал, значення якого дорівнює значенню вхідного сигналу в момент переключення тригера DD1. Операційний підсилювач, необхідний для зменшення струму розряду конденсаторів С₁ і С₂ через опір навантаження. При R₂=R₃ модель квантувателя має одиничний коефіцієнт передачі. Ємності конденсаторів С₁ і С₂ однакові, їх вибирають таким чином, щоб розряд через вхідні ланки операційного підсилювача на протязі одного періоду не перевищував заданої похибки фіксування сигналу при виконанні умови:

де - внутрішній прохідний опір відкритого ключа мультиплексора.

Якщо постійна часу заряду конденсатора набагато менше то до моменту закінчення кожного періоду квантування він виявляється зарядженим до напруги вхідного сигналу .

50

51

Для запам'ятовування зміних аналогових сигналів на час перетворення, комутації та інших операцій в системах використовують схеми виборки-зберігання (рис.2.15).

Елементом пам'яті схеми виборки-зберігання є конденсатор с, який підключається на час виборки до джерела сигналу. Час виборки сигналу визначається з співвідношення:

, (2.37)

де - опір відкритого ключа (для К590КН5 ); - опір джерела сигналу; С - ємність конденсатору.

Також в якості схеми виборки-зберігання можна використати мікросхему К1100СК2 - пристрій виборки та зберігання аналового сигналу, який запам'ятовує по команді, що надходить на логічний вхід С₁, миттєве значення та підтримуює постійне значення на виході . Схема ввімкнення К1102СК2 наведена на рис.2.16.

52

Вхідний сигнал = 5В. Режим виборки відповідає «1» ТТЛ рівня на вході управління C₁: «0» - режиму зберігання, C_зб = 1000пФ при .

Після необхідних перетворень сигналів, що поступають з датчиків, потрібно перейти до процедури перетворення аналогових сигналів в цифровий код та подальшої їх обробки.