Рекомендации по использованию АЦП

Соблюдение некоторых простых правил при использовании АЦП будет гарантией того, что мы получим от него наибольшую отдачу.

Используйте полный входной диапазон АЦП. Если входной сигнал изменяется только от 1 до 3,5В при использовании АЦП с входным диапазоном 0...5В, погрешность преобразователя фактически удваивается. Чтобы предотвратить это неоправданное ухудшение рабочих характеристик преобразователя, используйте предварительное масштабирование сигнала для обеспечения максимально возможного соответствия диапазона его изменения и входного диапазона АЦП.

Используйте хорошие источники опорного сигнала. Температурный и временной дрейфы опорного сигнала проявляются как погрешность усиления и поэтому должны удерживаться на минимальном уровне. Прецизионный интегральный источник опорного сигнала — хороший выбор для большинства применений.

Обращайте внимание на скорость изменения входного сигнала. Изменения входного сигнала в течение времени преобразования приводят к погрешности усиления в АЦП последовательного приближения. Если характер изменения входного сигнала непредсказуем, используйте УВХ. Модели УВХ общего назначения довольно дешевы. Используйте высококачественные полипропиленовые или полистирольные конденсаторы в качестве запоминающих конденсаторов в УВХ.

Применяйте отдельные общие провода для цифровых и аналоговых схем. Цифровые сигналы создают большие выбросы тока на общих проводах. Общие провода аналоговых и цифровых компонентов схемы должны быть отдельными и должны соединяться только в одной общей точке.

Добивайтесь минимизации помех и не забывайте о нагрузочных характеристиках схем. Стремитесь к уменьшению погрешностей входного аналогового сигнала, вызываемых земляными контурами, синфазными наводками и другими помехами, с помощью технических приемов, описанных в гл. 2. Вводите адекватное шунтирование (танталовый конденсатор емкостью 10мкф — для пульсаций и керамический конденсатор емкостью 10 или 100нФ – для импульсных помех) каждой ТТЛ ИС в цифровой части схемы. Не нагружайте управляющие линии более чем двумя ТТЛ БИС или используйте буферные схемы. Буферные схемы имеются на выходе большинства АЦП, но может потребоваться дополнительная буферизация, если выходные линии, по которым передаются данные, имеют достаточно большую длину или если к выходу АЦП подключено несколько других устройств.

 

(дополнительный материал: ЛР №4 ” ИИС на примере контроллера SSJKS4. Исследование работы АЦП”.)

 

 

5.5 Применение унифицирующих преобразователей.

 

Основное назначение унифицирующих преобразователей связано с приведением аналоговых измерительных сигналов к диапазону стандартных значений (например установленных ГОСТ 9895-78 и ГОСТ 26013-81). Применение унифицирующих элементов расширяет возможности использования ИИС, делает их более универсальными. В то же время выполнение некоторых операций унификации сигналов (в частности, масштабирование) связано с введением дополнительных погрешностей в конечный результат измерения и контроля.

Основные функции, выполняемые унифицирующими элементами, сводятся к линейным (установление нуля, температурная компенсация, масштабирование) и нелинейным (линеаризация) преобразованиям сигналов от измерительных цепей с датчиками, а также к уменьшению влияния на них помех.

Унифицирующие преобразователи могут быть индивидуальными, связанными с одним датчиком, и групповыми, работающими с несколькими измерительными цепями. Групповые унифицирующие элементы обычно используются в системах, имеющих коммутаторы сигналов измерительных цепей. При применении групповых унифицирующих элементов особенно важно, чтобы выполнялись условия правильного согласования их точностных и динамических характеристик с характеристиками коммутатора и других элементов измерительного тракта.

 

(см. также масштабные усилители, амплитудные ограничители, формирователи импульсных сигналов, триггеры Шмидта…)

 

5.6 ЗАЩИТА ВХОДНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ ИИС ОТ ПОМЕХ, [Л.2, глава 2, с.61-84]

[Л.1, глава 7, с.121], [Л.12, часть 1] /notebook1_2001_1.pdf/.

 

Под помехоустойчивостью ИИС понимается их способность противостоять вредному влиянию помех. Основные пути повышения помехоустойчивости ИИС связаны с улучшением защиты от помех аналоговых измерительных цепей систем и с уменьшением влияния помех на результат измерения, главным образом, путем соответствующей обработки измерительной информации в ИИС.

