2017-12-14
6399
В измерительных системах широко применяются резистивные первичные преобразователи, работа которых основана на изменении сопротивления под воздействием измеряемой величины. К ним относятся термометры сопротивления, тензометрические датчики, преобразователи линейных и угловых перемещений, влажности и т.п. Для вывода сигнала на измерительный прибор или ввода его в автоматическую систему необходим преобразователь сопротивления в напряжение (ПСН). Чаще всего преобразуемое сопротивление удалено от преобразователя на значительное расстояние. В этом случае необходимо оценивать погрешность, которую может внести сопротивление соединительных проводов, и при необходимости принимать меры по ее компенсации.
 |
При неизменном токе падение напряжения на резисторе пропорционально его сопротивлению. Таким образом, ПСН можно выполнить, включая преобразуемое сопротивление в качестве нагрузки стабильного источника тока. Простейшая схема ПСН представлена на рис. 6.1, а. Ее недостатками являются ненулевое (к тому же переменное) выходное сопротивление, равное измеряемому сопротивлению R x, и наличие погрешности от сопротивления соединительных проводов. Поэтому такую схему применяют в случаях, когда преобразуемое сопротивление находится в непосредственной близости от преобразователя, и входное сопротивление приемника сигнала достаточно велико, например, в мультиметрах.
|
|
|
Весьма низкое выходное сопротивление можно получить, включив измеряемое сопротивление в цепь обратной связи ОУ (рис. 6.1, б). К резистору R приложено опорное напряжение U 0, поэтому ток через него равен U 0/ R. Но этот же ток протекает через сопротивление R х, поэтому выходное напряжение ОУ
В некоторых случаях недостатком схемы рис. 6.2, б может явиться то, что преобразуемое сопротивление не заземлено.
Для преобразования сопротивления, один вывод которого заземлен, удобно использовать рассмотренную ранее схему преобразователя напряжения в ток (см. рис. 1.18, в). В качестве входного напряжения U следует использовать стабильное опорное напряжение U 0, выходное напряжение снимается с выхода ОУ. Схема ПСН принимает вид, показанный на рис. 6.1, в. Здесь ОУ совмещает сразу несколько функций: является основой стабилизатора тока, усиливает напряжение на измеряемом сопротивлении, определяемое выражением (1.11), и обеспечивает низкое выходное сопротивление. Выходное напряжение ПСН
У всех ПСН с двухпроводной соединительной линией сопротивление проводов суммируется с сопротивлением R х. Для устранения возникающей при этом погрешности применяется трех- и четырехпроводное соединение датчика с ПСН.
|
|
|
На рис. 6.2, а показано использование трехпроводного соединения. Сопротивление проводов линии обозначено r. Ток источника протекает последовательно по цепи r – R x – r – выход ОУ. Обозначим напряжение на верхнем по схеме выводе R x через U x, напряжение на выходе ОУ через U ОУ. Эти два напряжения связаны очевидными соотношениями:
Решая эти два уравнения совместно, находим: U x = – rI. Тогда
U вых = U x + I (r + R x) = IR x.
Таким образом, влияние соединительной линии полностью исключено. Выходное сопротивление рассмотренного ПСН равно R x, поэтому при работе на низкоомную нагрузку необходим буферный повторитель. Этот недостаток устранен в схеме с четырехпроводным соединением (рис. 6.2, б). Здесь напряжение на вход дифференциального усилителя подается непосредственно с R x, поэтому падение напряжения на сопротивлениях r 1 и r 4, вызванное протеканием тока I, исключено из контура измерения и не вносит погрешности. Входное сопротивление дифференциального уси 
лителя, определяемое выбором сопротивлений R 1 – R 4, обычно составляет десятки или сотни кОм, что исключает влияние сопротивлений r 2 и r 3.
6.2. Преобразователи напряжения в частоту
и частоты в напряжение
Преобразователи напряжения в частоту (ПНЧ) и преобразователи частоты в напряжение (ПЧН) используются для передачи информации по линиям связи, подверженным влиянию помех, поскольку вне зависимости от искажений сигнала в линии частота сигнала остается неизменной. Кроме того, первичный сигнал датчика может иметь вид изменяющейся частоты. Например, многие датчики частоты вращения формируют определенное число импульсов на каждый оборот вала; для ввода такого сигнала в аналоговую автоматическую систему или для вывода его на аналоговый измерительный прибор необходим ПЧН. Преобразование напряжения в частоту применяется также для получения цифрового отсчета, для этого достаточно подавать выходной сигнал ПНЧ на счетчик в течение эталонного интервала времени.
