Interfaces

ИНТЕРФЕЙСНЫЕ СХЕМЫ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМСигнал от ЧЭ, измерительной схемы или датчика в целом может передаваться в устройство обработки данных в цифровом или в аналоговом виде. Цифровая передача является более эффективной сточки зрения помехозащищенности. Однако, на выходе измерительной цепи сигнал всегда аналоговый, и его необходимо передать к АЦП по более или менее длинной линии. Промежуточным звеноммежду датчиком и устройством обработки данных является интерфейсная схема, преобразующая выходной сигнал датчика в формат устройства обработки данных. Входной импеданс интерфейснойсхемы Z и Rиразличен для высоких и низких частот. Так, на низких частотах, схема обла1  jRиCидает сравнительно малой входной емкостью, и ее импеданс определяется главным образом активнойсоставляющей.

Поэтому на низких частотах Z и  Rи . С ростом частоты сигнала Z и уменьшается.Для обеспечения эффективной передачи сигнала от датчика к устройству обработки данных необходимо согласовать характеристики интерфейсной схемы с параметрами конкретного датчика. Т.к.входное напряжение схемы зависит от частоты U вх   / 1+(f/f гсх ) , то для передачи сигнала, на2пример от резистивного датчика (он относится к датчикам первого порядка) к интерфейсной схеме спогрешностью не более 1 % граничная частота f гсх схемы должна превышать f г датчика в 7 раз:f гсх  7 f гОбычно на входе интерфейсной схемы установлен ИУ, который имеет ограниченную ширину полосы пропускания.

Поэтому при построении интерфейсных схем стремятся использовать быстродействующие элементы для обеспечения максимально широкополосного канал передачи сигналов.1. Аналоговые схемы передачи сигналовВ зависимости от типа соединений различают двух-, четырех - и шестипроводные способы передачи сигналов.Цепь датчикаЦепь контроллераUвыхRнПередатчикИзмерительнаясхемаРегулировкануляРис. 2.21.UипРегулировкадиапазонаДвухпроводной канал передачи аналоговых данныхДвухпроводные аналоговые каналы передачи данных (передатчики) используются для сопряжениядатчиков с соответствующими контроллерами в промышленных системах управления технологическими процессами.

По двухпроводной линии можно передавать сигнал в форме напряжения или тока. Вкачестве промышленного стандарта обычно используют ток, изменяющийся в пределах 4...20 мА, который позволяет отображать весь диапазон внешних сигналов: 4 мА соответствует нулевому внешнемусигналу, 20 мА –– максимальному. В схеме на рис.

2.21 связь между датчиком и контроллером осуществляется при помощи двух проводов. Для этого на выход измерительной цепи подключается так называемый двухпроводной передатчик, в роли которого может выступать преобразователь напряжения вток, конвертирующий сигнал датчика в ток. Со стороны контроллера подсоединяется источник напряжения, обеспечивающий передачу тока до 20 мА.

Такая схема, получившая название «токовой петли»,состоит из измерительной цепи датчика, передатчика, источника питания и последовательно включенного сопротивления нагрузки. При изменении сигнала датчика меняется и выходное сопротивление передатчика, что приводит к модуляции тока в диапазоне 4...20 мА. Питание измерительной цепи ипередатчика осуществляется непосредственно током сигнала, минимальное значение которого составляет 4 мА. Информационным сигналом в схеме является падение напряжения на сопротивлении нагрузки Rн , расположенном на стороне контроллера. Достоинство двухпроводной передачи –– независимость величины тока от сопротивления соединительных проводов, т.е.

от длины линии связи.Довольно часто датчик имеет достаточно низкое сопротивление (к примеру, резистивный датчиктемпературы или пьезодатчик), а подключать его приходится к удаленной интерфейсной схеме. Вэтом случае, сопротивление соединительных проводов оказывается соизмеримым с собственнымсопротивлением датчика и начинает влиять на напряжение питания измерительной цепи. Для устранения этого влияния применяют так называемый четырехпроводный передатчик (рис. 2.22), которыйпозволяет измерять сопротивление удаленной резистивной измерительной цепи без учета сопротивления соединительных проводов. В этой схеме два провода подсоединяются к источнику тока, а два оставшихся провода - к вольтметру. Источник постоянного тока, как уже отмечалось, имеет очень высокий выходной импеданс, поэтому ток в цепи практически не зависит от сопротивлений проводов.Вольтметр имеет очень высокий входной импеданс, поэтому ток из токового контура через него практически не течет.

Падение напряжения на ЧЭ Z д равно U вых  Z д I ип и не зависит от сопротивленийR1 , R2 , R3 и R4 соединительных проводов.R1IипI=0R2ZдR3UвыхI=0ВольтметрR4Рис. 2.22. Четырехпроводной канал передачи аналоговых данныхЧетырехпроводный канал передачи данных часто используется в промышленных системах управления.При удаленном подключении мостовой резистивной схемы для обеспечения постоянства напряжения питания моста используют шестипроводный канал передачи данных (рис.

2.23). В этой схеме двапровода питают мостовую схему напряжением, а еще два провода служат для измерения напряжения вдиагонали моста. Вольтметр, имеющий высокий входной импеданс и незначительный входной ток,измеряет действующее напряжение питания Uип и дифференциальное выходное напряжение Uвыхмоста. При таком способе подключения исключается влияние сопротивления соединительных проводов.IипR1R2ZдI=0I=0R3R4I=0I=0R5UвыхВольтметрR6Рис. 2.23.Шестипроводной канал передачи аналоговых данных2. Способы защиты от шумов в датчиках и интерфейсных схемахШумы в измерительных и интерфейсных схемах датчиков являются источниками погрешностей.Можно выделить две основные группы шумов: собственные (внутрисхемные) шумы и вносимые шумы (интерференционные помехи), источники которых находятся за пределами схемы.Как уже отмечалось ранее, отклонения сигнала датчика от истинного значения могут быть либо сис-тематическими, либо стохастическими (случайными).

