2.3. Согласование сигналов

Не всегда можете подключить сигнал непосредственно к устройству сбора данных (УСД). Возможно, что для точного измерения понадобится дополнительно изменить сигнал, чтобы согласовать его параметры с требованиями к входному сигналу устройства сбора данных.

Согласование сигналов – одна из наиболее важных технологий в системе измерений и автоматизации. Она обеспечивает интерфейс между сигналами/датчиками и измерительной системой. Используя внешний интерфейс согласования сигналов компании National Instruments, можно объединить многочисленные технологии в одной платформе, увеличивая тем самым число и типы доступных измерений.

В зависимости от скорости сбора данных, типов сигналов/датчиков и числа каналов измерительной системы можно выбрать системы согласования сигналов SCXI или SCC компании National Instruments.

Для приложений с большим числом каналов или систем, требующих больших скоростей сбора данных, можно выбрать модули согласования сигналов для контрольно-измерительной аппаратуры (Signal Conditioning extensions for Instrumentation – SCXI). SCXI - проверенная временем платформа, используемая инженерами и учеными с 1991 года и насчитывающая в своем составе более 25 модулей.

Система Signal Conditioning Components (SCC) – идеальное решение для мобильных измерительных комплексов, требующих небольшого или среднего количества каналов. Можно выбрать подходящее решение из более чем 30 одно- и двухканальных модулей.

Для работы большинства измерительных преобразователей необходим некоторый класс дополнительного внешнего оборудования. Например, терморезисторам необходим ток возбуждений, тензодатчикам необходима мостовая схема, состоящая из резисторов и называемая мостом Уитстона. Согласование сигналов – это процесс измерения и управления сигналами с целью улучшения точности, создания развязки, фильтрации и т.д.

Для измерения сигналов, поступающих от датчиков, необходимо преобразовать их в форму, наиболее подходящую для устройств сбора данных. Например, выходное напряжение большинства термопар очень мало и чувствительно к шуму. Поэтому в этом случае понадобится предварительное усиление сигнала перед его оцифровкой. Усиление сигнала – одна из форм согласования сигналов. Самыми распространенными типами согласования сигналов являются усиление, линеаризация, возбуждение (запитка) преобразователя и гальваническая развязка (изоляция).

На рис. 2.7 показаны наиболее распространенные типы измерительных преобразователей и сигналов, а также типы согласования сигналов, которые каждый из них требует.

Рис. 2.7. Типы сигналов и их согласования

2.4. Усиление

Усиление – наиболее распространенный тип согласования сигналов. Усиление электрических сигналов увеличивает точность в результирующем оцифрованном сигнале и уменьшает влияние шумов. Типичным примером является сигнал с термопары, напряжение которого находится в диапазоне нескольких милливольт.

Если подать сигнал от термопары непосредственно на устройство сбора данных (УСД), то изменение температуры на один - два градуса такая система может не обнаружить. Используя усиление, вы получите сигнал, лучше соответствующий рабочему диапазону УСД. Усиление сигнала может осуществляться непосредственно самим устройством сбора данных или внешним усилителем – например, модулем SCXI (помеченного на рисунке 2.8 как «Внешний усилитель») в непосредственной близости от источника сигнала.

Для достижения наибольшей возможной точности и увеличения отношения сигнал/шум (signal-to-noise ratio - SNR) сигнал необходимо усилить таким образом, чтобы его максимальная амплитуда равнялась максимальному диапазону входного сигнала аналого-цифрового преобразователя УСД.

Рис. 2.8. Внешнее усиление сигнала:

1 – источник сигнала; 2 – усилитель; 3 – источник шума; 4 - инструментальный усилитель; 5 – модуль УСД; 6 – АЦП

В случае усиления сигнала самим УСД, измеряться и оцифровываться будет не только сам сигнал, но и помехи, которые могут наводиться на соединительные провода, что ухудшит соотношение сигнал/шум. Усиление сигнала и непосредственной близости от его источника с использованием внешнего усилителя (например, модули SCXI) уменьшает вредное влияние шума на сигнал, и в этом случае оцифрованный результат точнее соответствует слабому исходному сигналу.

Существует несколько способов уменьшения шума:

• Использовать экранированные кабели или витую пару проводов;

• Минимизировать длину проводов для уменьшения помех, которые могут на них наводиться;

• Располагать сигнальные провода вдали от силовых кабелей переменного тока и компьютерных мониторов для уменьшения наводок на частоте 50 или 60 Гц.