Входные характеристики интерфейсных схем

Если датчик не оснащен встроенной электронной схемой, формирующей выходной сигнал в определенном формате, его практически никогда не удается напрямую под­ключить к процессору, монитору или другой регистрирующей аппаратуре. Обычно сигнал на выходе датчика бывает либо слишком зашумленным, либо очень слабым, либо содержит нежелательные составляющие. В дополнение к этому его формат мо­жет не соответствовать формату системы приема данных. Для подключения датчика к процессорному устройству, как правило, требуется промежуточное согласующее устройство. Другими словами, выходной сигнал необходимо преобразовать к опре­деленному виду (кондиционировать) перед тем как подать в устройство обработки данных (подключить к нагрузке). Для нагрузки входным сигналом обычно является либо ток, либо напряжение. Схема согласования сигналов часто называется интер­фейсом между датчиком и последующими устройствами. Ее основная цель — преоб­разование сигнала датчика в формат, совместимый с нагрузкой. На рис. 5.1 показан внешний сигнал, действующий на датчик, подключенный к нагрузке через интер­фейсную схему. Для эффективной работы интерфейсу приходится быть «слугой двух господ»: датчика и нагрузочного устройства. Его входные характеристики должны быть совместимы с выходными параметрами датчика, а выходные — с входным фор­матом нагрузки. Поскольку эта книга посвящена датчикам, в ней будут рассмотрены только входные цепи интерфейсных схем.

Входная часть интерфейсной схемы характеризуется несколькими стандарт­ными параметрами, показывающими насколько точно схема может преобразо­вать сигнал датчика и какой вклад она внесет в общую погрешность.

Входной импеданс показывает насколько сильно интерфейс нагружает датчик. Он может быть выражен в комплексном виде:

где V и I -плексные числа, соответствующие напряжению и току через вход­ной импеданс. Например, если входную часть интерфейсной схемы представить в виде параллельного соединения входного сопротивления R и входной емкости С (рис. 5.2А), входной импеданс в комплексном виде можно записать как:

174 Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

где ω - круговая частота, a -мнимая единицаНа очень низких частотах схема обладает относительно небольшой входной емкостью, и ее входной импе­данс определяется сопротивлением R, поэтому можно считать, что в этом случае Z≈R. Следовательно, реактивная часть уравнения (5.2) становится очень малень­кой, т.е. выполняется следующее соотношение:

Рис. 5.1. Интерфейсная схема согласует форматы сигналов датчика и нагрузоч­ного устройства.

При рассмотрении входного импеданса интерфейсной схемы всегда необходимо учитывать выходной импеданс датчика. Например, если датчик имеет емкостную природу, для определения частотных характеристик входной части интерфейса емкость датчика должна быть подсоединена параллельно его входной емкости. В формуле (5.2) предполагается, что входной импеданс является функцией частоты внешнего сигнала. С увеличением скорости изменения сигнала входной импе­данс уменьшается.

Рис. 5.2. А — комплексный входной импеданс интерфейсной схемы, Б — эквивалентная схема датчика с выходным сигналом в виде напряжения

На рис. 5.2В показана эквивалентная схема датчика с выходным сигналом в виде напряжения. В состав схемы входят два импеданса: выходной импеданс датчика Z_out

5.1. Входные характеристики интерфейсных схем

входной импеданс интерфейса Z_in Выходной сигнал датчика представлен в виде ис­точника напряжения Е, соединенного последовательно с выходным импедансом. Для некоторых типов датчиков выходной сигнал удобнее представлять в виде ис­точника тока, включенного параллельно с выходным импедансом датчика. Оба эти варианта идентичны. В этой книге будет рассматриваться представление выходно­го сигнала через источник напряжения. С учетом двух импедансов входное напря­жение интерфейсной схемы можно записать в виде:

Для каждого конкретного случая необходимо определять свою собственную экви­валентную схему датчика. Это требуется для исследования частотных характерис­тик и фазовых задержек комбинации двух устройств: датчик-интерфейс.Напри­мер, емкостной детектор можно представить в виде конденсатора, соединенного параллельно входному импедансу интерфейса, а пьезоэлектрический датчик - в виде параллельного соединения резистора с очень большим сопротивлением(по­рядка 10¹¹OM)и конд-ра семкостью порядка10 пФ.

