литература / Sharapov_V._Datchiki
.pdf
Глава 4. Электронные устройства датчиков
нала на входе АЦП, т.е. вход детерминируется. Преобразование на этом считается завершенным, счетчик сбрасывается и начинает свой отсчет снова [5].
АЦП с динамической компенсацией является простым и стабильным устройством, но с низкой скоростью. Самая низкая скорость преобразования здесь получается при максимальном значении входного сигнала, так как счетчику приходится пройти весь
вероятный диапазон входного сигнала. Если частота тактового генератора 1 МГц, а выход 8-битный, то скорость преобразования равна 106/28 = 4 кГц. Этот тип АЦП к тому же чувствителен к шуму и помехам на входе, поэтому велика ошибка на выходе [5, 10].
АЦП с последовательным приближением
АЦП с последовательным приближением гораздо проще, чем АЦП с динамической компенсацией, и в то же время намного быстрее определяет цифровой код входного аналогового сигнала. Блок-схема АЦП с последовательным приближением точно такая же, как и АЦП с динамической компенсацией (рис. 4.19), только вместо счетчика применяется регистр, на котором происходит фиксация кода.
Вместо того, чтобы перебирать все уровни в поиске соответствующего входу, в данном преобразователе используется алгоритм последовательного приближения. Сначала входной сигнал сравнивается с зафиксированным на регистре значением половины полной шкалы квантования. Если вход больше, в старший бит кода (MSB) записывается 1. Следующий уровень, с которым сравнивается входной сигнал, это 3/4 полной шкалы. Определяется, в какой четверти находится цифровой эквивалент входа. Соответственно, следующий бит заполняется 0 или 1. Количество сравнений равняется количеству на выходе преобразователя. Если выходной код 8-битный, то необходимо произвести 8 сравнений, что сделать гораздо быстрее, чем 28 = 256 сравнений в АЦП с динамической компенсацией. Следовательно, максимальная скорость преобразования 106/8 = 125 кГц, а не 4 кГц.
Таким образом, скорость преобразования можно увеличить, применяя стратегию поиска и сопровождения. В данном преобразовании производится непрерывное логическое сопровождение входа вверх или вниз от среднего значения. Это преобразование наиболее эффективно, когда входной сигнал меняет свое значение медленно.
АЦП с последовательным приближением так же чувствителен к шумам и помехам, как и АЦП с динамической компенсацией [5, 10].
Интегрирующие АЦП
Основное свойство интегрирующего АЦП состоит в том, что аналоговый входной сигнал интегрируется: определяется среднее арифметическое предыдущих шагов для определения последующего шага процесса преобразования. При
4.4. Аналогово-цифровые преобразователи
этом эффекты шумов и помех значительно уменьшаются. Периодические помехи, такие как от сети в 50 Гц, исключаются полностью, так как среднее арифметическое синусоиды полного цикла равняется нулю. Это очень полезное свойство преобразователя широко применяется в измерительных приборах.
Впреобразователях по методу двухэтапного интегрирования применяются две фазы интегрирования для того, чтобы минимизироть количество компонентов в схеме, а также обеспечить высокую стабильность и точность преобразования.
Блок-схема АЦП изображена на рис. 4.20, а, график процесса преобразования — на рис. 4.20, б. Преобразование начинается с установки выхода интегратора (напряжения на конденсаторе) в ноль. Далее происходит первая
фаза интегрирования за время tвх, когда входной сигнал интегрируется для предварительного определения. Во время второй фазы эталонное напряжение UЭТ интегрируется до тех пор, пока выход интегратора не установится в ноль.
Вконце первой фазы интегрирования напряжение определяется как:
U 1 U ВХ tВХ .
RC
Во время второй фазы выход интегратора возвращается от U1 в 0:
U 1 U ЭТ tЭ
RC
и
U 1 |
|
U ВХ tВХ |
|
U ЭТ tЭТ |
. |
(4.20) |
RC |
|
|||||
|
|
|
RC |
|
||
а)
б)
Рис. 4.20. Двухтактный АЦП: а — блок-схема; б — изменение напряжения на выходе в процессе преобразования
Глава 4. Электронные устройства датчиков
Из уравнения (4.20) получаем:
U ВХ |
U ЭТ |
tЭТ |
. |
|
|||
|
|
tВХ |
|
Время интегрирования t определяется количеством импульсов синхронизации за соответствующие периоды:
t NfСИНХР .