Учитывая, что помехоустойчивость ИИС в значительной степени определяется защитой от помех аналоговых входных измерительных цепей, далее в сжатом виде рассматриваются основные способы такой защиты.

5.6.1 Виды и источники помех

 

Помехи могут вызываться процессами, происходящими внутри ИИС, а также влиянием внешних источников помех. Причинами внутренних помех могут служить тепловые шумы в резисторах, термо-ЭДС, изменение сопротивления изоляции, перекрестные влияния измерительных цепей, связи измерительных цепей с цепями питания. К внутренним помехам могут быть также отнесены изменения напряжения источников питания, превышающие допустимые: не считается помехой только кратковременное (от 1 до 30 периодов частоты сети) понижение напряжения сети питания до 30% номинального, полный перерыв в питании может быть до 5 периодов частоты сети (100 мс). Кроме того, через сеть питания могут проникать импульсные высокочастотные возмущения (до 20 МГц) с повышенной амплитудой и длительностью до нескольких микросекунд.

Внешние атмосферные помехи возникают в результате разрядов молний, возникающих в большом количестве (до сотен разрядов в секунду) на Земле, а также от электризации частиц (пыли, снега и т. п.) в атмосфере Земли.

К другому виду внешних электрических помех относятся индустриальные помехи, создающиеся промышленными установками, радиостанциями, электрооборудованием автотранспорта и т. п.

Расположенные вблизи измерительных цепей электроэнергетические установки и силовая проводка питания являются основными источниками так называемых наведенных, или поперечных, помех. Эти помехи являются следствием воздействия внешних электромагнитных полей, а также реактивных связей измерительных цепей с источниками помех. В свою очередь такие факторы, как изменение сопротивления изоляции (например, от влияния повышенной температуры), появление разности потенциалов в разных точках заземления аналоговой измерительной цепи, тепловые шумы могут явиться источниками помех другого вида, которые носят название продольных.

 

Если параллельно измерительным проводам проходят силовые провода, то из-за наличия взаимной индуктивности ЭДС, наводимая на измерительных проводах, может быть найдена из выражения

Е = -Mdi/dt = -2·10⁷ ln(a12a21 / a11a22) (di/dt),

где / — длина проводов; М — коэффициент взаимной индуктивности; I — ток в проводах; a — расстояние между проводами.

Нужно учитывать и емкостные связи между проводами. Так, при длине соединительных линий 30 м, погонной емкости 150-10~¹² Ф/м и сопротивлении линии 100 Ом может быть получено напряжение помехи порядка 15,5-10-³ В при напряжении на силовых проводах 220 В.

По форме помехи любого происхождения разделяются на импульсные, флуктуационные и регулярные.

Импульсные помехи — это случайно появляющиеся импульсы (но обычно с интервалом не менее длительности импульса) произвольной формы.

Весьма широко используется разделение помех на аддитивные, независимые от полезного сигнала, и мультипликативные. Аддитивные помехи y(t) могут суммироваться с полезным сигналом x(t), а мультипликативные помехи служат множителем этого сигнала.

5.6.2 Основные способы защиты от помех

Для оценки эффективности защиты от помех далее используется коэффициент ослабления помех 20 log (п.вх/п.вых), дБ.

К общим мерам уменьшения влияния помех следует отнести использование вида модуляции сигналов, обеспечивающего нужную помехоустойчивость, и повышение уровня полезного сигнала. Рациональный выбор вида модуляции сигналов может быть сделан, если известен характер помех.

Для повышения уровня полезного сигнала используется переход к импульсной модуляции. Предполагается, что при переходе от AM- к АИМ-сигналу удается сокращением длительности импульса повысить его амплитуду. Предел такому повышению сигнала ставят тепловые, временные ограничения, а в некоторых случаях — электрическая прочность элементов измерительной цепи. При использовании импульсного питания измерительных цепей с тензорезисторами, закрепленными на поверхности металлической детали с достаточной теплоемкостью, удается повысить полезный сигнал более чем на порядок и ослабить влияние помех до 20 дБ. Нужно отметить, что длительность импульса, постоянные времени измерительной и тепловой цепей должны быть такими, чтобы за время измерения тепловой режим изменился незначительно.