Для иллюстрации необходимости определения входного импеданса схемы со­гласования рассмотрим чисто резистивный датчик, подсоединенный ко входу ин­терфейса, показанный на рис. 5.2А. Входное напряжение схемы зависит от часто­ты, что можно описать выражением:

гдеƒ_с=(2πRC)¹-частота перегиба АЧХ, т.е. частота, при которой амплитуда умень­шается на 3 дБ. Если требуется определить амплитуду сигнала с точностью 1%, частота входного сигнала, подаваемого на вход схемы, не должна превышать сле­дующего значения:

Это значит, что входной импеданс интерфейсной схемы должен обеспечивать полу­чение достаточно высокого значения частоты перегиба. Например, если максималь­ная частота внешнего сигнала составляет 100 Гц, частота перегиба должна быть не менее 700 Гц. На практике стремятся реализовать^ как можно выше, чтобы не вно­сить дополнительных ограничений по частоте для последующих схем.

При разработке согласующих схем необходимо анализировать быстродействие их входных элементов. Обычно на входе интерфейсов стоят операционные уси­лители (ОУ), имеющие ограниченную частотную полосу пропускания. Существу­ют, так называемые, программируемые ОУ с регулируемым током смещения, по­зволяющие управлять входными частотными характеристиками схемы. Чем боль­ше ток, тем выше быстродействие.

На рис. 5.3 показана более подробная эквивалентная схема входных цепей пас­сивного интерфейса, состоящего, например, из ОУ или АЦП (здесь слово пассивный

I 76 Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

означает, что согласующая схема не гене­рирует никаких сигналов возбуждения). Схема состоит из входного импеданса Z_m и нескольких генераторов, представляю­ щих напряжения и токи, формируемые внутри схемы. Все эти сигналы являются паразитными и, если их не компенсиро­вать, могут причинить много проблем. К тому же они меняют свои значения в за­висимости от температуры.

Напряжение е₀ называется входным напряжением смещения. При закорочен­ных входных выводах друг на друга это напряжение соответствует величине постоянной составляющей сигнала на входе схемы. Следует отметить, что источник напряжения смещения подключен последо­вательно ко входу схемы, что указывает на независимость этой погрешности от вели­чины выходного импеданса датчика.

Ток i₀ называется током смещения. Для многих биполярных транзисторов его величина довольно велика, для полевых транзисторов с управляемым/?-я переходом она гораздо ниже, а для КМОПсхем - совсем незначительна. Этот ток может приве­сти к серьезным проблемам в случаях, когда в состав датчиков и интерфейсов входят компоненты, обладающие высоким импедансом, поскольку, проходя через входные цепи интерфейса и выходные цепи датчика, он вызывает паразитное падение напря­жения. Это напряжение будет тем выше, чем больше импеданс этих цепей. В некото­рых случаях оно может быть довольно значительным. Например, если пьезоэлектри­ческий датчик подсоединить к схеме с входным сопротивлением 1 ГОм (10⁹ Ом), при токе смещения 1 нА (Ю^-9 А) паразитное напряжение на входе интерфейса составит: 1 ГОмх 1 нА = 1 В, что довольно существенно. В отличие от напряжения смещения, ток смещения приводит к появлению ошибки, пропорциональной выходному им­педансу датчика. Эта погрешность незначительна для датчиков с низким выходным сопротивлением. Например, индуктивные детекторы нечувствительны к величине или изменениям тока смещения.

(А) (Б)

Рис.5.4. А — ток утечки, возникающий на плате, приводит к изменению характеристик входных цепей интерфейса, Б — активное экранирование входных цепей

б-

5. /. Входные характеристики интерфейсных схем

При работе с высокоимпедансными схемами к большим погрешностям может при­вести ток утечки, возникающий из-за низкого поверхностного сопротивления печат­ных плат. Источниками возникновения тока утечки могут быть: плохое качество матери­ала плат, загрязнение поверхности остатками припоя (плохо очищенные платы), влага и плохое покрытие. На рис. 5.4А показан путь тока утечки: через шину питания, сопро­тивление платы R_L и выходной импеданс датчика. Если датчик имеет емкостную приро­ду, ток утечки очень быстро зарядит его выходную емкость. Паразитный ток утечки не только приводит к появлению погрешности, но и может вывести датчик из строя.