Выходное напряжение определяется эталонным напряжением и отношением периодов интегрирования (или отношением сумм соответствующих импульсов). Точность преобразования зависит только от точности эталонного напряжения. Она не зависит от точности и частоты синхронизации, а также от резистора и конденсатора. Единственное требование в процессе преобразования необходимо, чтобы сумма (tВХ tЭТ ) была постоянной. Это требование выполнить гораздо легче, чем требования по точности и стабильности.
Обычно АЦП с двухэтапным интегрированием имеет 10—18-битный выход. Они относительно дешевые для такой точности и стабильности. Чтобы иметь еще лучшие характеристики, обычно время первой фазы интегрирования устанавливают кратным 20 мсек, чтобы абсолютно исключить помехи с частотой 50 Гц. Однако большое время интегрирования делает такие преобразователи относительно низкоскоростными, чем преобразователи без интегрирования [5, 10].
АЦП с запасом по частоте
В АЦП с запасом по частоте (или сигма-дельта-преобразователе) отслеживаются изменения аналогового входного сигнала и вырабатывается пакет импульсов на выходе. Средняя величина напряжения выходных импульсов пропорциональна значению входного сигнала. Следовательно, оригинал входного сигнала можно восстанавливать линейным низкочастотным фильтром.
Схема сигма-дельта-преобразователя представлена на рис. 4.21 [5, 10]. Отрицательное напряжение входного сигнала поступает на один вход суммирующего интеграгора. На второй вход через землю подается положительное эталонное напряжение или нулевое напряжение, коммутируемое ключом Если выход интегратора положительный (это определяется компаратором), положительное эталонное напряжение запускает интегратор в противоположное на-
Рис. 4.21. Схема АЦП с запасом по частоте (или сигма-дельта преобразователя)
4.5. Генераторы сигналов
правление. Когда выход становится отрицательным, компаратор изменяет свое состояние и переключает вход интегратора на ноль.
Схему можно рассматривать как систему с обратной связью для удержания нуля на входе интегратора. Отсюда среднее значение входного сигнала на одном входе равно противоположному сигналу на другом входе. Таким образом, выход АЦП — это поток импульсов с постоянной длительностью, среднее количество которых представляет среднее значение входного сигнала.
Разрешающая способность преобразования, соответствующего одной выборке, определяется количеством импульсов. Таким образом, скорость опрокидывающих импульсов должна быть выше, иногда гораздо выше, чем требует теорема Котельникова-Найквиста. Отношение этих двух частот называется запасом по частоте. Обычно он бывает равным 64 или 256. Поэтому эти преобразователи называют еще АЦП с запасом по частоте. Разрешающая способность и линейность описанных выше АЦП, таких как параллельный АЦП и АЦП с последовательным приближением, определяется характеристиками их компонентов. В сигма-дельта АЦП используется простой однобитный элемент, и разрешающая способность определяется его временной характеристикой. Поэтому на рынке сигма-дельта АЦП характеризуется только одним временным показателем [5, 16—26].
Если сравнить способность компонентов производить шумы, то в цепи квантования она определяется скоростью опрокидывающих импульсов и их гармониками. Она гораздо выше, чем у компонентов на входе. Хотя при интегрировании шумы высокого уровня понижаются, их можно напрямую подавить фильтрами. Более сложные преобразователи даже с высокой разрешающей способностью (16—20 бит) производят больше шумов. Поэтому для сигма-дельта АЦП существует особый показатель OSNA — способность производить шумы. Так как частота этих АЦП очень высокая, на входе их необходимо устанавливать фильтры, исключающие эффект наложения. Обычно это простые RC-фильтры.
Максимальная частота опрокидывающих импульсов в сигма-дельта АЦП определяется максимальной скоростью схем в его составе, а максимальная частота входного сигнала определяется делением скорости опрокидывающих импульсов на запас частоты [5].
