4 Курс / ЭФУСА / ЭФУСА. Авдеев

РАЗДЕЛ 5. СОГЛАСОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

5.1 Общие положения

Согласование элементов системы является необходимым условием ее работы. Согласуются физические параметры сигналов (форма сигнала, уровни напряжения и тока) и протокол взаимодействия элементов (состав и порядок обмена сигналами). Согласование необходимо на всех уровнях: при соединении элементов внутри блоков, при межблочных соединениях, при подключении внешних устройств. Особенно важно согласование «слаботочной» системы управления с объектом, который является источником достаточно мощных и опасных воздействий, вызванных авариями, короткими замыканиями, пусковыми токами и т. д. В современных системах это согласование управляющего компьютера с датчиками состояния объекта, исполнительными элементами и органами управления и отображения информации.

Датчики, установленные на объекте, обычно выдают стандартизованные сигналы, аналоговые или дискретные. Последние передают логическую информацию о состоянии объекта (типа включен – выключен) или численные значения величин, передаваемые по параллельному или последовательному интерфейсу. Логические сигналы поступают с пороговых датчиков, кнопок управления, конечных выключателей и других источников в виде напряжений стандартных уровней или «сухих» контактов. В цепях передачи контактных сигналов применяются аппаратные или программные методы исключения влияния дребезга контактов при переключении. В цепях передачи сигналов с пороговых датчиков устанавливаются триггеры Шмидта с гистерезисной характеристикой, исключающей случайные переключения логического сигнала вблизи порогового значения контролируемой величины.

Источники дискретных сигналов подключают к портам ввода – вывода компьютера, как правило, через встроенные или выполненные в виде отдельных модулей изолирующие усилители. Они содержат элементы гальванической развязки, элементы защиты от перенапряжения (подключенные параллельно диоды или стабилитроны), фильтры, в некоторых случаях – резисторы для ограничения тока.

Аналоговые сигналы с датчиков преобразуются в цифровые коды многоканальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Номер канала задается компьютером. Диапазон входного сигнала и способ его подключения (двухпроводный или однопроводный) обычно программируются. В некоторые АЦП встраиваются элементы гальванической развязки. Для аналоговых сигналов эти элементы сложнее, чем для дискретных. Датчики с импульсным или частотным выходом подключаются к компьютеру через специальные модули согласования.

Управление исполнительными элементами, принимающими дискретные сигналы, осуществляется компьютером через изолирующие усилители или блоки реле с сухими контактами, пропорциональное управление – через модули

231

цифроаналоговых преобразователей (ЦАП). Для управления серводвигателями методом широтно-импульсной модуляции и управления шаговыми двигателями применяются специальные модули.

5.2 Метод уравновешивающего заряда

Метод уравновешивающего заряда применяется при согласовании вторичного преобразователя с чувствительным элементом, являющимся очень высокоомным источником напряжения. Для него подключение нагрузки в несколько МОм может восприниматься как короткое замыкание.

Идею метода поясняет рисунок 5.1 на примере измерения рН–показателя (уровня кислотности). Источник сигнала – электрод, собирающий ионы определенной полярности из раствора, заряжает конденсатор С через резистор с очень большим сопротивлением (10 ГОм). Конденсатор – специального типа, при монтаже RC – цепочки применяются все возможные меры для исключения утечки. Ключи К1, К2 периодически устанавливаются на короткое время в положение 2, при этом конденсатор С разряжается, создавая импульсы тока. Они заряжают интегрирующий конденсатор С3 небольшими порциями. В результате заряда конденсатора С3 выходное напряжение U2 становится равным измеряемому напряжению U1 на конденсаторе С и перевод ключа К1 в положение 2 не приводит к изменению напряжения U1. Схема работает как следящая система. Конденсаторы С1, С2 играют роль разделительных.

5.3 Гальваническая развязка

Гальваническая развязка – передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта между ними. Гальванические развязки используются для передачи сигналов, для бесконтактного управления и для защиты оборудования и людей от поражения электрическим током.