Для уменьшения влияния продольных помех используется ряд мер. Одна из них — гальваническое разделение частей цепи, в которых имеются места заземления. Гальваническое разделение производится преимущественно с помощью трансформаторов и разделительных конденсаторов. Другая мера — симметрирование входной измерительной цепи.

Наконец, используются мостовые цепи, сбалансированные по напряжению продольной помехи, и компенсирующие трансформаторы. Имеются трансформаторы (фирма Philips), у которых индуктивность обмоток равна 400 Гн, а активное сопротивление — 240 Ом; в такой схеме происходит уменьшение продольной помехи 50 Гц примерно в 500 раз.

 

Защита измерительных цепей от внешних наведенных (поперечных) помех достигается рядом мер, к числу которых относятся уменьшение длины проводов за счет приближения к датчикам аналого-цифровых измерительных устройств, а также сближение и скрутка проводов, идущих к датчикам. При скрутке проводов ЭДС, наводимые в отдельных элементарных контурах, вычитаются, и благодаря этому удается уменьшить влияние поперечных помех на измерительные провода на несколько порядков.

Применяют также магнитное и электростатическое экранирование входных цепей от низкочастотных и высокочастотных магнитных полей. Экраны должны иметь замкнутую поверхность, охватывающую измерительную цепь и отдельно источники переменного тока. Части систем с разными потенциалами или имеющие гальванические развязки должны иметь свои экраны. Экранировка проводов может ослабить наведенные помехи 50 Гц до 30 дБ.

Компенсировать наведенные помехи можно путем организации специальных контуров. Типичные решения при этом связаны с трехпроводными схемами подключения датчиков (см. предыдущий параграф), применением компенсирующего трансформатора и др. При использовании параметрических датчиков можно изменять полярность питания измерительной цепи и брать среднее из суммы и разности полезного сигнала и_с и помехи u_ti:[(u_u + uc) +(Uu —"с)]/2.

При синусоидальной наведенной помехе возможно выполнение измерений в моменты, когда помеха принимает допустимо малый размер. При таком методе удается получить значительное ослабление помехи.

Для уменьшения внутренних помех целесообразно провода питания прокладывать и экранировать отдельно от измерительных проводов с низким уровнем полезного сигнала, коммутация сигналов высокого и низкого уровней должна проводиться отдельными коммутаторами. В необходимых случаях следует использовать специальные средства защиты от перерывов питания.

Должны быть продуманы места заземления измерительных цепей. Некоторые из таких мест определяются правилами электробезопасности или технологическими приемами монтажа элементов измерительной цепи (например, присоединением спая термопар к металлической поверхности). Некоторые точки заземления могут появиться в процессе измерительного эксперимента, например, из-за нарушения сопротивления изоляции, что может привести к организации контуров, вызывающих дополнительные погрешности. Такие контуры образуются, если заземлять экраны в нескольких точках. При проектировании системы рекомендуется составить и проанализировать схему заземления, а при наладке — уточнить ее.

Дальнейшее повышение помехоустойчивости может быть достигнуто обработкой суммы сигнала с помехой, имеющей случайный характер, в аналоговом или цифровом виде. Наиболее часто встречающиеся здесь виды обработки — это фильтрация и накопление сигналов, в течение которого происходит усреднение.

В интегрирующих аналого-цифровых преобразователях ослабление влияния помех может достигать 100 дБ.

Индивидуальные фильтры, как правило, просты (обычно однозвенные RС-фильтры). Их частотная характеристика выбирается, исходя из спектральных характеристик сигналов и помехи.

 На практике при фильтрации и избирательном усилении удается ослабить помехи на 40 дБ, а при методе накопления—на 120 дБ.

При проектировании аналоговых измерительных цепей выбирается такой комплекс средств защиты, при котором действие помехи не превышает заданного уровня.

 

(дополнительный материал: ”Защита от помех датчиков и соединительных проводов систем промышленной автоматизации” см. в /notebook1_2001_1.pdf/.)

 

6. Интерфейсы.

6.1 Интерфейсы измерительных каналов. [Л.12, часть 1] /energetic1_1999_3.pdf/.

6.2 Интерфейсы каналов связи. [Л.12, часть 1] /energetic1_1999_3.pdf/.

