Учебное пособие по интерфейсам систем промышленной автоматизации, страница 4

Например,подключение вольтметра может изменить токи и напряжения в цепи. Такой эффект называется эффектом нагрузки. Ошибки, вызванные эффектом нагрузки,могут превосходить все другие типы ошибок измерения; их следует предусматривать при соединении различных датчиков и устройств передачи/преобразованияинформации.Процедура уменьшения влияния эффекта нагрузки называется согласованиемсигналов. Она выполняется путём подбора значений входных и выходных импедансов (полных сопротивлений) соединяемых устройств.

Для согласования импедансов при подключении датчика к системе сбора данных может потребоватьсявключение одного или нескольких усилителей между датчиком и входом системы.16Подбор входных и выходных импедансовРассмотрим два усилителя (рис. 1.6), соединённых последовательно. Каждыйусилитель представлен в виде четырёхполюсника, ЭДС источника которого определяется формулойe = K ⋅ U вх .(1.4)Zвых1Zвх2Zвх1Uвх16.Uвх2e1Zвых2e2Рис. 1.6. Согласование импедансов последовательно соединённыхчетырёхполюсниковЗадав коэффициенты усиления К1 и К2, связывающие входные напряжения иЭДС можно получить следующие выражения.e1U вх2 =⋅ Z вх2 ,(1.5)Z вых1 + Z вх2e2 =К1 ⋅ U вх1Z вх2⋅ Z вх2 ⋅ К 2 = К1 ⋅ К 2 ⋅⋅ U вх1 .Z вых1 + Z вх2Z вых1 + Z вх2(1.6)Из выражения (1.6) видно, что значение ЭДС e2 будет стремиться к произведению К1·К2·Uвх1, если выходной импеданс первого четырёхполюсника Zвых1 будетнамного меньше, чем входной импеданс второго Zвх2, т.е. амплитудные искажениясигнала будут стремиться к нулю.

Кроме того, частотная характеристика устройства с двумя последовательно соединёнными усилителями не будет иметь значительных искажений, если их импедансы согласованы.Вообще говоря, устройство с высоким входным импедансом потребляетменьший ток при заданном напряжении и, соответственно, меньшую мощность.Устройство с низким входным импедансом потребляет больший ток при данномнапряжении. Поскольку оно отбирает большую мощность у предшествующего вцепи устройства, это может вызвать ошибки нагрузки. Напряжение, генерируемоеустройством с высоким выходным импедансом, чрезвычайно чувствительно кэффекту нагрузки.

Напротив, низкий выходной импеданс позволяет уменьшитьзависимость выходного напряжения от тока нагрузки. Для выходных сигналов ввиде силы тока картина прямо противоположная: высокий выходной импедансделает выходной сигнал менее подверженным влиянию токов нагрузки. Поэтомуво многих случаях требуется применение специальных согласующих электронных17устройств для усиления сигналов и приведения в соответствие импедансов. Вслучае сигналов в виде напряжений применяются усилители с высоким входнымимпедансом и низким выходным импедансом. Процедура согласования импедансов должна тщательно выполняться на каждом этапе.Электрические проводникиЭлектрические проводники являются средой, по которой электрические сигналы распространяются в пространстве.

Передаваемый по проводнику сигнал помере удаления от источника подвергается изменениям, определяемым физическими характеристиками линии передачи. Поэтому проводники должны рассматриваться как отдельный элемент системы «датчик – согласующие цепи – управляющий компьютер». Передача постоянного тока – простая задача в тех случаях,когда импеданс проводника мал по сравнению импедансом приёмника на концелинии.Передача импульсов или других быстро меняющихся сигналов порождает,как правило, некоторые проблемы.

Если длина линии такова, что время распространения сигнала соизмеримо с величиной периода сигнала или временем нарастания, возникают побочные эффекты (скорость света 300 м/мкс). Одним из такихэффектов является отражение сигналов.Передача электрического сигнала может осуществляться изменением уровнянапряжения относительно «земли» − провода с нулевым потенциалом. Такая цепьназывается несбалансированной (рис. 1.7, а).Другой способ передачи − использование сбалансированной цепи(рис. 1.7, б). В этом случае по обоим проводам двухпроводной цепи текут токи,имеющие одинаковые амплитуды и противоположную полярность.Преимущество сбалансированной цепи в том, что она менее чувствительна квнешним возмущениям; наоборот, эта цепь излучает меньшую энергию, поскольку электромагнитные поля отдельных проводников компенсируют друг друга. Сдругой стороны, сбалансированная линия является таковой только тогда, когдаона правильно смонтирована и обслуживается.

Несбалансированная цепь значительно более чувствительна к возмущениям, чем сбалансированная, но не требуетпочти никаких усилий для установки и эксплуатации.В качестве соединительных проводов в основном используются три типаэлектрических проводников – простая пара проводов, витая пара и коаксиальныйкабель. Соединительные провода измерительной схемы обычно называют сигнальными, в отличие от проводов, использующихся для подвода напряжения питания – силовых проводов.18eдUAeдUARпрRпрUBeдUUBUUAUAtUBtUBа)7.б)Рис.

1.7. Изменение сигналов в проводниках несбалансированной (а) исбалансированной (б) цепиДля организации несбалансированной цепи используется простая пара проводов. Обычно измерительные сигналы от нескольких датчиков, расположенныхрядом друг с другом передаются каждый по своей паре проводов, объединённых водин кабель.Дли систем, требующих более высокую точность измерений и защиту от помех, используется витая пара.

