Гальваническая развязка измерительной цепи

Усилитель с гальванически изолированными каскадами пред­ставляет собой разделительный усилитель (рис. 4.20).

 Он состо­ит из каскада А_и являющегося операционным или измерительным усилителем с «плавающим» (незаземленным) источником литания и общей точкой С%_% соединенной с массой источника сигнала (его коэффициент дифференциального усиления ), каскада Л₂, общая точка которого С₈ присоединена к общей массе данного усилительного каскада и схемы последую­щей обработки, и устройства потенциальной развязки (транс­форматорной или оптронной) между каскадами.

Постоянная составляющая v_UC \, измеренная относительно точки Си ограничена десятком вольт, и при превышении этого уровня ее необходимо ослабить с коэффицеитом ослабления тп. Постоянная составляющая Vucb измеренная относительно точ­ки С₂, приложена к «изолирующему» барьеру между каскадами и может достигать тысяч вольт. Она существенно ослабляется

Рис. 4.21. Примеры применения разделительного усилителя.

на выходе с коэффициентом т_Г2. Напряжение v ₀ на выходе раз­делительного усилителя можно описать выражением

                                          

Порядок величин , . Разделительный усилитель в первую очередь 'Применяют, когда постоянная со­ставляющая, не содержащая информации, существенно превы­шает измерительный сигнал (рис. 4.21,а), либо когда, например по соображениям безопасности, источник измерительного сигна­ла должен быть изолирован от схемы обработки (рис. 4.21, б).

4.4, Выделение сигнала, содержащего полезную информацию

Измерительные схемы с пассивными датчиками в ряде слу­чаев (разд. 3.5) выдают переменное напряжение v_m , представ­ляющее собой высокочастотный сигнал, который промодулирован в соответствии с вариациями Am измеряемой величины. Здесь кратко описаны некоторые методы детектирования (про­цесс, обратный модуляции,—демодуляция), позволяющие выде­лить из модулированного сигнала полезную информацию в виде электрического сигнала, изменения которого соответствуют низ­кочастотным вариациям измеряемой величины.

Амплитудное детектирование

При амплитудной модуляции несущего сигнала вариации Am измеряемой величины точно отображаются изменением во времени амплитудных значений выходного напряжения изме­рительной цепи (рис. 3.27). Так, например, когда модулируемый (несущий) сигнал представляет собой синусоидальное напряже­ние с круговой частотой  то

                                         

Амплитудный детектор, основными элементами которого яв­ляются диод и контур (фильтр низкой частоты) R — C (рис. 4.22), при подаче на его вход амплитудно-модулированного сигнала выдает напряжение

^,

где Tj — эффективность детектирования , .

Близкое к единице значение т получается, когда граничная частота #С-фильтра /_с» , такова, что несущая частота ft сильно ослабляется, тогда как спектр полезного сигнала, про­стирающийся до частоты /дг, сохраняется. Это достигается при

Постоянная составляющая детектируемого напряжения, г\Е/, должна быть устранена с помощью фильтра верхних частот или вычитающей схемы, если значение постоянной составляющей определено предварительно при , .

4.4.2. Синхронное детектирование

Блок-схема синхронного детектирования амплитудно - модулированного сигнала v_m приведена на рис. 4.23.

Свое название такое детектирование получило благодаря использованию вспо­могательного источника опорного сигнала, синхронного по ча­стоте и синфазного с модулируемым сигналом несущей. Син­хронное детектирование связано с преобразованием спектра частот входного сигнала и смещением его по оси частот путем умножения этого сигнала на опорный, и узкополосной низкоча­стотной фильтрацией сигнала о_в преобразованной (Промежу­точной) частоты е выделением при этом полезного сигнала, содержащего информацию об измеряемой величине.

, Работу синхронного детектора рассмотрим на примере гар­монических сигналов. Результаты этого рассмотрения могут Фыть распространены на периодические сигналы любой формы. Предположим, что модулированный измерительный сигнал вписывается выражением

                                                                           

TO характерно, например, для моста Уитстона с двумя диффе­ренциальными включенными резистивными датчиками с чувстви­тельностью 5 и коэффициентом ,                                      

                                                                            

Опорное напряжение v_T , синхронное гармоническому напряжения источника (генератора) измерительной цепи, описывает-ffi выражением

                                                                                 

Множительное устройство выдает напряжение,

(чаше всего£=*10В).

После подстановки получим

                                                                   

 При                          

 Где                                                

Назначение фильтра нижних частот заключается в выделении» полезной составляющей , , содержащей искомую информа­цию, с подавлением высокочастотной составляющей i4Amcos2co,/. Это не представляет проблем при условии, что максимальная частота /дг спектра измеряемой величины суще­ственно меньше, чем частота /, несущей.

Когда имеется сдвиг фазы тр между модулируемым и опор­ным напряжениями, т. е.

                           и

 

то напряжение на выходе перемножающего устройства

                    

При этом амплитуда ,низкочастотной полезно* доставляющей, выделяемой фильтром, оказывается уменьшенной. I соответствии с коэффициентом cosц.