6.2.1 Последовательный интерфейс RS-232 (COM-port). [Л.13]

 

Последовательный интерфейс для передачи данных использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно. Отсюда название интерфейса и порта. Последовательная передача позволяет сократить количество сигнальных линий и увеличить дальность связи. В ряде последовательных интерфейсов применяется гальваническая развязка внешних (обычно входных) сигналов от схемной земли устройства, что позволяет соединять устройства, находящиеся под разными потенциалами.

Последовательная передача данных может осуществляться в асинхронном или синхронном режимах. При асинхронной передаче каждому байту предшествует старт-бит, сигнализирующий приемнику о начале посылки, за которым следуют биты данных и, возможно, бит паритета (четности). Завершает посылку стоп-бит, гарантирующий паузу межцу посылками. Синхронный режим передачи предполагает постоянную активность канала связи. Посылка начинается с синхробайта, за которым сразу же следует поток информационных бит. Если у передатчика нет данных для передачи, он заполняет паузу непрерывной посылкой байтов синхронизации.

Асинхронный обмен в PC реализуется с помощью СОМ - порта с использованием протокола RS-232C. На рис. 3.1.1.1 приведены схемы соединения приемников и передатчиков, а также показаны ограничения на длину линии (L) и максимальную скорость передачи данных (V).

Рис. 3.1.1.1. Интерфейс RS-232C

 

Интерфейс предназначен для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные (ООД – оконечное оборудование данных или АПД - аппаратура передачи данных; DTE - Data Terminal Equipment), к оконечной аппаратуре каналов данных (АКД, DCE - Data Communication Equipment). В роли АПД может выступать компьютер, принтер, плоттер и другое периферийное оборудование. В роли АКД обычно выступает модем. Конечной целью подключения является соединение двух устройств АПД. Полная схема соединения приведена на рис. 3.1.1.2. Интерфейс позволяет исключить канал удаленной связи вместе с парой устройств АПД, соединив устройства непосредственно с помощью нуль-модемного кабеля (рис. 3.1.1.3).

 

 

Рис. 3.1.1.2. Полная схема соединения по RS-232C

Рис. 3.1.1.3. Соединение по RS-232C нуль-модемным кабелем

 

Стандарт описывает управляющие сигналы интерфейса, пересылку данных, электрический интерфейс и типы разъемов. В стандарте предусмотрены асинхронный и синхронный режимы обмена, но СОМ-порты поддерживают только асинхронный режим.

Стандарт RS-232C использует несимметричные передатчики и приемники - сигнал передается относительно общего провода - схемной земли (симметричные дифференциальные сигналы используются в других интерфейсах - например, RS-422). Интерфейс НЕ ОБЕСПЕЧИВАЕТ ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКИ устройств. Логической единице соответствует напряжение на входе приемника в диапазоне -12...-3 В. Для линий управляющих сигналов это состояние называется ON( "включено"), для линий последовательных данных - MARK. Логическому нулю соответствует диапазон +3...+12 В. Для линий управляющих сигналов состояние называется OFF ("выключено"), а для линий последовательных данных - SPACE. Диапазон -3...+3 В - зона нечувствительности, обусловливающая гистерезис приемника: состояние линии будет считаться измененным только после пересечения порога (рис. 3.1.1.4). Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах -12...-5 В и +5...+12 В для представления единицы и нуля соответственно. Разность потенциалов между схемными землями (SG) соединяемых устройств должна быть менее 2 В, при более высокой разности потенциалов возможно неверное восприятие сигналов.

Интерфейс предполагает наличие ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ для соединяемых устройств, если они оба питаются от сети переменного тока и имеют сетевые фильтры.

Подключение и отключение интерфейсных кабелей устройств с автономным питанием должно производиться при отключенном питании. Иначе разность невыровненных потенциалов устройств в момент коммутации может оказаться приложенной к выходным или входным (что опаснее) цепям интерфейса и вывести из строя микросхемы.

Рис. 3.1.1.4. Прием сигналов RS-232C

 

Для интерфейса RS-232C специально выпускаются буферные микросхемы приемников (с гистерезисом и передатчиком двуполярного сигнала). При несоблюдении правил заземления и коммутации они обычно являются первыми жертвами "пиротехнических" эффектов. Иногда их устанавливают в "кроватках", что облегчает замену. Часто буферные схемы входят прямо в состав интерфейсных БИС. Это удешевляет изделие, экономит место на плате, но в случае аварии оборачивается крупными финансовыми потерями. Вывести из строя интерфейсные микросхемы замыканием сигнальных цепей маловероятно: ток короткого замыкания передатчиков обычно не превосходит 20 мА.

