Тема 3 (Раздаточные материалы)

Тема 3. Измерительные и интерфейсные схемы  датчиков

План занятия

1. Основные положения

2. Потенциальное включение и токовая схема

3. Параметрические и генераторные схемы датчиков

4. Измерительные усилители

5. Схемы сопряжения датчиков с цифровыми устройствами

6. Интерфейсы измерительных систем

1. Основные понятия и определения

Датчик является двухполюсником и может состоять как из пассивных, так и из активных элементов. Двухполюсник из пассивных элементов характеризуется сопротивлением, датчик с активными элементами (т.е. содержащий генераторы напряжения и генераторы тока) характеризуется внутренним сопротивлением (или импедансом).

• Электрический импеданс — комплексное сопротивление Z = R(jw) двухполюсника для гармонического сигнала.

• Внутреннее сопротивление — импеданс в эквивалентной схеме двухполюсника, состоящей из последовательно включённых генератора напряжения и импеданса.

• Входное сопротивление  (например, Z_н) — внутреннее сопротивление двухполюсника, которым является вход системы.

• Выходное сопротивление  (Z_д) — внутреннее сопротивление двухполюсника, которым является выход системы.

• Источник ЭДС является физической абстракцией – его внутреннее сопротивление равняется нулю, в то время как внутреннее сопротивление источника напряжения не равно нулю и обратно пропорционально его мощности.

1. Потенциальное включение и токовая петля

Величина искажений сигнала зависит от импедансов источника питания, датчика и схемы:

• для уменьшения искажений сигнала датчик с токовым выходом должен обладать максимально большим выходным импедансом, а интерфейсная схема – минимальным;

• при использовании потенциального соединения – наоборот, датчик должен иметь низкий импеданс, а схема – высокий.

Чаще всего датчик является источником сигнала с большим внутренним сопротивлением и для правильного согласования каскадов необходимо подобрать нагрузку с ещё большим входным сопротивлением. Для согласования каскадов, т.е. увеличения или уменьшения выходного сопротивления используют буферные усилители.

Т оковая петля используется с датчиками, построенными по токовой схеме, т.е. имеющими токовый выход. В этих схемах сила тока в любой точке замкнутой электрической цепи одинакова, а значит, на удалённом считывающем значение прибора индикаторе сила тока будет точно такой же, как непосредственно на выходе.

Питание токовой петли может осуществляться от передатчика (активный передатчик) или от приемника (активный приемник).

1. Параметрические и генераторные схемы датчиков

3.1. Параметрические измерительные схемы

1. Мостовые измерительные схемы

4 . Измерительные усилители

Основные характеристики ИУ

• коэффициент усиления K_U (от 10³ до 10⁸);

• коэффициент ослабления синфазных напряжений Kос.сф (от 60 до120 дБ);

• напряжение смещения U_см, характеризующее несимметричность входного каскада и равное напряжению, которое надо подать на усилитель, чтобы сигнал на его выходе обратился в нуль (от 0,01 до 100 мВ);

• входной (дифференциальный) импеданс Z_вх, равный отношению изменения дифференциального напряжения на входах ИУ к изменению входного тока (от 10⁴ до 10⁹ Ом);

• частота единичного усиления f_у1, определяющая полосу пропускания ИУ; она соответствует частоте высокочастотного сигнала, при котором коэффициент усиления падает до значения K_U = 1 (от 10⁵ до 10⁸ Гц);

• коэффициент выходной импеданс Z_вых.

Структура и принцип расчета операционного усилителя

При расчете схем ИУ применяют следующую модель усилителя:

• К_U = ¥ на низких частотах, причем с ростом частоты уменьшение К_U не должно превышать 20 дБ/дек;

• R_вх = ¥, R_вых = 0.

Коэффициент усиления ИУ определяется только свойствами цепи обратной связи и не зависит от параметров самого усилителя.