В случае индуктивного датчика с комплексным импедансом, когда и активная, и реактивная составляющие выходного им­педанса датчика зависят от измеряемой величины, модулиро­ванное напряжение измерительной схемы включает две состав­ляющие: одну в фазе, а другую — сдвинутую по фазе  90° относительно напряжения питания схемы (модулируемого оригинала), т. е.

                                     

Синхронное детектирование позволяет выделить каждую из упомянутых составляющих. Если умножить ,,/, то после фильтрации (с помощью фильтра нижних частот) на выходе перемножающего устройства получим состав-

ляющую , Дт, тогда как умножение на

позволяет выделить составляющую ,.

Частотное детектирование

В основу устройств, предназначенных для выделения инфор­мации, содержащейся в сигнале, модулированном по частоте, может быть положен один из следующих принципов:

а) преобразование частотно-модулированного сигнала в ам-ллитудно-модулированный с помощью схем (дискриминаторов), использующих параллельный колебательный контур, с после­дующим детектированием полученного модулированного по ам­плитуде сигнала;

б) преобразование частотно-модулированного сигнала в синхронную по частоте последовательность импульсов с их ин­тегрированием и определением среднего напряжения либо изме­рением их частоты;

в) гетеродинное преобразование сигнала. Дискриминатор с параллельным колебательным контуром.

Схема частотного дискриминатора, содержащего простой коле­бательный контур, лредставлена на рис. 4.24, а.

 Если резонанс­ная частота Far контура отличается от средней (центральной) частоты F ₀ модулированных колебаний F , то при изменении мгновенных значений частоты Е входного сигнала, приложенно­го к контуру, изменения амплитуды напряжения на контуре повторяют изменение частоты F ( t ) измеряемой величины (рис. 4.24,6).

Для улучшения линейности характеристики преобразования частота — амплитуда используют двухконтурные дискримина­торы. В отсутствие модуляции, когда частота входного сигнала совпадает с резонансной частотой контуров, напряжение на одном из них сдвинуто по фазе на 90° относительно напряжения другого.

Генерация импульсов, синхронных частотно-модулированному сигналу. Получить импульс определенной фиксированной ам­плитуды и продолжительности соответственно каждому перио­ду частотно-модулированного напряжения можно различными способами, такими, как:

а) усиление сигнала с последующим его ограничением, диф­ференцированием и однополупериодным выпрямлением;

б) амплитудная дискриминация модулированного напряже­ния, когда оно становится равным заданному опорному напряжению и осуществляется запуск формирователя импульса (на­пример, ждущего мультивибратора). Частота следования фор­мируемых импульсов или среднее значение их напряжения при неизменной полярности является линейной функцией измеряе­мой величины.

Частотное детектирование с гетеродинным преобразованием сигнала. Блок-схема такого устройства приведена на рис. 4.25. В него входят:

— фазовый детектор, на один вход которого подается моду­лированное напряжение , , а « другой— напряжение местного гетеродина , . Фазовый детектор выдает напряжение v &, являющееся Функцией разности фаз входньЬс напряжений — 6i (гетеродина);

— фильтр нижних частот;

— усилитель с коэффициентом усиления А, выходное напря­жение ;i>_c которого управляет частотой местного гетеродина;

— опорный гетеродин, частота F ? которого является линей­ной функцией управляющего напряжения v_e , т. е.

Проанализируем возможности детектирования частотно-мо­дулированного сигнала с помощью такого устройства. Для этого положим, что напряжение на выходе фазового детектора про­порционально разности фаз входных напряжений

                                         

где Kd — коэффициент пропорциональности, а спектр частот этого напряжения находится в полосе пропускания фильтра • нижних частот.

Рассмотрим сначала случай, когда напряжение v_m имеет круговую частоту Qo и постоянный сдвиг фазы 6₀:

                                          

Управляющее напряжение местного гетеродина определяет­ся выражением

                                 

Частота гетеродина стабилизируется, когда перестает изме­няться у_е, что, в свою очередь, происходит только при условии

                                                

Говорят, что гетеродин в этом случае «синхронизирован» с частотой сигнала (произошел «захват» частоты сигнала) и

напряжение v_e удовлетворяет двум условиям:

                                     

 

Отсюда следует, что разность фаз между модулированным сигналом и напряжением гетеродина равна

                                                                

Если изменения приращений намеряемой величины подчиня­ются гармоническому закону , to выражение для г_п преобразуется к виду

                                       

где ,   (см. разд. 3.4.1). После подстановки ,

 получим

                                 

Напряжение, выдаваемое в этом случае гетеродином, можно записать в виде

Величины  и   —синусоидальные. Переходя к ком­плексной записи, получим

 

 

Модуляция по частоте вызывает вариации Lv & выходного напря­жения компаратора фаз

 что обусловливает изменения Ди_в управляющего напряжения гетеродина

В результате получаем вариации мгновенной круговой частоты гетеродина в виде

Отсюда следует

  

Возвращаясь к временному отображению разности фаз, име­ем

и, в предположении, что , , получим

Таким образом, напряжение на выходе компаратора фаз, как и напряжение, управляющее гетеродином, изменяются соот­ветственно изменениям измеряемой величины.

---

Дата добавления: 2021-06-02; просмотров: 85; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!