Информацию о выпускаемых промышленностью АЦП можно найти, например, в [15—25].
4.5. Генераторы сигналов
Генераторами называют электронные схемы, формирующие переменное напряжение требуемой формы [1, 2, 5, 10, 12].
Генераторы используются для питания некоторых параметрических датчиков. Кроме того, датчики могут включаться в частотозадающие цепи генераторов, в результате частота колебаний такого генератора является функцией физической величины, которую измеряет датчик.
Генератор состоит из усилителя с коэффициентом усиления А и цепи положительной обратной связи (ОС) с коэффициентом передачи КОС (рис. 4.22). В отечественной литературе такое устройство называют автогенератором [1, 2].
Глава 4. Электронные устройства датчиков
Рис. 4.22. Структурная схема генератора
Колебания в автогенераторе возникают, если
КОС·А ј 1. |
(4.21) |
Это условие называют балансом амплитуд. Кроме того, должно соблюдаться условие баланса фаз, которое заключается в том, что суммарный сдвиг фаз в усилителе А и цепи обратной связи ОС должен быть равен 2<n, т.е.
A ОС 2<n. |
(4.22) |
Для схемы (рис. 4.22) при работе в узком частотном диапазоне можно также записать [7, 14]
К ПЕР |
U a |
|
A |
. |
(4.23) |
||
|
|
|
|||||
U e |
1 K OC A |
||||||
|
|
|
|
||||
Из этого выражения становится понятным механизм возникновения колебаний в автогенераторе.
В качестве частотозадающих элементов в цепи ОС применяют LC, RC цепи, пьезоэлектрические резонаторы и трансформаторы, фильтры и т.д.
Схема одного из вариантов LC-автогенератора показана на рис. 4.23 [10]. Операционный усилитель, включенный по неинвертирующей схеме, уси-
ливает входное напряжение U1(t) в А раз. Так как подобный усилитель имеет низкоомный выход, то параллельный колебательный контур, включенный в цепь положительной ОС, подключается к усилителю через резистор R.
Введем обозначения:
2 |
|
1 |
; |
||
|
|||||
0 |
|
|
LC |
||
|
|
|
|||
|
1 A |
. |
|||
|
|||||
Рис. 4.23. Схема LC-генератора |
|
2RC |
|||
Различают три характерных случая:
1.7 0, т.е. A = 1. В этом случае амплитуда выходного напряжения падает по экспоненциальному закону (затухающие колебания).
2. 0, т.е. A 1. Возникают синусоидальные колебания с частотой0 1 / LC и постоянной амплитудой.
3.= 0, т.е. A 7 1. Амплитуда выходного напряжения возрастает по экспоненциальному закону.
Схема Майсснера
Особенностью автогенератора по схеме Майсснера является то, что ОС осуществляется при помощи трансформатора, первичная обмотка которого вместе с конденсатором образует колебательный контур, определяющий частоту генерации схемы.
4.5. Генераторы сигналов
Вариант автогенератора по схеме Майсснера показан на рис. 4.24 [10].
Для обеспечения условия баланса фаз трансформатор должен осуществлять поворот фазы сигнала на 180°. Если первичная и вторичная обмотки трансформатора имеют одно направление намотки, то для инвертирования фазы необходимо вторичную обмотку включить встречно по отношению к первичной, т.е. конец вторичной обмотки, напряжение на котором синфазно с коллекторным напряжением, следует заземлить по переменному току. Кроме того, коэффициент трансформации выбирают таким, чтобы коэффициент петлевого усиления схемы КА был значительно больше единицы.
Рис. 4.24. Автогенератор по схеме Майсснера
Схема Хартли
Схема Хартли представляет собой трехточечную схему с индуктивной обратной связью (рис. 4.25).
Отличие этой схемы от схемы Майсснера заключается в том, что трансформатор заменен дросселем с отводом. Индуктивность L этого дросселя вместе с емкостью параллельно включенного конденсатора С определяет резонансную частоту генератора [10].
Схема Колпитца
Схема Колпитца представляет собой трехточечную схему с емкостной обратной связью (рис. 4.26).