Витая пара состоит из двух изолированных медныхпроводов, свитых вместе. Электрическая цепь на основе витой пары может бытьсбалансированной и несбалансированной.Коаксиальные кабели содержат электрический проводник, изолированныйпластиковой оболочкой, которая окружена проводящим плетеным экраном. Благодаря своей геометрии коаксиальный кабель существенно несбалансирован. Заземлённый экран предотвращает рассеивание энергии с центрального проводника,которое на высоких частотах является весьма заметным возмущающим воздействием. И наоборот, экран предохраняет центральный проводник от влияния внешних возмущений.Естественно, коаксиальный кабель не может использоваться для организациисбалансированной цепи.

Область его применения − передача быстроизменяющихся сигналов.Электрические помехиКаждый провод в соединительных цепях датчика с обрабатывающим электронным устройством является потенциальным приёмником электрических помех. Помехи бывают двух видов – дифференциальные, когда ток помехи в сиг19нальных проводах течёт в разные стороны, и синфазные, когда ток помехи в проводах течёт в одну сторону. Также можно сказать, что дифференциальная помеха– это помеха между двумя сигнальными проводами, а синфазная – между сигнальными проводами и землей.Помехи, возникающие в электрическом проводнике, могут иметь различнуюприроду.

Обычно они вызваны одним из следующих типов связи между источником помех и проводником:• гальванической (резистивной, кондуктивной);• емкостной;• индуктивной (магнитной).Гальваническая связь между проводником и источником помех не зависит отчастоты возмущающего сигнала. При емкостной или индуктивной связи степеньвлияния, напротив, зависит от частоты помех – чем выше частота, тем большеэнергии получается от источника возмущений.

На практике это означает, чтоэлектрические цепи, в которых происходят быстрые изменения тока и/или напряжения, могут быть более серьёзными источниками помех, чем низкочастотные.Вообще говоря, взаимодействие с источником возмущений редко относится к одному типу, обычно – это комбинация всех трёх вышеперечисленных типов. Серьёзные проблемы возникают с маломощными сигналами расположенными вблизисиловых кабелей. Каждый провод в соединительных цепях датчика с обрабатывающим электронным устройством является потенциальным приёмником электрических помех.Чтобы создать для электронного оборудования среду, максимально свободную от наводок, постоянно проводится множество исследований и разработок.Целью является достижение электромагнитной совместимости в рамках электрических цепей, а также между различными цепями и системами.

Электрическийприбор должен, с одной стороны, быть нечувствительным к внешним помехам и,с другой стороны, не должен генерировать помех, которые могут оказать влияниена другую аппаратуру.Гальваническая связьКогда несколько электронных устройств одновременно имеют общий источник питания и/или общую землю, могут возникать взаимодействия резистивногохарактера.

Довольно часто встречающиеся источники помех – плохо заземлённыеэлектродвигатели и преобразователи частоты с полупроводниковыми вентилями.Один из способов избежать такого типа взаимодействия – обеспечить длячувствительного электронного оборудования выделенный источник питания.Другая возможность – это гальваническая развязка источников питания и аппара20туры. В этом случае прямая электрическая связь между различными источникамипитания и электрооборудованием отсутствует.Источником помех при передаче измерительного сигнала может быть и падение напряжения Uобщ на участке провода, общем для сигнала и некоторой нагрузки (рис.

1.8, а).В самом деле, если рассмотреть эквивалентную электрическую схему(рис. 1.8, б), то по второму закону Кирхгофа [7], падение напряжения наизмерительном приборе Uпр определяется выражениемU np = I д R пр = e д + U общ = e д + (e M − I M R M ) .(1.7)Т.е. помимо напряжения, генерируемого датчиком eд, измерительный прибор будет измерять ещё и падение напряжения на общем участке.

Вносимая погрешность будет тем сильнее, чем больше сопротивление общего участка провода. Решением описанной проблемы является подсоединение «земли» источника сигналак приёмнику отдельным проводом, который не используется ни для каких иныхцелей [8].IМRпрIдeдМRпрRобщeМeдIМUобщRобщIобщIобщeМRМIдUобща) Общий участок провода8.б) Эквивалентная электрическая схемаРис. 1.8. Паразитный ток Iобщ, протекающий по общему участку провода «земля», создаётпадение напряжения Uобщ.Емкостная связьЛюбые два проводника образуют конденсатор, ёмкость которого зависит отрасстояния между ними, диэлектрической проницаемости среды и геометрии проводников. Предположим, что рядом с сигнальным проводом проходит силовойпровод c переменным напряжением (рис.

1.9). Тогда напряжение Uпр, измеряемоеприбором будет определяться выражением [8]ωRэкв С экв(1.8)U пр = eд +⋅ eс ,21 + (ωRэкв С экв )где Rэкв = Rд Rпр (Rд + Rпр ) , C экв = C1C 2 (C1 + C 2 ) , ω – частота источника напря-жения ec.21Поскольку сопротивление приёмника должно стремиться к бесконечности поправилам согласования сигнала, емкостная наводка через паразитную ёмкостьмежду проводниками определяется величиной внутреннего сопротивления датчика Rд.