Первый тип погрешностей зависит от вида передаточной функции датчика, его линейности, динамических характеристик и т.д. Общим для всех систематических погрешностей является то, что все они определяются конструкциями датчиков, производственными допусками, качеством материалов и калибровкой. Все перечисленные характеристики могутбыть описаны математически и определены экспериментально.

Стохастические погрешности наоборотносят случайный характер, являются непредсказуемыми и могут меняться очень быстро. Их обычно называют шумами.Собственные шумы, как правило, подчиняются закону Гаусса, в то время как вносимые трудно описать статистическими методами. Они могут быть периодическими, нерегулярно повторяющимися и случайными. Обычно их удается значительно снизить, используя фильтрацию, развязку электрических цепей, экранирование проводников и компонентов, исключение паразитных контуров заземления использование малошумящих источников питания и др. В таблице 2.10 приведены некоторые источникивносимых помех, их типичные значения и способы борьбы с ними.Таблица 2.10Некоторые источники вносимого шумаВнешние источникиТипичные значенияСпособы борьбы100 пАЭкранирование, исключение паразитных контуров заземления, изоляция источников питанияФильтрацияИсточники питания с частотой 50 ГцИмпульсные источники питания с частотой 100 Гц3 мкВБроски напряжения на частоте I50 Гц от трансформаторов, работающих на частоте 50 ГцРадиостанцииИскрение при переключенииВибрации0,7 мкВИзменение пространственной ориентации компонентовЭкранированиеФильтрация частоты 5-100 МГц, исключение паразитных контуров заземления и экранирование1мВ1мВ10 пА (10 – 100 Гц)Вибрации кабеляПечатные платы (токи утечки)Контроль механических соединений100 пАИспользование малошумящих кабелейДо 10 пА (ниже10Гц)Очистка платы, тефлоновая изоляцияЧаше всего электрические помехи попадают в схему через паразитные емкости, существующие практически везде.

Так, человек, стоящий на диэлектрическом покрытии, и земля образуют емкость более 500 пФ, а паразитная емкость между электродами оптронной пары превышает 3 пФ.CпCп1UшZдℰшаCп2Uш= 0ZдℰшбРис. 2.24. Емкостная связь (а) и электрическое экранирование (б)На рис. 2.24, а показана емкостная связь между источником электрического шумаш и датчиком с внут-ренним импедансом Z д через переходной конденсатор Cп . Импеданс датчика может быть чисто резистивнымили комбинированным. Напряжение на датчике зависит от частоты шума, величины паразитной емкости Cпи импеданса Z д .

Например, внутренний импеданс пьезоэлектрического детектора можно представить в видепараллельного соединения конденсатора 30 пФ и резистора 50 ГОм. Если такой датчик через конденсатор 1пФ присоединить к двигающемуся человеку, тело которого обладает поверхностным электростатическимзарядом, может возникнуть статическое напряжение величиной до 1000 В. Если предположить, что частотадвижений человека составляет 1 Гц, наводка на датчике при этом будет равна 30 В, что в 3...5 раз выше величины полезного сигнала датчика.2.1. Электрическое экранированиеПомехи, вызванные электрическими полями, можно значительно снизить при правильном экранировании датчика и интерфейсных схем, особенно их высокоимпедансных и нелинейных компонентов.При этом важно заметить, что некорректное экранирование может только уменьшить точность датчика.

Правильно проведенное экранирование ограничивает распространение шума в соседние схемы(рис. 2.24, б). Если источники помех находятся внутри самого устройства, экраны выполняются в виде металлических коробов и размещаются только над критичными участками. Шумы электрическойприроды эффективно гасятся металлическими корпусами, поскольку заряд не может существовать навнутренней поверхности замкнутой проводящей поверхности. Источником шума, как правило, является элемент схемы, на котором образуется переменный электрический потенциал. В результате возникшей емкостной связи появляется напряжение U ш .

Ток и напряжения шума равны соответственно:Iш гдеUш,Z  ZпUш ш1ZпZш — ЭДС шума, Z п — импеданс паразитной емкости на рабочей частоте.Например, при Cп = 2.5 пФ, Z д = 10 кОм, и ш = 100 мВ, на частоте 1,3 МГц выходной шум составит20 мВ. При использовании электрического экрана ток образуется только в левой части схемы, а в правойчасти ток будет равен нулю, т.к. в ней отсутствуют источники сигналов.

Поэтому, напряжение шума наимпедансе Z д также оказывается равным нулю.ЭкранZнДатчикОпорный потенциалаZнДатчикОпорный потенциалбZнДатчикUшвРис. 2.25. Правильное (а, б) и неправильное (в) подсоединениесигнального кабеля к линии с опорным потенциаломПри экранировании схем необходимо соблюдать следующие требования:1. Электростатический экран следует подсоединять к внутренней точке защищаемой схемы, имеющейопределенный опорный потенциал.

(Его часто используют при организации «сигнальной земли»). Еслиодин из сигнальных выводов датчика подсоединен к земле, экран также должен быть соединен с землей.Если ни один из выводов датчика не подключен к точке заземления, заземлять экран бесполезно.2. При использовании экранированных проводов их экранировка должна быть подсоединена к точке сопорным потенциалом только со стороны источника сигнала (рис 2.25, а).3. Если экран разбит на секции, экраны всех секций должны соединяться последовательно. К линии сопорным потенциалом секционный экран подсоединяется в единственной точке — со стороны датчика.4.