Преобразователи напряжения в частоту. Один из возможных принципов построения ПНЧ представлен на рис. 6.3. Входное напряжение преобразуется в пропорциональный ему ток, которым заряжается конденсатор. Когда напряжение на конденсаторе достигнет уровня срабатывания компаратора, одновибратор ОВ формирует короткий импульс, отпирающий разрядный ключ. Далее процесс повторяется.
|
В процессе зарядки напряжение на конденсаторе изменяется по закону
где k – коэффициент преобразования напряжения в ток. Компаратор переключается, когда U C(t) достигает уровня U 0. Если считать, что длительность разрядного импульса пренебрежимо мала по сравнению с его периодом, то U C(T) = kU вх T/C = U 0, откуда
На рис. 6.4, а показан пример реализации ПНЧ, основанной на этом принципе. Интегратор на ОУ DA1 совмещает функции преобразования напряжения в ток и заряда конденсатора. Компаратор с гистерезисом, выполненный на ОУ DA2, одновременно участвует в формировании разрядного импульса. Для правильной работы схемы необходимо выполнить соотношение R 4 > R 3 (рекомендуется R 4 ≈ 2 R 3).
Преобразование будет линейным, если длительность обратного хода напряжения интегратора (при отпертом диоде VD) пренебрежимо мала по сравнению с длительностью прямого хода, а для этого необходимо выбрать R2 << R1. Если оба ОУ имеют защиту от перегрузки по выходу, то можно R2 не устанавливать.
 |
Определим выходную частоту при условии, что R 2 = 0. Считаем положительное и отрицательное напряжения насыщения ОУ симметричными и равными ± U нас. Тогда переключение компаратора происходит, когда напряжение на выходе интегратора достигает порогового значения
Выходное напряжение интегратора во время прямого хода меняется по закону
|
|
|
 |
Длительность прямого хода, а значит и периода Т определяем из условия окончания прямого хода:
Отсюда находим выходную частоту:
(6.1)
На рис. 6.4, б представлена более компактная реализация этого же принципа. Линейность преобразования обеспечивается при R 3 << R 4. Так, при R 4 > 1000 R 3 погрешность не превышает 1 – 2 %. Поскольку напряжение конденсатора U С изменяется в очень узком диапазоне ± U нас R 3/(R 3 + R 4) ≈ ± U нас R 3/ R 4, то заряд конденсатора можно считать линейным. Тогда выходная частота определяется выражением (6.1).
Интересно, что в обеих схемах рис. 6.4 напряжение U вх ничем не ограничено и может многократно превышать напряжение питания; необходимо только ограничить входной ток соответствующим выбором R1. Обе схемы работают с положительным входным напряжением; для работы с отрицательным напряжением следует изменить полярность включения диода.
Промышленность выпускает ПНЧ в виде специализированных ИМС. Практически все модели ведущих фирм-производителей микросхем ПНЧ (ADFC32 фирмы Analog Devices и ее аналоги – отечественная модель КР1108ПП1 и VFC32 фирмы Burr-Brown, LM331 фирмы National Semiconductor, TC9401 фирмы TelCom) используют один и тот же метод – интегрирование входного сигнала с импульсной компенсацией заряда интегрирующего конденсатора (рис. 6.5).
Пусть на входе преобразователя постоянное положительное напряжение U вх. Тогда через конденсатор интегратора постоянно протекает ток I вх = U вх/R. При разомкнутом ключе К напряжение на выходе интегратора U инт линейно уменьшается, пока не достигнет нуля. В результате срабатывания компаратора запускается одновибратор G, формирующий импульс стабильной длительности t и. В течение импульса к входу интегратора подключается источник стабильного тока I 0, величина которого выбрана заведомо большей максимально возможного тока I вх, поэтому U инт возрастает до некоторой величины U m. Далее процесс повторяется. При увеличении U вх длительность паузы уменьшается, следовательно, частота выходных импульсов возрастает.
Средний заряд, получаемый конденсатором С от источника входного сигнала, пропорционален U вх, а средний заряд, поступающим от источника I 0, пропорционален выходной частоте. Так как напряжение на выходе интегратора изменяется в ограниченных пределах – между нулем и U m – то два указанных заряда уравновешивают друг друга. Анализ баланса зарядов приводит к выражению
|
|
|
(6.2)
Погрешность преобразования определяется нестабильностью величин t и и I 0. Отметим, что емкость интегрирующего конденсатора не входит в выражение (6.2), поэтому к ней не предъявляется жестких требований. Типичная погрешность преобразования ИМС ПНЧ – 0,01 % в диапазоне напряжения до 10 В и частот до 100 кГц.
Преобразователи частоты в напряжение. Возможны два способа преобразования. Первый основан на усреднении последовательности импульсов стабильной вольт-секундной площади, второй – на преобразовании периода в обратно-пропорциональное напряжение.
 | |||
 | |||
Первый способ показан на рис. 6.6, а. Каждый импульс входной частоты F вх запускает одновибратор G, формирующий импульс со стабильными амплитудой U m и длительностью t и. Фильтр нижних частот выделяет среднее значение импульсной последовательности
Эффективность сглаживания выходного сигнала может быть оценена таким показателем, как коэффициент пульсаций – отношение наибольшего значения переменной составляющей на выходе ФНЧ к постоянной составляющей. Так как высшие гармоники импульсного сигнала подавляются в ФНЧ значительно эффективнее, чем первая гармоника, то за наибольшее значение переменной составляющей можно принять амплитуду первой гармоники U 1m вых. Тогда коэффициент пульсаций k п = U 1m вых/ U вых. Коэффициент пульсаций принимает максимальное значение при минимальной частоте входных импульсов F вх min.
Величина t и выбирается обычно равной минимальному периоду входных импульсов, т.е. t и = 1/ F вх max. Диапазон изменения входной частоты при частотных измерительных сигналах, как правило, достаточно широк, так что при F вх = F вх min скважность входных импульсов много больше единицы. У такого сигнала амплитуда первой гармоники равна удвоенному среднему значению. Для эффективного сглаживания частота среза ФНЧ должна быть много меньше F вх min. При этом возникает запаздывание в передаче сигнала. В случае, если ПЧН используется в канале обратной связи системы автоматического регулирования, такое запаздывание ведет к ухудшению динамических характеристик системы, в частности, к уменьшению запаса устойчивости.
На рис. 6.6, б показана схема простого ПЧН, в котором роль формирователя импульсов стабильной площади играет дозирующий конденсатор С1. На вход схемы подаются импульсы напряжения прямоугольной формы и постоянной амплитуды U m. Конденсатор С1 в момент подачи положительного фронта заряжается через диод VD1 до амплитудного значения поданного сигнала. Постоянная времени заряда должна быть много меньше длительности импульса. С приходом отрицательного фронта накопленный заряд передается через диод VD2 на конденсатор С2. За каждый период конденсатор С1 переносит на конденсатор С2 заряд С 1 U m. За единицу времени на конденсатор С2 поступит заряд Q = F вх С 1 U m. Этот же заряд уходит в виде тока через резистор R2: Q = IR2 = U вых/ R 2. Таким образом, U вых = F вх С 1 R 2 U m.
Второй способ преобразования частоты в напряжение предусматривает формирование выходного сигнала по окончании каждого периода входных импульсов, что обеспечивает максимально возможное быстродействие. Один из вариантов выполнения такого преобразования показан на рис. 6.7.
Основной узел преобразователя – функциональный генератор импульсов ФГИ, который по каждому импульсу пуска формирует выходное напряжение, изменяющееся по закону u (t) = k / t. Входной формирователь импульсов ФИ1 в начале каждого периода вырабатывает короткий импульс, который записывает значение u (t) в устройство выборки-хранения УВХ, подобное рассмотренным в п. 3.4. По окончании импульса записи второй формирователь импульсов ФИ2 запускает ФГИ. Начальная амплитуда импульсов должна быть равна k / t з, где t з – время задержки начала формирования импульса ФГИ относительно начала периода, равное сумме длительностей импульсов ФИ1 и ФИ2. При этом условии в УВХ записывается значение
U вых = k / T = kF вх.
Недостатком такого преобразователя является сложность формирования зависимости k / t с высокой точностью.
Другой вариант построения быстродействующего ПЧН может быть основан на двойном преобразовании: Т → U → 1/ U. Преобразование периода в напряжение достаточно просто и точно выполняется при помощи генераторов пилообразного напряжения. Для обратнопропорционального преобразования напряжения может использоваться аналоговый умножитель в режиме деления (см. раздел 2.6).
Добавим в заключение, что упомянутые выше микросхемы ПНЧ могут быть использованы в режиме ПЧН путем изменения схемы включения.
Геллер Б.Л. КГТУ 2010