Существует несколько способов снижения токов утечки. Один из них — правиль­ная разводка платы, когда высоковольтные проводники отделены от высокоимпеданс-ных компонентов. Погрешностями, вызванными утечками по толщине многослойных плат, на практике можно пренебречь. Другой способ — самый старый - электрическая защита. Так называемое, активное экранирование является довольно эффективной за­щитой входных цепей. Для этого входные цепи окружаются проводящим экраном, под­соединенным кточке, потенциал которой равен потенциалу на входе интерфейса. Такая защита позволяет поглощать токи утечки, возникающие на разных участках платы, и значительно уменьшать токи, способные достичь входных выводов. Для более эффек­тивной защиты с двух сторон печатной платы иногда формируют активные экранирую­щие контуры.

Всегда надо стремиться располагать интерфейсные схемы, обладающие высоким импедансом, как можно ближе к датчикам. Однако избежать соединительных линий не всегда удается. В таких случаях рекомендуется использовать коаксиальные кабели с хорошей изоляцией [1]. Самой лучшей считается изоляция из полиэтилена или пер­вичного (непереработанного) тефлона. Также необходимо помнить, что даже очень ко­роткие отрезки кабеля могут значительно сократить ширину полосы пропускания. Это­го можно избежать, используя цепь обратной связи, компенсирующую влияние экрани­рованного кабеля. На рис. 5.4Б показан повторитель напряжений, соединенный с ин­вертирующим входом усилителя. Повторитель управляет потенциалом на экране кабе­ля, что позволяет снизить емкость кабеля, токи утечки и паразитные напряжения, воз­никающие вследствие изгибов в кабеле. Конденсатор небольшой емкости, подключен­ный к неинвертирующему входу повторителя, улучшает его стабильность.

Также следует избегать подсоединения ко входу усилителя любых компонен­тов, помимо самих датчиков, поскольку они являются потенциальными источни­ками помех. Например, для подавления высокочастотных помех на вход интер­фейса или в цепь обратной связи входных устройств часто ставятся фильтрующие конденсаторы. Если в целях экономии либо денег, либо пространства разработчик решит использовать для этого керамический конденсатор, он может столкнуться с неожиданным эффектом. Многие конденсаторы (особенно керамические) облада­ют, так называемым, эффектом «памяти». Если такой конденсатор подвергается воздействию всплеска напряжения: либо от датчика, либо от блока питания, либо от внешнего источника помех, он быстро заряжается, а для разряда ему может по­требоваться время от нескольких секунд до многих часов. Пока этого не произой­дет, он будет вести себя как маленькая батарейка, напряжение от которой будет складываться с сигналом датчика, что может привести к значительным ошибкам в

7-Дж Фрайдси

178 Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

результатах измерений. Если избежать использования конденсаторов во входных цепях невозможно, надо вместо керамических применять пленочные конденсато­ры, в которых эффект памяти практически отсутствует.

Усилители

Большинство пассивных датчиков обладают очень слабыми выходными сигналами. Их величина часто не превышает нескольких микровольт или пикоампер. С другой стороны входные сигналы стандартных электронных устройств обработки данных, таких как АЦП, частотные модуляторы, различные регистраторы и т.д. должны быть гораздо выше: порядка вольт или миллиампер. Поэтому для подключения датчиков к таким устройствам требуются промежуточные усилители с коэффициентами уси­ления по напряжению до 10 000, а по току до 1 000 000. Усилители, как правило, являются одной из составных частей интерфейсных схем. Существует несколько стан­дартных схем усилителей для подключения различных типов датчиков, реализован­ных на дискретных компонентах: транзисторах, резисторах, конденсаторах и катуш­ках индуктивности. Но в настоящее время чаще всего используются усилители, по­строенные на основе ОУ и пассивных дискретных компонентах.

Следует понимать, что назначение усилителей не ограничивается только фун­кцией увеличения амплитуды сигнала. Они могут также использоваться для со­гласования устройств по импедансу, для улучшения соотношения сигнал/шум, в качестве фильтров и изоляторов между входами и выходами.

Поиск по сайту: