Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Измерители отношений сигналов



Измерение отношений является хорошим способом улучшения точности датчика, поэтому он широко применяется при построении интерфейсных схем. Однако сле­дует отметить, что этот метод работает, только когда источники погрешностей име­ют мультипликативную, а не аддитивную природу. Это означает, что этот способ, например, не может помочь снизить тепловой шум, но он очень полезен для умень­шения влияния на чувствительность датчиков таких факторов, как нестабильность источников питания, окружающая температура, влажность, давление, старение и т.д. Метод измерения отношений требует использования в системе двух датчиков, один из которых является активным, т.е. измеряющим внешнее воздействие, другой — компенсационным, который либо экранируется от измеряемых сигналов, либо не реагирует на них. Остальные внешние факторы воздействуют на оба датчика одина­ково, поэтому их рабочие характеристики также меняются одинаково. На вход вто­рого датчика, часто называемого эталонным, подается известный сигнал, обладаю­щий долговременной стабильностью и постоянством. Эталонный и активный дат­чики не обязательно должны иметь одинаковую природу, но требуется, чтобы они одинаково реагировали на дестабилизирующие факторы. На рис. 5.34Апоказан про­стой температурный детектор, в котором роль активного датчика выполняет терми-стор RТ с отрицательным температурным коэффициентом. Значение эталонного ре­зистора R0 равно сопротивлению термистора при некоторой заданной температуре (например, 25° С). Оба резистора подключаются к ОУ через аналоговый мультиплек­сор. Глубина ОС ОУ определяется резистором R. Сигналы на выходе ОУ при подсо­единении термистора и эталонного резистора определяются следующими соотно­шениями:

 

 

Из выражений видно, что оба напряжения зависят от напряжения питания Ек коэф­фициента усиления схемы. Источниками погрешностей здесь могут быть как резис­тор R, так и напряжение питания Е. Если оба напряжения подать на схему делителя, его выходной сигнал можно представить в виде: V0 = k VN IVD — kR0 /RT, где



5.6. Измерители отношений 215

 


к — коэффициент усиления делителя. Отсюда видно, что на выходной сигнал дели­теля не оказывает влияния ни напряжение источника питания, ни коэффициент усиления ОУ. Он только зависит от отношения сопротивлений датчика и эталон­ного резистора. Правда, это утверждение справедливо только тогда, когда напряже­ние питания и коэффициент усиления ОУ остаются практически неизменными в период мультиплексирования. Отсюда и определяется предельное значение часто­ты мультиплексирования.



В состав измерителя отношений всегда входит делитель, который может быть цифровым, и аналоговым. В случае цифрового делителя выходные сигналы обоих датчиков мультиплексируются и конвертируются в двоичные коды при помощи АЦП, после чего передаются в компьютер или микропроцессор, где и выполняет­ся сама операция деления. Аналоговый делитель часто является составной час­тью интерфейсной схемы. Выходной сигнал аналогового делителя (напряжение или ток), показанного на рис. 5.35А, пропорционален отношению двух входных напряжений (VD и VN) или токов:

 

 

При равенстве входных напряжений, коэффициент к равен выходному напряже­нию. Рабочие диапазоны переменных (рабочие квадранты) определяются поляр­ностью и пределами изменений входных напряжений. Например, когда VD и VN оба являются либо положительными, либо отрицательными, рабочим квадран­том является первый. А в случае, когда VN является биполярным, делитель отно­сится двухквадрантному типу. На напряжение VD обычно наложено ограничение: оно должно быть униполярным. Поскольку при переходе от одной полярности к другой происходит пересечение нулевой точки, в которой выходной сигнал ста­новится бесконечным (если только числитель в этот момент также не равен нулю). На практике VD является сигналом эталонного датчика, обычно имеющего посто­янное значение.

Деление всегда была самой сложной операцией для реализации в аналоговых схемах. Эта сложность исходит из самой природы деления: при приближении


6 Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

знаменателя к нулю, числитель резко возрастает. Поэтому идеальный делитель дол­жен иметь фактически бесконечный коэффициент усиления и бесконечный дина­мический диапазон. На практике оба эти фактора ограничены величиной дрейфа и шума при низких значениях VD; это значит, что коэффициент усиления делителя для числителя связан со значением знаменателя обратной зависимостью (рис. 5.35Б). Таким образом, на величину суммарной погрешности оказывают влияние несколько факторов, такие как зависимость коэффициента усиления от величины знаменателя, входные погрешности (смещение, дрейф и шумы, которые должны быть намного меньше минимальных значений входных сигналов) и т.д. В дополне­ние к этому, выходной сигнал усилителя должен оставаться постоянным при по­стоянном соотношении входных сигналов, вне зависимости от их значений; на­пример, 10/10=0.01/0.01 = 1 и 1/10=0.001/0.01=0.1

 

Рис.5.35. Схематичное обозначение делителя (А) и зависимость коэффициента усиления делителя от величины знаменателя (Б)

5.7. Мостовые схемы

Мостовая схема Уитстона является самой популярной схемой, используемой для измерения отношений. На рис. 5.36 показана принципиальная схема измеритель­ного моста. Импедансы ZMoryT быть как активными, так и реактивными, т.е. они могут быть и обычными сопротивлениями, как в случае пьезорезистивных дат­чиков, и конденсаторами, и индукторами. Для резис­торов импеданс всегда равен R, для идеального кон­денсатора Z=/2πƒC, а для индуктора Z =2πfL, где ƒ— частота тока, протекающего через элемент. Выход­ное напряжение моста определяется следующим со­отношением:



5 7 Мостовые схемы



 

где Vrefопорное напряжение

При выполнении следующего условия мост считается сбалансированным

 

Выходное напряжение сбалансированного моста равно нулю При изменении импеданса в любом плече моста, он выходит из состояния равновесия, и в зависи­мости от того увеличился или уменьшился этот импеданс, на выходе моста появля­ется либо положительное, либо отрицательное напряжение Для определения чув­ствительности выходного напряжения к изменению импеданса каждото плеча мо­ста (калибровочные коэффициенты) надо наши соответствующие частные произ­водные выражения (5 41)



 

Суммируя эти уравнения, получим выражение для чувствительности моста

 

Внимательный анализ уравнения (5 44) показывает, что для компенсации, таких явлений, как температурная нестабильность, дрейф и тд , идентичными должны быть только импедансы соседних пар (те Z1 и Z2, Z3 и Z4) Следует также отметить, что для уравновешивания моста необходимо только выполнение условия (5 42), им­педансы при этом не обязаны быть равными На практике, как правило, перемен ным делается только один импеданс моста Этим импедансом часто является



Глава 5. Интерфейсные электронные схемы


датчик. Пусть Z1, — импеданс датчика, тогда чувствительность моста определя­ется выражением:



Резистивные мостовые схемы часто используются при работе со струнными датчи­ками, пьезорезистивными преобразователями давления, термисторными термо­метрами и другими датчиками, где необходимо компенсировать влияние факторов окружающей среды. Подобные устройства также нашли свое применение при ра­боте с емкостными и магнитными датчиками, измеряющими давление, перемеще­ние, влажность и т.д.


5.7. / Неуравновешенный мост

Схема Уитстона (рис. 5.37А) часто работает в режиме несбалансированного моста. При включении в одно из плечей такого моста датчика получим измерительную систему, основанную на принципе рассогласования. Этот принцип заключается в оп­ределении напряжения в диагонали моста. Выходное напряжение моста является

нелинейной функцией разбаланса моста А. Для малых значений разбаланса (Δ<0.05), довольно часто встречающих­ся на практике, эту функцию можно счи­тать квазилинейной. Максимальная чув­ствительность моста достигается, когда R1=R2 a R3=R. Когда R]»R2 или R]«R2, выходное напряжение моста значитель­но уменьшается. Считая, что к = R1/R2 можно записать следующее уравнение чувствительности моста:

 

 

На рис. 5.38 показана нормирован­ная зависимость чувствительности моста от отношения импедансов, рассчитанная по этой формуле. Из графика видно, что максимальная чувствительность достига­ется при к = 1, а в диапазоне 0.5<к<2 чув­ствительность падает относительно мед­ленно. Если мост питается от источника тока, а не от источника напряжения, его выходное напряжение при малых значе­ниях Δ в мосте с одним переменным импедансом определяется выражением:


5.7. Мостовые схемы 2


где I— ток возбуждения.

 

5.7.2. Уравновешенный мост

Другой метод использования мостовых схем называется нуль-балансировкой. Вэтом методе решается проблема, связан­ная с ограничениями, накладываемыми на величину рассогласования моста для достижения хорошей линейности. Для корректной работы в этом режиме мос­товая схема в любой момент времени должна находится в уравновешенном состоянии. Для выполнения условия ба­ланса моста (5.42) импеданс плеча мос­та, соседнего с плечом, в котором рас­положен датчик, должен меняться так же как и импеданс датчика. На рис. 5.37Б проиллюстрирован принцип построе­ния такой схемы. Изменение величины сопротивления Я3 определяется сигна­лом усилителя рассогласования. Величина внешнего воздействия в данной сис­теме пропорциональна выходному напряжению, задаваемому управляющим уст­ройством. Пусть в схеме на рис. 5.37Б в обоих плечах стоят фоторезисторы Rv и R3 Величина сопротивления фоторезистора R3 может задаваться потоком излу­чений от СИД, управляемого усилителем рассогласования. При этом ток, проте­кающий через СИД, будет мерой сопротивления Rv, а, следовательно, и мерой интенсивности света, детектируемого датчиком.

5.7.3. Температурная компенсация резистивного моста

Резистивный мост Уитстона широко применяется при измерении температуры, силы, давления, магнитных полей и т.д. В большинстве случаев используемые ре­зисторы обладают температурной чувствительностью. Это приводит к появлению температурной чувствительности передаточной функции, которая может быть аппроксимирована линейной зависимостью (см. уравнение (2.1) во второй гла­ве). Для большинства датчиков, за исключением детекторов температуры, темпе­ратурная зависимость является очень нежелательным эффектом, который необ­ходимо компенсировать. Одним из способов компенсации является подключение к датчику устройства, выходной сигнал которого зависит от изменения температуры. Этот сигнал в дальнейшем используется для проведения либо аппаратной, либо про­граммной корректировки показаний датчика. Другой способ — встраивание такого устройства в саму мостовую схему. Проанализируем связь между выходным напряжением моста Уитстона и сигналом возбуждения Ve. Будем считать,



Глава 5 Интерфейсные электронные схемы


что импедансы всех четырех плечеи моста обладают одинаковой чувствительно­стью α к внешнему воздействию Если сопротивление каждого резистора выра­зить в виде

 

где R — номинальное значение сопротивления и s — внешнее воздействие (т е дав­ление, сила и тд), чувствительность можно определить как

 

Выходное напряжение моста соответствует выражению

где V0 — напряжение смещения, соответствующее начальному разбалансу моста Если мост плохо сбалансирован, это напряжение может стать причиной возник­новения значительных погрешностей Чтобы этого не происходило, дагчик необ­ходимо тщательно настраивать как при изготовлении, так и при эксплуатации В дальнейших рассуждениях будем считать, что значение V0 не зависит от темпера­туры,те dV0/dT=0 Однако в широких температурных диапазонах (больших±15°С) изменение величины V0 необходимо учитывать

Для большинства датчиков величина чувствительности а в выражении (5 48) зависит от температуры, что также является источником погрешностей Из выражения (5 49) следует, что а может меняться при изменении от температуры либо величины R, либо производной dR/ds Если мост обладает положитель­ным температурным коэффициентом сопротивления, ет о коэффициент α умень­шается с ростом температуры В этом случае также говорят, что он имеет отри­цательную температурную чувствительность Взяв частную производную выход­ного напряжения по температуре в уравнении (5 50), получим следующее выра­жение

 

 

 

Решение этого уравнения для случая, когда выходной сигнал не зависит от темпе­ратуры (i e дVout/дТ=0), имеет вид

 

 

Откуда получается выражение

 

 

гдеβ—температурный коэффициент чувствительности (ТКЧ) плеча моста



5.7. Мостовые схемы 111

 


Уравнение (5.53) является условием идеаль­ ной температурной компенсации симметрично­го моста Уитстона. Из этого выражения следу­ет, что для компенсации температурных изме­нений α, напряжение возбуждения Ve должно меняться с такой же скоростью, но с противо­положным знаком. Существует несколько схем, используемых для регулирования Ve [9]. Одна из них показана на рис. 5.39. В этой схеме ис­пользуется блок компенсации температуры, уп­равляющий напряжением Ve, питающим мост, по заранее определенной температурной зави­симости. Блок температурной компенсации мо­жет быть реализован несколькими способами:

Способ 1. В состав блока входит датчик тем­пературы. Такой блок может быть представлен через эквивалентный импеданс Rt, а мостовая

схема — через эквивалентное сопротивление Rb Тогда напряжение, поданное на мост, определяется выражением:


Ввзяв от этого выражения частную производную по температуре, получим:



 


Подставив (5.54) в (5.55), выведем условие компенсации:


 

 

Для моста с четырьмя температурно зависимыми импедансами плечей RB=R, a (1/R)(dR/dT)=γ. Коэффициент /называется температурным коэффициентом со­противлений в плечах моста (ТКС). В соответствии с уравнением (5.53) выражение (5.56) должно быть равным отрицательному ТКЧ:



Поскольку E не входит в это выражение, можно утверждать, что такой способ тем­пературной компенсации работает в широком диапазоне напряжений возбужде­ния (при использовании этой схемы необходимо помнить, что в ней не должно быть активных компонентов (диодов, транзисторов и т.д)). Для обеспечения



Глава 5. Интерфейсные электронные схемы


компенсации температуры Rt (должен входитьтемпературно чувствительный рези­стор (например, термистор), сопротивление которого определяется из уравнения (5.57). В этом методе необходимо так настраивать блок компенсации температуры, чтобы он обеспечивал компенсацию не только ТКЧ и ТКС, но и К. Несмотря на некоторую сложность, этот метод обеспечивает температурную компенсацию в ши­роком диапазоне температур: -20...+70°С, а при некотором снижении рабочих характеристик или усложнении компенсационного блока, этот диапазон расши­ряется до -40...100°С. На рис. 5.40А показан вариант блока компенсации темпера­туры, реализованного на основе термистора К с отрицательным температурным коэффициентом и нескольких регулировочных сопротивлений. Такой блок реали­зован в датчиках давления РМХ2010 фирмы Motorola, в которых в кремниевую подложку встраиваются резисторы температурной компенсации. Настройка этих резисторов осуществляется при помощи лазера при проведении процедуры калиб­ровки, что обеспечивает высокую температурную стабильность датчиков в широ­ком диапазоне температур.



(А)


Рис. 5.40. Температурная компенсация мостовых схем: А — при помощи термистора с отрицательным температурным коэффициентом, Б — при помощи постоянного резистора, В — при помощи источника напряжения, управляемого температурой, Г — при помощи источника тока



5.7. Мостовые схемы


Способ2.Компенсационный блок состоит из постоянного сопротивления. Этот способ является самым распространенным методом температурной компенсации резистивного моста Уитстона. Постоянный резистор Rt = Rc (рис. 5.40Б) должен обладать низкой температурной чувствительностью (менее 50х 106), тогда для него справедливо следующее утверждение:


Тогда:выражение (5.57) упрощается до вида



 


Из уравнения (5.57) можно получить выражение для компенсационного резистора RC

или

Знак минус означает, что уравнение справедливо только для отрицательного ТКЧ β. Таким образом, когда известны ТКЧ, ТКС и номинальные сопротивления в пле­чах моста, можно найти такое значение резистора Rc , установленного последова­тельно с источником напряжения Е, при котором получается удовлетворительная температурная компенсация схемы. Однако следует отметить, что в соответствии с уравнением 5.59, ТКЧ моста должна быть меньше его ТКС (|β|< γ). Поскольку Е не входит в выражение (5.61) (также как и в первом методе), компенсация таким спо­собом возможна в широком диапазоне напряжений питания. При использовании выражения (5.61) при выборе Rc может получиться очень большое значение ком­пенсирующего резистора, что не подходит для многих применений. Для снижения ТКС датчика иногда используют дополнительный резистор, включенный парал­лельно мосту. При большом значении резистора Rc этот способ компенсации ста­новится подобным четвертому методу, поскольку большой резистор ведет себя как квази-источник тока.

На первый взгляд такой способ температурной компенсации кажется очень при­влекательным — только один резистор позволяет компенсировать температурный дрейф. Однако этот метод не подходит для прецизионных датчиков и при работе в широком температурном диапазоне. Для точного выбора Rc необходимо знать конкретные зна­чения γ и β конкретных мостов. Определение этих параметров значительно повышает стоимость схемы, что также неприемлемо в ряде случаев. Поэтому Rc выбирают исходя из типовых, а не реальных значений, что может значительно увеличить погрешность


(((Г 224 Глава 5 Интерфейсные электронные схемы

(до 10 4/°С) В дополнение к этому большие резисторы Л. снижают выходное напряже­ние и уменьшают отношение сигнал/шум На практике такие компенсирующие схемы используются только в диапазоне температур 25±15°С