Стандарт RS-232C регламентирует типы применяемых разъемов.

На аппаратуре АПД (в том числе на СОМ-портах) принято устанавливать вилки (male - "папа") DB-25P или более компактный вариант - DB-9P. Девятиштырьковые разъемы не имеют контактов для дополнительных сигналов, необходимых для синхронного режима (в большинстве 25-штырьковых разъемов эти контакты не используются).

На аппаратуре АКД (модемах) устанавливают розетки (female - "мама") DB-25S или DB-9S.

Это правило предполагает, что разъемы АКД могут подключаться к разъемам АПД непосредственно или через переходные "прямые" кабели с розеткой и вилкой, у которых контакты соединены "один в один". Переходные кабели могут являться и переходниками с 9- на 25-штырьковые разъемы (рис. 3.1.1.5).

Рис. 3.1.1.5. Кабели подключения модемов

 

Если аппаратура АПД соединяется без модемов, то разъемы устройств (вилки) соединяются между собой нуль-модемным кабелем (Zero-modem или Z-modem), имеющим на обоих концах розетки, контакты которых соединяются перекрестно по одной из схем, приведенных на рис. 3.1.1.6.

Рис. 3.1.1.6. Минимальный нуль-модемный кабель

 

Если на каком-либо устройстве АПД установлена розетка - это почти стопроцентный признак того, что к другому устройству оно должно подключаться прямым кабелем, аналогичным кабелю подключения модема. Розетка устанавливается обычно на тех устройствах, у которых удаленное подключение через модем не предусмотрено.

В табл. 2.1 приведено назначение контактов разъемов СОМ- портов (и любой другой аппаратуры АПД). Контакты разъема DB-25S определены стандартом EIA/TIA-232-E, разъем DB-9S описан стандартом EIA/ TIA-574. У модемов название цепей и контактов такое же, но роли сигналов (вход-выход) меняются на противоположные.

Подмножество сигналов RS-232C, относящихся к асинхронному режиму, рассмотрим с точки зрения СОМ-порта PC. Следует помнить, что активному состоянию сигнала ("включено") и логической единице передаваемых данных соответствует отрицательный потенциал (ниже -3 В) сигнала интерфейса, а состоянию "выключено" и логическому нулю - положительный (выше +3 В).

Таб 3.1.1.1. Управление потоком данных

Сигнал	Назначение
PG	Protected Ground - защитная земля, соединяется с корпусом устройства и экраном кабеля
SG	Signal Ground - сигнальная (схемная) земля, относительно которой действуют уровни сигналов
ТD	Transmit Data - последовательные данные – выход передатчика
RD	Receive Data - последовательные данные – вход приемника
RTS	Request To Send - выход запроса передачи данных: состояние "включено" уведомляет модем о наличии у терминала данных для передачи. В полудуплексном режиме используется для управления направлением - состояние "включено" служит сигналом модему на переключение в режим передачи
CTS	Clear To Send - вход разрешения терминалу передавать данные. Состояние "выключено" аппаратно запрещает передачу данных. Сигнал используется для аппаратного управления потоками данных
DSR	Data Set Ready - вход сигнала готовности от аппаратуры передачи данных (модем в рабочем режиме подключен к каналу и закончил действия по согласованию с аппаратурой на противоположном конце канала)
DTP	Data Terminal Ready - выход сигнала готовности терминала к обмену данными. Состояние "включено" поддерживает коммутируемый канал в состоянии соединения
DCD	Data Carrier Detected - вход сигнала обнаружения несущей удаленного модема
RTS	Request To Send - выход запроса передачи данных: состояние "включено" уведомляет модем о наличии у терминала данных для передачи. В полудуплексном режиме используется для управления направлением - состояние "включено" служит сигналом модему на переключение в режим передачи

 

Для управления потоком данных (Flow Control) могут использоваться два варианта протокола - аппаратный и программный. Иногда управление потоком путают с квитированием, но это разные методы достижения одной цели - согласования темпа передачи и приема. Квитирование (Handshaking) подразумевает посылку уведомления о получении элемента, в то время как управление потоком предполагает посылку уведомления о невозможности последующего приема данных.