Особенностью схемы Колпитца является наличие емкостного делителя напряжения, который определяет коэффициент ОС по напряжению. Последовательно соединенные конденсаторы с дросселем L образуют колебательный контур, емкость которого равна C CaCb / Ca Cb [10].
Двухтактный автогенератор
Такие схемы применяются в генераторах, как и в усилителях, для повышения мощности. Схема одного из вариантов генератора показана на рис. 4.27 [10].
Рис. 4.25. Схема |
Рис. 4.26. Схема Колпит- |
Рис. 4.27. Двухтактный автогене- |
Хартли |
ца с включением транзи- |
ратор с емкостной ОС |
|
стора с общим эмиттером |
|
Глава 4. Электронные устройства датчиков
Положительная обратная связь в этой схеме создается емкостным делителем напряжения на конденсаторах С1 и С2. Включенные параллельно делители на R1 и R2 служат для задания режима работы транзисторов.
Автогенераторы на пьезоэлектрических резонаторах и трансформаторах
Для повышения стабильности частоты колебаний автогенераторов в качестве частотозадающих элементов широко применяют пьезоэлектрические резонаторы и трансформаторы [1, 8, 13]. Автогенераторы на основе кварцевых резонаторов обеспечивают стабильность порядка 10-8—10-9 и выше [1, 8], на основе пьезокерамических резонаторов и трансформаторов — 10-4—10-6 [13].
Несколько схем автогенераторов на пьезокерамических резонаторах и трансформаторах, которые могут использоваться также в качестве датчиков, показаны на рис. 4.28 [14].
а) |
б) |
в) |
г) |
Рис. 4.28. Схемы генераторов на ПЭ: а — схема Колпитца; б — схема Хартли; в — трансформаторная схема Колпитца; г — схема мультивибратора
Для повышения чувствительности пьезоэлектрических датчиков нередко применяют возбуждение резонаторов на высших гармониках. При использовании полевых транзисторов и операционных усилителей с входными каскадами на полевых транзисторах улучшаются условия возбуждения резонаторов [1, 8].
RC-генератор Вина—Робинсона
В качестве частотозадающих элементов в генераторах синусоидальных низкочастотных колебаний могут быть применены RC-цепи в виде полосовых фильтров. Схема такого генератора на основе моста Вина—Робинсона показана на рис. 4.29 [10].
Как известно максимальная добротность RC-фильтров не превышает 12.
Полученные в таком генераторе синусоидальные колебания имели бы плохую стабильность частоты.
Для получения хорошей стабильности частоты требуется наличие схемы ОС, фазочастотная характеристика которой имела бы в точке перехода через нуль как можно большую крутизну. Таким свойством обладают, например, колебательный контур с высокой добротностью или мост Вина—Робинсона, однако выходное напряжение последнего на резонансной частоте равно нулю. Поэтому для установки в схему автогенератора его несколько расстраивают [10]. Полевой транзистор используется в схеме стабилизации выходного напряжения.
4.5. Генераторы сигналов
Рис. 4.29. Схема генератора с мостом Вина—Робинсона
Функциональные генераторы
Функциональные генераторы — это генераторы сигналов специальной формы. Наиболее распространены генераторы сигналов треугольной и прямоугольной формы. На рис. 4.30 приведена схема простого генератора треугольного и прямоугольного сигналов. Частота этого генератора
f 1 R2 . 4RC R1
Рис. 4.30. Генератор на триггере Шмитта
Интегратор на операционном усилителе ОУ2 интегрирует имеющееся на выходе триггера Шмитта (ОУ1) постоянное напряжение. Когда напряжение интегратора достигнет порога срабатывания триггера Шмитта, напряжение на выходе триггера Шмитта скачком меняет свой знак. Вследствие этого напряжение на выходе интегратора начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет другого порога срабатывание триггера Шмитта.
Изменяя постоянную интегрирования, можно в широких пределах перестраивать частоту формируемого напряжения [10].
Еще одна схема генератора прямоугольного напряжения показана на рис. 4.31 [14].
Этот генератор собран на логических элементах микросхемы К176ЛА7.