Без использования развязки предельный ток, протекающий между цепями, ограничен только электрическими сопротивлениями, которые обычно относительно малы. В результате возможно протекание выравнивающих токов и других токов, способных повреждать компоненты цепи или поражать людей, прикасающихся к оборудованию, имеющему электрический контакт с цепью. С

232

помощью гальванической развязки осуществляется передача сигнала или энергии от одной электрической цепи к другой, без прямого контакта между цепями. Цепи оказываются электрически разделёнными, но между ними возможна передача энергии или сигналов.

Гальваническая развязка дает возможность обеспечения независимости цепи сигналов, так как образуется независимый токовый контур сигнальной цепи от других контуров, в цепях обратной связи и при измерениях. Для электромагнитной совместимости гальваническая развязка является оптимальным решением, так как увеличивается точность измерений, повышается защита от помех.

Также можно отметить, что оборудование может подвергаться скачкам напряжения, вызванным молнией, электростатическим разрядом, радиочастотными передачами, импульсами переключения и возмущениями в электропитании. Удаленные удары молнии могут вызывать скачки до 10 кВ, в тысячу раз превышающие пределы напряжения многих электронных компонентов.

Виды гальванических развязок:

–трансформаторная;

–оптическая: оптопара, оптоволокно;

–ёмкостный: через конденсатор любой ёмкости;

–эффект Холла;

–магнитосопротивления;

–радио: приемники, передатчики;

–звуковой: громкоговоритель, микрофон;

–электромеханический: двигатель-генератор, реле.

В настоящее время широкое распространение получили два варианта гальванической развязки в схемах: трансформаторная и оптическая.

5.3.1 Трансформатор

Трансформатор соединяет цепи с помощью магнитного потока (рисунок 5.2 а). Первичная и вторичная обмотки трансформатора не связаны друг с другом (автотрансформатор не обеспечивает гальваническую развязку из–за того, что его обмотки имеют электрическую связь между собой). Разность напряжений, которая может безопасно применяться между обмотками без риска пробоя (напряжение изоляции), указана в киловольтах по отраслевому стандарту. В то время как трансформаторы обычно используются для изменения напряжений, изолирующие трансформаторы с соотношением 1:1 используются в целях безопасности.

Если две электронные системы имеют общую точку, они не являются гальванически изолированными. По этой причине изолирующие трансформаторы не заземляются. Разделительные трансформаторы применяются там, где необходима гальваническая развязка первичной и вторичной (нагрузка) цепей, а также изоляция подключаемого оборудования от контура заземления. Электрооборудование рекомендуется подключать в сеть, для повышения электробезопасности, через разделительный трансформатор. Для

233

обеспечения электропитания в помещениях с требованием повышенной электробезопасности (помещения с повышенной влажностью или взрывоопасностью) используются разделительные трансформаторы с контролем изоляции и выносным постом дистанционного контроля.

Рисунок 5.2 – Гальваническая развязка:

а) трансформатор; б) диодная оптопара; в) транзисторная оптопара

Кроме того, малогабаритные (обычно высокочастотные) разделительные трансформаторы применяются во входных сигнальных цепях различных устройств и интерфейсов (например Ethernet).

5.3.2 Оптопара

Оптопара или оптрон – электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно – светодиод) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и, как правило, объединённых в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.

В отличие от трансформаторов, которые передают энергию в обоих направлениях с очень низкими потерями, оптопара однонаправлена, и она не может передавать мощность. Типичная оптопара может только регулировать поток энергии, уже присутствующий на выходе. В отличие от трансформаторов, оптоизопара может передавать сигналы постоянного или переменного тока и не требуют согласования импедансов между входными и выходными сторонами.

Диодная оптопара представлена на рисунке 5.2 б. В этой паре источником светового потока является светодиод. Такая пара может применяться вместо ключа и работать с сигналами частотой в несколько десятков МГц.

При необходимости передачи сигнала источник подает на светодиод питание, в результате чего излучается свет, попадающий на фотодиод. Под действием света фотодиод открывается и пропускает через себя ток. Приемник воспринимает появление тока как рабочий сигнал. Недостатком диодных оптопар является невозможность управления повышенными токами без вспомогательных элементов. Также к недостаткам можно отнести их малый КПД.

