Методические указания
Передача информации между различными частями системы управления является одним из неотъемлемых и критически важных элементов. Сигналы, вырабатываемые датчиками, обычно имеют весьма низкий уровень, поэтому для дальнейшей передачи их необходимо обработать и усилить. Уровни сигнала и импедансы выхода датчика, кабеля и входа компьютера должны соответствовать друг другу. Обработка сигнала для достижения указанного соответствия называется согласованием сигнала.
Другой очень важной практической проблемой являются наводки. Любое электронное устройство способствует возникновению электрических возмущений. Если две электрические цепи по тем или иным причинам расположены рядом друг с другом, то изменение тока или напряжения в одной цепи вызывает также изменения тока и напряжения в другой. В частности, соединительные провода и кабели выступают в качестве антенны для шумов и возмущений. Многие проблемы, связанные с электрическими наводками, можно решить с помощью экранирования цепей и заземления; некоторые принципы экранирования рассмотрены в этом разделе. Выбор способа передачи сигнала (напряжение, ток или свет) зависит от нескольких факторов, главным из которых является устойчивость к наводкам и шумам. В этом разделе будут приведены различные методы решения этих проблем.
Для удовлетворительной передачи сигнала необходимо минимизировать влияние нагрузочных эффектов между компонентами системы. С одной стороны, уровень выходного сигнала датчика должен быть достаточно высок, с другой – входной импеданс компьютера должен быть значительно больше по сравнению с выходным импедансом системы «датчик–измерительный преобразователь». Для согласования уровней сигналов и величин импедансов между выходом датчика и входом компьютера устанавливаются усилители.
|
|
|
Фильтр согласования импедансов имеет высокий входной импеданс и низкий выходной при коэффициенте усиления, равном единице. Последний каскад в схеме – обычно стабилизирующий усилитель с большим коэффициентом усиления. Для согласования импедансов применяются операционные усилители в цепи с обратной связью.
Операционный усилитель (ОУ, operational amplifier – ор-атр) представляет собой устройство, выполненное на интегральных схемах, с очень большим коэффициентом усиления по напряжению (порядка 
), высоким входным импедансом (несколько МОм) и низким выходным импедансом (как правило, менее 100 Ом). Выходной ток обычно ограничен величиной 10 мА при напряжении ±10 В. Операционный усилитель является распространенным составным элементом в аналоговых цепях, поскольку его рабочие характеристики могут изменяться в широких пределах с помощью небольшого набора дешевых электронных компонентов. Существуют сотни различных типов операционных усилителей. Схематическое изображение операционного усилителя показано на рис. 4.1.
|
|
|
Рис. 4.1. Схематическое изображение операционного усилителя
(на схемах присоединение к источнику питания обычно не показывается).
Выходное напряжение 
пропорционально разности двух входных напряжений
,
где G – коэффициент усиления. Даже небольшая разность входных напряжений вызывает существенное изменение выходного напряжения. В таком виде операционный усилитель является простейшей формой компаратора, поскольку даже очень малая разность входных напряжений выводит усилитель в режим положительной или отрицательного насыщения.
Так как коэффициент усиления очень большой, но непредсказуемый, операционный усилитель никогда не используется без какой-либо отрицательной обратной связи. На низких частотах (ниже 20 кГц) большинство схем обратной связи можно выполнить из различных пассивных элементов – резисторов и конденсаторов. Инвертирующий усилитель, или инвертор (рис. 4.2 а), имеет простейшую структур цепи обратной связи. Коэффициент усиления по напряжению – отношение выходного напряжения к входному
|
|
|
,
где
,
а G – коэффициент усиления самого операционного усилителя.
Величина G падает с возрастанием частоты сигнала, но, поскольку 
, коэффициент усиления по напряжению зависит только от величины сопротивлений в цепи обратной связи. Для идеального операционного усилителя коэффициент усиления выражается как отношение импеданса обратной связи к входном импедансу.
Цепь обратной связи, изображенная на рис. 4.2 б, называется повторителемнапряжения (voltage follower) или преобразователем импеданса (impedance transformer) Коэффициент усиления повторителя напряжения приблизительно равен 1. Если повторитель напряжения присоединен последовательно к измерительному преобразователю, имеющему высокий выходной импеданс, то новая система будет иметь те же характеристики, что и исходная, но выходной импеданс будет низким. В некоторых случаях сигнал необходимо усилить до того, как он будет подвергнут дальнейшей обработке.
Рис. 4.2. Схемы усилителя в режиме инвертора (а) и повторителя
напряжения (б)
Рис. 4.3. Дифференциальный усилитель.
Другая важная схема с операционным усилителем – дифференциальный усилитель (differential amplifier) (рис. 4.3). Как видно из названия, усилитель оперирует разностью между входными сигналами. Выражение для выходного напряжения имеет вид
|
|
|
.
Рассмотренные выше схемы с операционным усилителем представляют собой основные элементы, на базе которых создаются схемы согласования сигналов. Дополнительные функциональные возможности, например выделение или подавление специфических частот, легко достигаются изменением структуры соединения пассивных элементов между выходом и входом усилителя.
Выбор носителя сигнала для передачи измерительных данных от датчика к компьютеру зависит от нескольких факторов. Наиболее существенное соображение, которое следует принимать во внимание, – сигнал должен быть по возможности малочувствительным к электрическим возмущениям.