АЧХ и ФЧХ каскада усилителя подобны характеристикам датчиков первого порядка:

Схемы включения операционных усилителей

5. Схемы сопряжения датчиков с цифровыми устройствами

Различают три основные технологии интеллектуальных датчиков:

• ASIC (Application Specific Integrated Circuit);

• SoC (System on a Chip);

• SiP (System in a Package).

5.1. Аналого-цифровое преобразование

Дискретизация (sampling) — представление непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений, взятых через определенный промежуток времени — период дискретизации T_д:

Квантование — замена текущего значения амплитуды выходного аналогового сигнала датчика ближайшим по величине фиксированным значением из соответствующего уровня квантования:

Спектр оцифрованного сигнала

При дискретизации аналогового сигнала происходит значительное расширение спектра полученного импульсного сигнала. Это вызвано появлением в спектре высших гармоник, расположенных вокруг гармоник частоты дискретизации.

В спектре импульсного сигнала вокруг частот, кратных fд появляются по две зеркальных копии спектра исходного аналогового сигнала.

При квантовании сигнала, также как и при его дискретизации появляются высокочастотные составляющие, обусловленные наличием ступенек в оцифрованном сигнале. Чем больше ступенек содержит сигнал, т.е. чем меньше разрешение квантователя (и точнее преобразование), тем шире спектр сигнала.

1. АЦП

Коммерчески выпускают АЦП разных типов, отличающихся по быстродействию и погрешности преобразования (точности). Точность АЦП однозначно связана с его разрешением Dк, т.е. разрядностью, в то время как быстродействие зависит не только от частоты дискретизации, но и от принципа преобразования, т.е. типа АЦП. Например, в АЦП параллельного типа преобразование происходит за один цикл дискретизации, а в АЦП последовательного типа – за несколько. Поэтому, частота преобразования не соответствует тактовой частоте генератора АЦП.

5.3. Устройства выборки-хранения

6. Интерфейсы измерительных систем

Под интерфейсом (от англ. interface — граница раздела) обычно понимают совокупность устройств и способов передачи информации между отдельными элементами системы. В сенсорных системах роботов применяют аналоговые и цифровые интерфейсы.

параллельные

Для соединения отдельных элементов микропроцессорной сенсорной системы друг с другом используют цифровые интерфейсы. При их классификации используют критерий параллельности/последовательности передачи данных.

• В параллельных интерфейсах каждый сигнал передается по отдельной физической линии, которые объединяют в шины: шину данных, шину адреса и шину управления. Число линий шины данных соответствует разрядности передаваемого цифрового сигнала, т.е. разрядности контроллера датчика и его АЦП.

• В последовательных интерфейсах информация передается по нескольким проводам. Самая простая схема такого интерфейса, состоящая из сигнального и общего проводов, называется однопроводной.

Различают три режима передачи данных:

• симплексный – передача данных только в одном направлении;

• полудуплексный – попеременная передача данных, когда источник и приемник последовательно меняются местами;

• дуплексный – одновременные передача и прием сообщений.

При передаче данных цифровые интерфейсы используют два режима синхронизации:

• асинхронный (старт-стопный) – режим передачи данных, при которой интервалы времени между направляемыми блоками данных не являются постоянными;

• синхронный – режим передачи данных, использующий согласование таймеров передающего и принимающего устройств, при этом биты передаются кадрами.

1. Асинхронный приемопередатчик UART

В этом устройстве происходит преобразование данных из параллельного формата данных контроллера в последовательный при передаче, и наоборот при приеме. UART использует дуплексный режим, при котором порт приемника Rx (вход UART) и порт передатчика Tx (выход UART) могут работать одновременно, независимо друг от друга.

1. Последовательные интерфейсы серии RS

1. Интерфейсы микроконтроллеров

Двунаправленная шина I2C, содержит всего два сигнальных провода – SDA (Serial Data — линия данных) и SCL (Serial Clock — линия синхронизации). Интерфейс SPI использует четыре сигнальных провода.