Глава 4. Электронные устройства датчиков
Рис. 4.31. Схема генератора прямоугольных импульсов
Литература
1.Альтшуллер Г.Б., Ефимов Н.Н., Шакулин В.Г. Кварцевые генераторы. — М: Энергоатомиздат, 1989. — 272 с.
2.Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. — М.: Радио и связь, 1986. — 512 с.
3.Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. — Л.: Энергоатомиздат, 1988. — 304 с.
4.Каплан Л., Уайт К. Практические основы аналоговых и цифровых схем. — М.: Техносфера, 2006.
5.Крекрафт Д. Аналоговая электроника. — М.: Техносфера, 2006.
6.Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин (Измерительные преобразователи). — Л.: Энергоатомиздат, 1983. — 320 с.
7.Макаров И.М., Менский Б.М. Линейные автоматические системы (элементы теории, методы расчета и справочный материал). — М.: Машиностроение, 1977.— 464 с.
8.Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 272 с.
9.Пейтон А.Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. — М.: БИНОМ, 1994. — 124 с.
10.Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. — М.: Мир, 1983. — 512 с.
11.Фрайден Дж. Современные датчики. М.: Техносфера, 2005. — 592 с.
12.Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 3-х т. Пер. с англ. 4-е изд. перераб. и доп. — М.: Мир, 1993.
13.Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. — М.: Техносфера, 2006. — 632 с.
14.Шарапов В.М., Минаев И.Г., Мусиенко М.П. Теория автоматического управления. — Черкассы: ЧГТУ, 2005. — 200 с.
15.Электрические измерения неэлектрических величин / Под ред. П.В. Новицкого. — Л.: Энергия, 1977.
16.Пьезоэлектрические акселерометры и усилители: Справочник по теории и эксплуатации. Дания, 1987.
17.www.analog.com.
18. www.national.com. |
23. www.platan.ru. |
19. www.onsemi.com. |
24. www.autex.spb.ru. |
20. www.terraelectronica.ru. |
25. www.sea.com.ua. |
21. www.micro-m.ru. |
26. www.vdmais.kiev.ua. |
22. www.thermooptics.com. |
27. www.ti.com. |
ГЛАВА 5
УПРУГИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДАТЧИКОВ
5.1.Основные разновидности
ирасчетные соотношения
Назначение и классификация. Упругими элементами называют детали, основным рабочим свойством которых является способность изменять свои размеры под действием нагрузки и восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки. Одной из главных функций упругих элементов является преобразование нагрузок в механические перемещения. Все многообразие упругих элементов по назначению можно разделить на следующие группы [1—9]:
—силоизмерительные, служащие для измерения сосредоточенных сил и моментов (плоские, спиральные и винтовые цилиндрические пружины);
—манометрические, применяемые для измерения давления жидких и газообразных сред (мембраны, сильфоны и трубчатые пружины);
—термоизмерительные, предназначенные для измерения температуры (биметаллические пластины, мембраны, сильфоны и трубчатые пружины);
—силовые, используемые в качестве источников механической энергии для приведения в движение деталей механизмов (спиральные заводные и винтовые цилиндрические пружины);
—кинематические, обеспечивающие перемещение одной детали относительно другой в заданном направлении (плоские пружины, мембраны и сильфоны);
—компенсаторные, устраняющие зазоры между деталями, люфты и мертвые ходы в передаточных механизмах (плоские, винтовые цилиндрические и тарельчатые пружины);
—разделительные, служащие для разделения двух сред с разными физическими параметрами (мембраны, сильфоны);
—амортизаторы, защищающие различные устройства от воздействия вибраций, ударов и тряски (резинометаллические упругие элементы, фасонные витые пружины).
Из приведенного перечня следует, что каждый тип упругого элемента может иметь несколько назначений.
С учетом конструктивных особенностей и технологии изготовления упругие элементы можно разделить на две основные группы:
—стержневые, изготавливаемые из проволоки и ленты;
—оболочки, получаемые из листа и трубок-заготовок. Амортизаторы представляют собой соединение резиновых массивов с металлическими деталями, которые в ряде конструкций могут работать совместно со стержневыми упругими элементами. Конструктивно-технологические особен-