Входные аналоговые цепи измерительных систем

Требования, предъявляемые к входным аналоговым узлам, определяются с одной стороны особенностями датчиков, с другой – требуемыми качественными параметрами и характеристиками по обработке и преобразованию сигнала (точностью измерения, быстродействием и т. д.), которые определяются местом и назначением измерительной системы.

В основу создания тех или иных измерительных датчиков могут быть положены самые различные физические принципы функционирования, но их общей особенностью является обычно крайне небольшой диапазон изменения выходного сигнала (напряжения, тока). Так, например, диапазон изменения выходного напряжения термопары ТХА при изменении температуры окружающей ее среды от 0 до +1 300 ^оС составляет всего 0… 55 мВ. Выходной сигнал некоторых датчиков при различных величинах внешнего воздействия может принимать различную полярность.

Таким образом, одной из основных и первой задачей системы ввода информации в измерительных системах является доведение сигнала до уровня, необходимого для нормальной работы последующих узлов и согласование полярностей сигналов. Иными словами – задача согласования диапазонов выходного сигнала датчика с диапазоном работы последующих узлов. Т. к. диапазоны работы измерительных узлов обычно определяются некоторыми типовыми (нормальными) значениями (±1 В, ±10 В, 0…10 В, 0… 20 мА и т. д.) такую задачу очень часто называют нормализацией входного сигнала.

Усиление сигнала может производиться с использованием самых разнообразных схем усилителей. Однако надо учитывать, что в большинстве случаев с датчика снимается дифференциальный сигнал, что определяет использование соответствующих схемотехнических решений. Для оценки качества усиления при условиях воздействия помех хорошим критерием является определение отношения сигнал/шум. При применении дифференциальных усилителей для получения высоких показателей этого критерия необходимо использовать схемы, обеспечивающие высокую степень подавления синфазной помехи. В большинстве случаев используются схемы, реализованные на основе операционных усилителей.

Примером такой схемы может являться схема, приведенная на рис.9. Входное сопротивление такого усилителя весьма велико:

Рис. Схема дифференциального усилителя с повышенным входным сопротивлением

Коэффициент усиления дифференциального сигнала определяется следующим образом:

К_u = .

Можно применять и более простые схемы усилителей, однако, следует учитывать, что качество входного усилителя существенно скажется на характеристиках всей измерительной системы в целом. Желание обойтись меньшим объемом аппаратных средств в этом случае не всегда себя оправдывает. Например, для приведенной схемы высокое входное сопротивление, возможность получения высоких значений К_диф. и коэффициента ослабления синфазного сигнала полностью "окупают" использование трех операционных усилителей.

Входные каскады не должны нагружать датчик, т.е. они должны иметь достаточно высокое входное сопротивление. Такая развязка достигается за счет установки на выходе датчика повторителя, например на операционном усилителе, или применения специальных схемотехнических приемов при построении входного усилителя.

Частотные свойства усилителя характеризуются скоростью нарастания выходного напряжения, которая определяется как скорость, с которой нарастает выходное напряжение усилителя при поступлении на его вход скачкообразного сигнала. Очевидно, что недостаточная величина этой скорости препятствует неискаженной передаче сигнала, ограничивает возможную ширину его спектра. Скорость нарастания S определяется из соотношения

Причем первой частью этого соотношения пользуются для оценки скорости нарастания при данном выходном сигнале с размахом U_вых и частотой ¦, а по второй части определяют либо максимально допустимую емкость нагрузки С_н при известном максимальном выходном токе I_{вых.мах} усилителя, либо требуемый выходной ток усилителя при известной емкости нагрузки. В конечном итоге, исходя из этих оценок, выбирается схема оконечного каскада усилителя и конкретные типы применяемых операционных усилителей.

Например, большую емкостную и низкую активную составляющие имеет входное сопротивление БИС АЦП параллельного типа (например, БИС широко распространенной серии К1107). И структура, и технология, используемая при изготовлении БИС, позволяют получить очень малое время преобразования постоянного сигнала. Однако если сигнал будет меняться, входная емкость может не успевать перезаряжаться со скоростью, соответствующей скорости изменения входного сигнала и сигнал собственно на входе БИС и на выходе предварительного каскада друг другу соответствовать не будут. Поэтому для возможности полного использования достоинств таких АЦП, именно как АЦП повышенного быстродействия, на их входе устанавливают усилитель с мощным выходным каскадом. Пример, такой схемы на операционном усилителе и с транзистором в выходном каскаде приведен на рис.10. Большой по величине выходной ток усилителя быстро перезаряжает входную емкость последующих блоков БИС АЦП и емкость не "затягивает" быстрые перепады входного напряжения.

Рис. Усилитель на ОУ с мощным выходным касакадом

При большой емкостной нагрузке могут наблюдаться резкие подъемы коэффициента усиления усилителя на некоторых частотах, а также увеличивается возможность его возбуждения. Однако эти эффекты можно компенсировать путем подключения параллельно цепи обратной связи усилителя конденсатора небольшой емкости.

Приведение диапазона входного сигнала к диапазону работы последующих блоков измерительной системы заключается не только в получении необходимых абсолютных значений сигналов, но еще и в согласовании их полярностей. Если входной сигнал принимает значения лишь одного знака, то получение заданной полярности сигнала на выходе усилительного блока достигается соответствующим использованием в нем инвертирующих или не инвертирующих усилителей.

Если входной сигнал двухполярный приведение его к одной полярности может производиться по-разному.

В простейшем случае он смещается в нужный диапазон за счет суммирования или вычитания соответствующего сигнала смещения на входе или выходе усилительного блока. Этот постоянный по величине сигнал смещения получают от специального источника. Этот сигнал может быть представлен как напряжением, так и током. Пример, проведения смещения диапазона работы инвертирующего усилителя в область положительных выходных напряжений при двухполярном входном напряжении приведен на рис.11.а. Если при этом за усилительным блоком стоит АЦП, то смещение выбирается обычно по величине таким, чтобы старший разряд преобразователя играл роль знакового (т. е. смещение осуществляется на величину равную половине шкалы АЦП).

Рис. 11. Формирование однополярного измеряемого напряжения подачей смещения

Для получения на выходе аналоговых узлов измерительного канала однополярного напряжения можно включить в усилительный канал дополнительный инвертирующий усилитель (рис.). Управление включением того или иного усилителя осуществляется компаратором, который следит за полярностью входного сигнала. При этом выходной сигнал компаратора играет роль знакового разряда выходного кода АЦП. Данную схему не всегда можно применять из-за больших погрешностей вносимых элементами коммутации и низкой скорости их срабатывания. Однако эта схема предпочтительнее по сравнению с предыдущей. Если в обоих случаях используется АЦП одной и той же разрядности, то во второй схеме сигнал закодировать удается с меньшей в два раза погрешностью дискретизации.

Рис.. Формирование однополярного измеряемого напряжения с использованием

дополнительного инвертирующего усилителя

В ряде случаев нужно иметь возможность формирования двухполярнго напряжения на выходе цифроаналогового канала. Для этого могут применяться подходы аналогичные рассмотренным выше. Смещение может производиться на выходе ЦАП. Если используется умножающий ЦАП смены полярности его выходного напряжения можно добиваться, меняя полярность опорного напряжения.

При построении схем измерительных каналов необходимо учитывать факт, что цепи, производящие смещение диапазона входного или выходного сигнала, одновременно позволяют производить и коррекцию смещения нуля.