Передача сигнала напряжением. Каждый кабель обладает определенным погонным сопротивлением. Если входной импеданс последнего элемента в цепи – устройства обработки сигнала – не бесконечность, то по кабелю будет протекать ток и в результате произойдет падение напряжения. Если изменяется амплитуда сигнала, то некоторый ток потечет между проводами из-за распределенных емкостей. Следовательно, разумно всегда считаться с некоторым падением напряжения н линии передачи. Требование, чтобы устройства обработки имели высокий входной импеданс, приводит к тому, что они очень чувствительны к помехам. Следовательно, напряжение не слишком пригодно для передачи данных в случаях когда могут быть заметные помехи.
Одним из способов передачи сигнала напряжением является организация трехпроводной системы (рис. 4.4). По одному проводу течет постоянный ток для питания датчика, по другому поступают сигналы от датчика к согласующим и обрабатывающим устройствам, а третий провод является общим для обоих контуров Преимущество этого решения в том, что изменения сопротивления сигнального провода, например из-за колебаний температуры, не сказываются на сигнале: поэтому проводу не протекает ток и, следовательно, на нем нет падения напряжение Чувствительность к внешним помехам остается, однако, неизменной.
Главная причина популярности напряжения для передачи сигналов – это, с одной стороны, присущая этому методу простота, а с другой – широкая доступность устройств для усиления, фильтрации и других видов обработки. Например, если необходимо, чтобы один и тот же сигнал поступил на вход нескольких схем, достаточно соединить эти схемы параллельно (с учетом входного импеданса). Несмотря на это, напряжение не очень часто используется в промышленных системах, поскольку сигналы в них должны передаваться на большие расстояния и влияние источников помех может стать значительным.
Рис. 4.4. Подключение датчика в трехпроводной цепи.
По двум проводам течет постоянный ток; по сигнальному проводу ток не течет, следовательно, нет падения напряжения
Наиболее важные уровни сигналов напряжения стандартизованы (стандарт IEC381):
| от | +1 | до | +5 В |
| от | до | +5 В | |
| от | до | +10 В | |
| от | –10 | до | +10 В |
Передача сигнала током. Для передачи сигнала на значительное расстояние лучше использовать не напряжение, а ток, потому что он остается постоянным по длине кабеля, а напряжение падает из-за сопротивления кабеля. На конце кабеля токовый сигнал можно преобразовать в напряжение с помощью высокоточного шунтирующего резистора (рис. 4.5).
При передаче токовых сигналов выходное напряжение датчика преобразуется операционным усилителем в ток. Приемник – операционный усилитель на конце цепи – в идеале должен иметь нулевой входной импеданс. В действительности, импеданс определяется шунтом и обычно имеет порядок нескольких сотен Ом. Для тока 20 мА при сопротивлении шунта 250 Ом падение напряжения будет составлять 5 В. Если источник сигнала, т. е. преобразователь напряжения в ток, имеет высокий выходной импеданс, тогда любая помеха при передаче приведет к небольшому, обычно допустимому падению напряжения на шунте.
Токовые сигналы, как правило, используются на низких частотах до
10 Гц. При постоянном токе и идеальной изоляции сопротивление кабеля не влияет на сигнал, т. е. величина тока на входе приемника – обрабатывающей схемы – такая же, как на выходе источника сигнала. При переменном токе влияние емкостного эффекта становится заметным и часть тока будет теряться по длине кабеля, уход либо в обратный провод, либо в заземленный экран. Международный стандарт IEC 381 рекомендует для передачи сигналов диапазон токов 4-20 мА. Минимальный уровень сигнала определен как 4 мА, чтобы можно было обнаружить разрыв цепи (0 мА).
Рис. 4.5. Передача аналогового сигнала по токовой петле.
Преобразователь напряжения в ток – стандартный элемент цепи. Сигнал передается по витой паре, длина которой может достигать нескольких сот метров. Шунтирующий резистор для преобразования тока в напряжение в диапазоне от 0-2 до 10 В должен иметь величину порядка 500 Ом
Питание и датчика, и преобразователя и передача выходного сигнала могут осуществляться по одной и той же паре проводов. Это можно сделать при условии, что ток, потребляемый датчиком и преобразователем, не меняется, тогда любое изменение тока в цепи, очевидно, отражает работу датчика. Напротив, как было сказано ранее, передача сигнала напряжением требует трех кабелей.
Подводя итоги, можно сказать, что измерительная система, использующая ток для передачи сигнала и датчик, гальванически изолированный от выходного сигнал. имеет несколько преимуществ:
- удовлетворительно работает на протяженных коммуникациях;
- допускает простую процедуру проверки, поскольку величина тока 0 мА означает, что датчик отключен или линия разомкнута;
- обеспечивает хорошую защиту от помех;
- для системы достаточно только два провода, что позволяет снизить затраты.
Передача сигналов по оптоволоконному кабелю стала обычной практикой во многих измерительных и коммуникационных приложениях. Оптическая передача ин формации требует весьма сложного и, соответственно, дорогостоящего цифрового коммуникационного оборудования. С помощью светодиодов (light-emitting diode -LED) цифровые электрические сигналы преобразуются в световые импульсы, которые затем передаются по оптическому волокну. На приемном конце световые импульсы снова преобразуются в электрические сигналы с помощью оптоэлектронных датчиков.
Оптический сигнал невосприимчив к магнитным и электрическим помехам и обеспечивает абсолютную изоляцию. Этот способ передачи предпочтителен для больших расстояний (>1 км), а также в сложных условиях, например вблизи электродвигателей и преобразователей частоты. Применение оптических сигналов в технических системах обусловлено в большей степени их помехоустойчивостью, чем высокой пропускной способностью.
Дата добавления: 2015-12-21; просмотров: 18; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!