234

Транзисторная оптопара представлена на рисунке 5.2 в. Такие оптические пары имеют повышенную чувствительность, в отличие от диодных, а значит, являются более экономичными. Но их скорость реакции и наибольшая частота соединения оказывается меньше. Транзисторные оптические пары обладают незначительным сопротивлением в открытом виде, и большим в закрытом состоянии.

Управляющие токи для транзисторной пары выше выходного тока диодной пары. Транзисторные оптроны можно применять разными способами:

–без вывода базы;

–с выводом базы.

Без вывода базы коллекторный ток будет напрямую зависеть от тока светодиода, но транзистор будет иметь длительное время отклика, так как цепь базы всегда открыта. В случае с выводом базы есть возможность увеличить скорость реакции подключением вспомогательного сопротивления между эмиттером и базой транзистора. Тогда возникает эффект, при котором транзистор не переходит в состояние проводимости до тех пор, пока диодный ток не достигнет значения, необходимого для падения напряжения на резисторе.

5.3.3 Емкостная развязка

Конденсаторы позволяют переменному току течь, но препятствуют прохождению постоянного тока; они соединяют сигналы переменного тока между цепями при разных напряжениях.

5.3.4 Рязвязка, основанная на эффекте Холла

Датчики эффекта Холла позволяют индуктору передавать магнитную информацию через маленький зазор. В отличие от оптопары, они не содержат источник света с конечным сроком службы, и, в отличие от подхода на основе трансформатора, они не требуют балансировки постоянного тока.

5.3.5 Магнитосопротивления

Магнитопары используют гигантское магнитосопротивление для бесконтактной передачи сигнала между двумя гальванически изолированными частями электрических схем впервые были продемонстрированы в 1997 г. как альтернатива оптопарам благодаря лучшей интегрируемости. Мост Уитстона из четырёх одинаковых ГМС-устройств нечувствителен к однородному магнитному полю, реагируя лишь тогда, когда направления полей антипараллельны в соседних ножках моста. Обобщённая до четырёх независимых токов схема подобного моста может использоваться в качестве логического вентиля.

235

5.4Схемы формирования сигналов

5.4.1Схемы формирования электрических сигналов при наличии элементов–генераторов

Простейший случай включения элементов–генераторов (Е =var) показан на рисунок 5.3.

Рисунок 5.3 – Простейший случай включения элементов-генераторов

Величина тока в цепи нагрузки:

где R0 – внутреннее сопротивление элемента; r – суммарное сопротивление соединительных проводов; RН – сопротивление нагрузки (приемника);

R 0 R0 r .

Величина напряжения на нагрузке при этом будет равна:

а выходное напряжение элемента-генератора Ux=Ex – IR0 .

Зависимость Ux=f(Ex, I) – называется выходной (или нагрузочной

Наибольшее значение РН отвечает условию RН=R0∑ .

В компенсационной схеме (см. рисунок 5.4) значение тока в нагрузке (приемнике) равно:

где U0 – величина компенсационного напряжения; rab – сопротивление между точками а и b схемы.

236

b

Рисунок 5.4 – Компенсационная схема

Напряжение на нагрузке RН равно:

+

-

Рисунок 5.5 – Включение элемент-генератора в плечо мостовой схемы

При этом ток в диагонали равен:

5.4.2 Схемы формирования электрических сигналов при наличии элементов–модуляторов

В общем случае зависимость между током I и падением напряжения Ú на элементе–модуляторе:

Здесь Х – величина внешнего воздействия. Обычно можно считать, что

Zx Zx0 I 0U 0 , где Zx0 f X .

237

или при 0 0 0

Для построения схем формирования сигнала существенно знать, как будет изменяться напряжение и ток в цепи или угол сдвига фаз , если сопротивление

Rx (или индуктивность Lx , или емкость Cx ) изменяет свое значение в функции х. Имеем для тока в последовательной цепи, что:

5.5Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

5.5.1Назначение, основные свойства н классификация

В системах автоматики широко используется обработка информации, представленной в аналоговой и цифровой формах. Объясняется это тем, что первичная, исходная информации о различных физических величинах и процессах носит, как правило, аналоговый характер. Обработку же этой информации удобнее вести в цифровой форме. Использование полученных после цифровой обработки результатов также в большинстве случаев требует их аналогово представления. Следовательно, любая система, использующая цифровые методы обработки информации, должна содержать устройства взаимного преобразования аналоговых и цифровых сигналов. Роль таких устройств выполняют аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП).

