Древс Системы реалного времени технические и программные средства 2010

чения входного сопротивления на двух его входах включены ОУ с защитой от перегрузки при помощи полевых транзисторов. Они обеспечивают малое последовательное сопротивление при нормальных рабочих условиях, а в случае приложения избыточного входного напряжения (более +4 В) ограничивают входной ток на уровне 1,5...5 мА. Коэффициент усиления такого усилителя регулируется внешним сопротивлением в диапазоне от 1 до 10000.

Если усилитель используется для усиления сигнала с большим динамическим диапазоном или для усиления нескольких сигналов, поступающих от разных датчиков и имеющих существенно разные амплитуды, то целесообразно использовать инструментальные усилители с программируемым коэффициентом усиления. Он устанавливается путем изменения параметров обратной связи входных ОУ по сигналам процессора. Например, в инструментальных усилителях AD620 и AD625 фирмы Analog Device программируемый коэффициент усиления лежит в диапазоне 1...10000.

Повторитель напряжения. Если в инвертирующем усилителе (см. рис. 3.2) положить R1 = и R2 = 0, то входное напряжение будет непосредственно передаваться на выход схемы, т.е. такой усилитель будет повторять входное напряжение. Повторитель напряжения иногда называют буферным усилителем или преобразователем сопротивления, так как он имеет большой входной и малый выходной импеданс и, следовательно, обладает изолирующими свойствами.

Компаратор. Это специализированный ОУ с дифференциальным входом и парафазным цифровым выходом. Входной каскад компаратора построен аналогично схемам ОУ и работает в линейном режиме. На выходе компаратора формируются сигналы высокого логического уровня, если разность входных сигналов меньше напряжения срабатывания компаратора, или низкого логического уровня, если разность входных сигналов превышает напряжение срабатывания компаратора (рис. 3.5).

Основные параметры компаратора: чувствительность (точность, с которой компаратор может различать два входных сигнала), бы-

81

стродействие (скорость отклика, определяемая задержкой срабатывания и временем нарастания сигнала), нагрузочная способность (способность компаратора управлять определенным числом входов цифровых микросхем).

Чувствительность компаратора измеряется единицами милливольт; быстродействие в зависимости от типа схемы лежит в диапазоне от

единиц наносекунд до единиц микросекунд; нагрузочная способность зависит от выходного каскада схемы компаратора: для ее повышения включается эмиттерный повторитель.

3.2. Унифицирующие измерительные преобразователи

Естественные сигналы, поступающие от датчиков, различаются по динамическим диапазонам и по мощности, могут быть сигналами напряжения и сигналами тока. В соответствии с ГОСТ 26.01180 сигналы напряжения – это сигналы, поступающие от источника с выходным сопротивлением, значение которого много меньше входного сопротивления приемника сигнала; сигнал тока – это сигнал, поступающий от источника с выходным сопротивлением, значение которого много больше входного сопротивления приемника сигнала.

Наиболее существенное соображение, которое нужно принимать во внимание, – сигнал должен быть малочувствительным к электрическим возмущениям. При передаче сигнала напряжением нужно учитывать, что входной импеданс подключенного устройства – не бесконечность, и поэтому по линии связи будет протекать ток. Следовательно, возникнет падение напряжения. Если амплитуда сигнала будет изменяться, то потечет ток перезарядки распределенных емкостей и возникнут помехи. Один из способов передачи сигналов напряжением является организация трехпроводной системы.

82

Главная причина популярности напряжения как носителя сигнала – простота и доступность устройств для обработки сигнала. Однако напряжение не слишком пригодно для передачи данных на большие расстояния.

Для передачи сигналов на значительные расстояния лучше воспользоваться током, так как он постоянен по всей длине кабеля. На конце линии токовый сигнал преобразуется в напряжение с помощью высокоточного шунтирующего резистора. На передающем конце выходное напряжение датчика преобразуется операционным усилителем в ток. Токовые сигналы, как правило, используются на низких частотах до 10 Гц. При переменном токе становится заметным влияние емкостного эффекта: часть тока уходит либо в обратный провод, либо в заземленный экран.

Измерительная система, использующая для передачи сигнала ток и датчик, гальванически изолированный от выходного сигнала, имеет следующие преимущества:

-достаточно хорошо работает на длинных линиях;

-допускает простую процедуру проверки, если допустимый ток ограничен по минимуму, например, 4 мА; если ток меньше, это значит, что линия отключена или разомкнута;

-обеспечивает хорошую защиту от помех;

-обеспечивает передачу сигнала по двум проводам.