Способ 3 Здесь блок температурной компенсации состоит из температурно-чувстви тельного источника напряжения, (например, это может быть диод или тран­зистор) (Рис 5 40В) В этой схеме для получения наилучшей компенсации ТКЧ ft, температурная чувствит ельность βc источника напряжения Vc должна определяться следующим выражением

 


 

Поскольку βявляется параметром моста, подбирая Е и Vc, можно добиться опти­мальной температурной компенсации Но гак как в состав компенсационного уст­ройства входит источник напряжения, для выполнения условий компенсации здесь, в отличие от первых двух методов, необходимо учитывать и значение Е Очевидным достоинством этой схемы является простота, т к здесь используются диоды и тран­зисторы с хорошо изученными температурными характеристиками, которые мож­но найти в соответствующих справочниках Недостаток метода — необходимость работы при заданном напряжении Такая температурная компенсация использу­ется в диапазоне 25±25°С

Способ 4 (рис 5 40Г) В этой схеме в качестве схемы возбуждения использует­ся источник тока Для возможности применения данной схемы мост должен об­ладать следующих свойством его ТКС (J3) должен быть равен ТКЧ (а), но с проти­воположным знаком

а = -β (5 63)

Напряжение, приложенное к мосту, определяется выражением

 

Если источник тока является температурно зависимым, а для моста с четырьмя идентичными плечами справедливо, что RB=R, тогда


При условии выполнения условия (5 63) осуществляется идеальная температурная компенсация, определяемая выражением (5 52) К сожалению, этот метод компен­сации имеет такие же недостатки как и второй способ — снижение выходного напря­жения и необходимость использования индивидуальных характеристик конкретных



5.7. Мостовые схемы


датчиков в широком температурном диапазоне. Тем не менее этот способ хорошо работает в случаях, когда приемлема точность порядка 1-2% от полной шкалы из­мерений в температурном диапазоне более 50°С.

Из всего вышесказанного видно, что каждый метод температурной компен­сации имеет свои границы применения, и в каждом конкретном случае необхо­димо учитывать ряд факторов: температурный диапазон, допустимую температур­ную погрешность, окружающие условия, размеры, стоимость и т.д. К сожалению, универсального решения этой проблемы не существует, выбор способа температур­ной компенсации — это всегда компромисс между различными техническими ог­раничениями.

Мостовые усилители

Мостовые усилители резистивных датчиков являются одной из самых распрос­траненных интерфейсных схем. Они могут быть нескольких конфигураций. Вы­бор конфигурации зависит от требуемого способа заземления и от типа исполь­зуемого источника эталонного напряжения (заземленного или плавающего). На рис. 5.41А показан так называемый активный мост, в котором переменный резистор (датчик), включенный в цепь ОС ОУ, является плавающим (т.е. изоли­рованным от земли). Если резистивный датчик описать функцией первого по­рядка:

выражение для передаточной функции всей цепи будет иметь вид:

 

На рис. 5.41 Б показана схема с плавающим мостом и плавающим источником эта­лонного напряжения V. В этой схеме коэффициент усиления определяется резис­тором в цепи ОС, равным nR0:

 

На рис. 5.41 В показана схема с несимметричными резисторами (R≠R0). В этой схеме используется плавающий источник эталонного напряжения V. Передаточная фун­кция здесь определяется выражением:

При использовании заземленного резистивного датчика часто применяется схе­ма, показанная на рис. 5.41Г. Выражение для передаточной функции имеет вид:

 


226 Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

При точной балансировке моста выходное напряжение Vout равно половине напря­жения возбуждения моста + V. Для более эффективной работы ОУ значение п не должно превышать 50.

Рис. 5.41. Подключение ОУ к резистивному мосту.

Передача данных

Сигнал от датчика может передаваться в устройство обработки данных либо в цифровом, либо в аналоговом виде. На практике чаще используется цифровая передача данных. Для выполнения этого желательно датчик совмещать с АЦП. Передача данных в цифровом коде имеет ряд достоинств, самым главным из них является высокая помехозащищенность. Однако в этой книге методы передачи цифровой информации рассматриваться не будут. Здесь будут описаны способы передачи аналоговых сигналов, используемые тогда, когда цифровые методы при­меняться не могут. В зависимости от типа соединений они могут быть разделены на двух-, четырех- и шестипроводные способы передачи.

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.