Общие сведения о согласовании сигналов
Типовая система измерения некоторой физической величины состоит из датчиков, устройства согласования сигналов, измерительной аппаратуры и программного обеспечения (ПО), предназначенного для решения измерительных задач, установленного на компьютере.
Как правило, источником сигнала является датчик, с помощью которого воспринимается физическая величина. Для измерения сигналов различных уровней используются датчики различных типов и разных производителей. Обычно сигнал проходит по двум и более проводам длиной от нескольких дюймов до нескольких миль и, возможно, подвергается воздействию помех от высоковольтных линий и других электромагнитных помех. Многие проблемы, связанные с качеством сигнала, могут возникнуть до того, как он поступил на вход аппаратуры сбора данных, поэтому, измерительных системах чаще всего требуется согласование сигналов. Согласование сигналов может осуществляться в самом датчике, в тракте между датчиком и аппаратурой сбора данных, а также в аппаратуре сбора данных.
Большинство выпускаемых датчиков и измерительных преобразователей формируют сигнал, который вам необходимо согласовать, прежде, чем DAQ-устройство сможет достоверно и точно его измерить. В процессе согласования сигнал очищается от помех путем усиления, ослабления, фильтрации и гальванической развязки. Системы согласования бывают встроенными в DAQ-устройства, например, CompactDAQ и PXI SC DAQ. Также их выполняют в виде отдельных внешних устройств, например, SCXI (Signal Conditioning eXtensions for Instrumentation) или SCC (Signal Conditioning Components). Кроме того, они могут быть интегрированными в датчики (например, в IEPE акселерометры). Основное назначение систем согласования – предварительная обработка измеряемого сигнала, перед тем, как его подать на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) DAQ-устройства.
Устройство сбора данных дает возможность оцифровывать согласованный аналоговый сигнал. Затем компьютер может обработать этот сигнал и вывести его на экран.
B. Системы согласования сигналов
Компания National Instruments предлагает разнообразные устройства для согласования сигналов, которые позволяют повысить точность и производительность измерительной системы. За более подробной информацией об устройствах согласования производства NI обратитесь по ссылке в Интернете ni.com/signalconditioning.
CompactDAQ
Оборудование CompactDAQ производства NI обеспечивает простое «plug-and-play» подключение через порт USB для измерений электрических и неэлектрических величин в лабораторных, полевых и производственных условиях. Эта платформа предоставляет возможность быстрых и точных измерений с помощью малых по размеру, простых и доступных по цене систем, сочетание легкости использования и низкой стоимости регистрации данных с производительностью и гибкостью модульных измерительных платформ.
PXI Express
Модули согласования PXI Express Signal Conditioning можно применять при высокоскоростных измерениях. Поскольку у них есть встроенные средства согласования сигналов, с их помощью можно напрямую измерять сигналы с датчиков, а также сигналы с большим уровнем напряжения. Маленькая погрешность измерений обеспечивается за счет программируемого коэффициента усиления и настроек фильтра. В этих модулях может также использоваться шина запуска PXI trigger для межмодульной синхронизации в приложениях на платформе PXI с большим количеством каналов.
SCXI
NI SCXI – это платформа внешних устройств согласования и коммутации сигналов для применения совместно с многофункциональными DAQ устройствами. Система SCXI состоит из многоканальных модулей согласования сигналов, установленных в одно или несколько прочных шасси, которые подключаются к многофункциональному DAQ устройству. У вас есть большой выбор модулей аналогового ввода, аналогового вывода, цифрового ввода-вывода и коммутаторов, соответствующих требованиям создаваемых приложений.
C. Согласование сигналов при измерении напряжения
Кроме работы с отдельными датчиками, устройства согласования сигналов выполняют ряд функций общего назначения, за счет которых повышается качество, гибкость и надежность измерительной системы.
Усиление
Поскольку зачастую реальные сигналы имеют очень маленький уровень, согласование сигналов может уменьшить погрешность измерений. Усилители (Amplifier) повышают уровень входного сигнала, чтобы он был лучше согласован с диапазоном входных напряжений на входе АЦП. За счет этого улучшается разрешение и чувствительность измерений. Несмотря на то, что в составе многих DAQ-устройств есть встроенные усилители, напряжение с выхода многих датчиков, таких, как термопары, необходимо дополнительно усиливать.
Многие датчики выдают напряжение порядка нескольких милливольт или даже микровольт. При усилении таких слабых сигналов непосредственно в DAQ-устройстве усиливаются также и любые помехи (Noise), наведенные от места подключения сигналов. Если измеряемый сигнал имеет малый уровень, даже небольшая помеха может подавить полезный сигнал, что приводит к появлению некорректных данных. Простой метод повышения отношения сигнал/помеха – усиление сигнала как можно ближе к источнику. В этом случае полезный сигнал значительно превысит помеху до того, как помеха, наведенная на соединительные проводники, его исказит, и таким образом при измерениях улучшается отношение сигнал/помеха. Например, на рис. 7-1 показана термопара типа J, которая выдает низкоуровневый сигнал напряжения, изменения которого составляют около 50 мкВ/С.
Рисунок 7-1. Термопара типа J выдает сигнал низкого уровня
Предположим, что от термопары к измерительной системе идут линии длиной 10 м через среду, в которой действуют помехи. Если от источников помех на выводы термопары наводится помеха 200 мкВ, то вызванная ей погрешность измерения температуры будет около 4 С. Следовательно, сигнал необходимо усиливать около термопары до того, как помеха исказит сигнал, чтобы уменьшить итоговую погрешность измерений. Усиление сигнала с коэффициентом усиления 500 вблизи самой термопары формирует сигнал, изменения которого составляют около 25 мВ/С. Поскольку усиленный сигнал проходит те же упомянутые 10 м, помеха 200 мкВ, которая на него накладывается после усиления, оказывает меньшее влияние на окончательный результат измерения, создавая дополнительную погрешность только 0.03 С.
|
Подсказка: Есть несколько способов уменьшения уровня помехи:
|