Для согласования источников информации с другими устройствами измерительно-вычислительного комплекса их сигналы должны быть унифицированы, т.е. должны быть преобразованы так, чтобы соответствовать определенным требованиям.

Эти требования установлены ГОСТ 26.011-80 и ГОСТ 26.01381. В качестве носителя информации в них приняты электрические сигналы постоянного и переменного тока и напряжения, причем оговорены следующие диапазоны их изменения:

- для сигналов тока 5 мА (на сопротивлении нагрузки

Rнагр = 2,5 кОм); 0 0 мА (Rнагр = 1,0 кОм); +4 0 мА (Rнагр = = 1,0 кОм); 20 20 мА (Rнагр = 1,0 кОм); 20 0 мА (Rнагр = = 1,0 кОм); 00 00 мА (Rнагр = 250 Ом);

83

-для сигналов напряжения : 0 В; В; 0 В (Rнагр =

=1,0 кОм); 1 В (Rнагр = 1,0 кОм); 0 0 В (Rнагр = 2,0 кОм) и т.д.

Для преобразования естественных выходных сигналов датчиков в унифицированные применяются унифицирующие измерительные преобразователи (УИП). Различают индивидуальные, групповые и многоканальные УИП. Индивидуальные следует использовать для унификации сигналов при сравнительно небольшом числе измеряемых параметров и при ограниченном времени измерения. Они позволяют преобразовывать один унифицированный сигнал в другой, обеспечивать гальваническую развязку входных цепей, размножать входной сигнал по нескольким выходам.

Групповые УИП обслуживают группу датчиков, выходные сигналы которых однородны. Групповой УИП должен применяться вместе с коммутатором и его параметры должны настраиваться в соответствии с параметрами выходного сигнала подключенного датчика.

Многоканальные УИП представляют собой конструктивно объединенные индивидуальные УИП.

Унифицирующие измерительные преобразователи могут выполнять как линейные, так и нелинейные преобразования сигналов. К линейным относятся операции масштабирования и установки нуля, к нелинейным – линеаризация.

Масштабирование и установка нуля. Если выходной сигнал датчика возрастает от y1 до y2, а унифицированный сигнал на выходе УИП должен лежать в пределах от нуля до z (z > y2 y1), то для совмещения начала динамических диапазонов УИП и датчика к сигналу датчика должен быть добавлен сигнал y1, а затем суммарный сигнал должен быть усилен в K = z/(y2 y1) раз. Величина y1 может изменяться, например, при изменении температуры. В этом случае ее снимают с первичного преобразователя.

Линеаризация. Характеристическая кривая датчика y = F(x), как правило, нелинейна. Для упрощения алгоритмов обработки можно использовать схемные методы линеаризации, реализовав с помощью УИП операцию x = F 1(y). Пусть, например, датчик реа-

84

лизует функцию y = ax2. Если УИП выполняет операцию z = ky, то для определения искомой величины x следует вычислить

x z / ak . Если же коэффициент преобразования УИП выбран так, что z y / a x , то никаких вычислений делать не нужно.

Линеаризация чаще всего обеспечивается кусочно-линейной аппроксимацией функции преобразования и построением ОУ с управляемой обратной связью.

3.3. Фильтры

Важным элементом измерительного тракта является схема фильтрации. Ее назначение – изменение частотных характеристик входного сигнала, что необходимо для уменьшения влияния шумовой составляющей на результат его обработки и для исключения эффекта наложения спектров при его дискретизации.

Если сигнал и помеха имеют разный частотный состав, то для уменьшения влияния помехи достаточно пропустить смесь сигнала и помехи через фильтр, который «вырежет» из нее информативную полосу частот.

Эффект наложения спектров заключается в следующем. Как известно, спектр ЅТ(ω) дискретизованного сигнала представляет собой последовательность спектров Ѕ(ω) исходного сигнала s(t), сдвинутых относительно друг друга на ω0 = 2π/T и убывающих по закону

где Т – шаг дискретизации, τ0 – длительность импульсов синхронизации. Если шаг дискретизации выбран так, что ωm < π/T, т.е. Т < < π/ωm< fm/2, тоотдельныеспектры неперекрываются (рис. 3.6, а, б).

При пропускании такого спектра через четырехполюсник с П-образной амплитудно-частотной характеристикой (идеальный фильтр нижних частот) с полосой пропускания (–π/T, +π/T) (рис. 3.6, в) из спектра дискретизованного сигнала будет выделяться средняя часть, которая с точностью до постоянного мно-

85

жителя совпадает со спектром исходного непрерывного сигнала

(рис. 3.6, г).