Аналого-цифровой преобразователь – устройство, предназначенное для преобразования непрерывно изменяющейся во времени аналоговой физической величины в эквивалентные ей значения числовых кодов.

Цифро-аналоговый преобразователь – устройство, предназначенное для преобразования входной величины, представленной последовательностью

238

числовых кодов, в эквивалентные им значения заданной физической величины. В качестве аналоговой физической величины, оговоренной в данных определениях, в общем случае могут фигурировать различные параметры, например угол поворота, линейное перемещение, давление жидкости или газа и т. д. В дальнейшем под этой величиной будем понимать напряжение либо ток, которые, при необходимости, можно легко преобразовать в другие физические величины. Основным вопросом, с которым приходится сталкиваться при проектировании и использовании ЦАП и АЦП, является вопрос адекватности полученного в результате преобразованная сигнала исходному физическому

процессу, т. е. вопрос точности преобразования.

5.5.2 Процесс аналого-цифрового преобразования

При преобразовании напряжения в цифровой код используются три независимых операции: дискретизация, квантование и кодирование. Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывного сигнала представляет собой преобразование непрерывной функции напряжения u(t) в последовательность чисел u(tn), где n=0,1,2…, отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. При дискретизации непрерывная функция u(t) преобразуется в последовательность ее отсчетов u(tn), как показано на рисунке 5.6 а.

Рисунок 5.6 – Процесс дискретизации (а) и квантования (б) непрерывного сигнала

Вторая операция, называемая квантованием, состоит в том, что мгновенные значения функции u(t) ограничиваются только определенными уровнями, которые называются уровнями квантования. В результате квантования непрерывная функция u(t) принимает вид ступенчатой кривой uk(t) показанной на рисунке 5.7.

Третья операция, называемая кодированием, представляет дискретные квантованные величины в виде цифрового кода, т.е. последовательности цифр, подчиненных определенному закону. С помощью операции кодирования осуществляется условное представление численного значения величины.

239

Рисунок 5.7 – Характеристика идеального квантования (а)

играфик изменения погрешности квантования (б)

Воснове дискретизации сигналов лежит принципиальная возможность представления их в виде взвешенных сумм:

u(t) an fn (t) ,

n

где аn – некоторые коэффициенты или отсчеты, характеризующие исходный сигнал в дискретные моменты времени, fn(t)– набор элементарных функций, используемых при восстановлении сигнала по его отсчетам.

Дискретизация бывает равномерная и неравномерная. При равномерной дискретизации период отсчетов Т остается постоянным, а при неравномерной – период может изменяться. Неравномерная дискретизация чаще всего обусловлена скоростью изменения сигнала и поэтому называется адаптивной.

В отличии от дискретизации, которая теоретически является обратимой операцией, квантование представляет собой необратимое преобразование исходной последовательности и сопровождается появлением неизбежных погрешностей. Характеристика идеального квантователя приведена на рисунке 5.7 а. При равномерном квантовании расстояние между двумя соседними значениями делается постоянным, как показано на рисунке 5.6 б. Разность между двумя соседними значениями квантованной величины называется шагом квантования h.

По существу квантование представляет собой операцию округления непрерывной величины до ближайшего целого. В результате максимальная погрешность квантования равна 0,5h (рисунок 5.6 б). Однако при преобразовании произвольного сигнала максимальная погрешность встречается сравнительно редко, поэтому в большинстве случаев для оценки качества АЦП используют не максимальную, а среднеквадратическую погрешность кв=h/ 12, которая примерно в 3,5 раза меньше максимальной. В АЦП погрешность квантования определяется как единица младшего значения разряда (ЕМР).

Выходной величиной АЦП является цифровой код, т.е. последовательность цифр, с помощью которой представляются дискретные квантованные величины. В АЦП используют четыре основных типа кодов: натуральный двоичный, десятичный, двоично-десятичный и код Грея. Кроме этого, АЦП предназначенные для вывода информации в десятичном коде, выдают на своем выходе специализированный код для управления семисегментными индикаторами.

240