Рис.3.6

Однако если исходное непрерывное колебание таково, что его спектр с ростом частоты не обращается строго в нуль, то при любом выборе интервала дискретизации соседние составляющие спектра дискретизованного колебания будут частично перекрываться (рис. 3.7, а).

Рис. 3.7

86

Для предотвращения этого явления можно предварительно пропустить непрерывный сигнал через низкочастотный фильтр с полосой пропускания (–π/T, +π/T). При этом будут потеряны частоты, лежащие вне этого диапазона, но эффект наложения частот будет исключен.

Фильтры нижних частот могут быть построены как на пассивных, так и на активных элементах.

Пассивные фильтры. Рассмотрим схему, изображенную на рис. 3.8, а. При подаче на вход напряжения

u = u0 exp j( t + )

мгновенное значение комплексного тока в цепи

i = C(du/dt) = j Cu0 exp j( t + ) = u0 / jXc ,

где Xc = 1/ C – емкостное сопротивление.

Используем этот результат при анализе схемы на рис. 3.8,б. В ней реактивное сопротивление Z = R j/ C, поэтому комплексный

Модуль выходного напряжения

Uвых= (U выхUвых* )1/2 = U вх(1 + R2 2C2) 1/2.

Зависимость модуля коэффициента передачи этой цепи от частоты показана на рис. 3.9. Ее вид свидетельствует о том, что такая цепь пропускает низкие частоты и подавляет высокие, поэтому она является фильтром низких частот.

87

Если поменять местами конденсатор и резистор в схеме фильтра низких частот, то получится простейший пассивный

фильтр высоких частот.

Анализ его характеристик можно выполнить аналогичным образом.

Активные фильтры. Часто

возникает необходимость в фильтрах с более плоским участком характеристики в полосе пропускания и с более крутыми

склонами. Простое каскадное соединение не даст нужного результата, так как входное сопротивление каждого звена будет служить нагрузкой для предыдущего звена. Применение преобразователей сопротивления увеличивает наклон, но «излом» амплитудночастотной характеристики остается плавным. Требуемые характеристики можно получить, используя активные фильтры – ОУ с частотно-зависимой обратной связью.

88

= arctg( / 0) = + .

Влогарифмическом масштабе нормированное соотношение

(3.2) запишется в виде1

|K| (дБ) = 20 lg [ 1 + ( 0)2]–1/2.

Эта зависимость – логарифмическая амплитудно-частотная характеристика – изображена на рис. 3.11 линией 1:

|K| (дБ) 0 при f/f0 1, |K| (дБ) 20lg(f/f0) при f/f0 ≥ 1.

Рис. 3.11

Излом этой характеристики соответствует f = f0 , а наклон крутой части составляет 20 lg 2 = 6 дБ/окт, или 20 lg 10 = 20 дБ/дек. Заметим, что точное значение нормированной характеристики в

45 lg2 = 13,55 град/окт или 45 lg10 = 45 град/дек.

1 При построении частотных характеристик значение числа N в децибелах (дБ) равно 20lg10N, октава и декада соответствуют двукратному и десятикратному изменению частоты.

89

Соотношение (3.2) определяет амплитудно-частотную характеристику фильтра нижних частот, а именно – фильтра Баттерворта. Этот тип фильтра имеет максимально плоскую характеристику в полосе пропускания. Другие распространенные типы активных фильтров нижних частот – фильтры Чебышева и Бесселя.

Заметим, что при замене (R0/R) = a0, 1 = b0, 1/R0C0 = b1, p = = j комплексный коэффициент усиления (3.1) записывается в виде:

K= a0/(b0+ pb1),

что представляет собой частный случай более общего соотношения

описывающего характеристику рекурсивного фильтра.

Основное преимущество активных фильтров – очень низкий выходной импеданс, что позволяет каскадировать подобные схемы и добиваться требуемых частотных характеристик.

3.4. Мультиплексоры аналоговых сигналов

Мультиплексор аналоговых сигналов (МАС) – это схема, обеспечивающая временное разделение каналов на входе обрабатывающего устройства. Она связывает определенный, выбранный в данный момент времени, источник сигналов с устройством его последующего преобразования. Применение МАС позволяет использовать общие преобразователи для всех входных сигналов, сокращая тем самым затраты на измерительную подсистему.

Современные МАС состоят из следующих основных элементов (рис. 3.12): аналоговых ключей АК, адресного регистра РгА, дешифратора адреса ДшА, схемы управления аналоговыми ключами СУ. Принцип действия МАС прост: код адреса выбранного канала, поступивший в

90