Приемники сигнала

Приемник сигнала (например, система сбора данных) может принимать (измерять) напряжение относительно «земли» (рис.3.78, а) или относительно потенциала на втором своем входе (рис.3.78, б). В первом случае приемник сигнала называется приемником с одиночным (недифференциальным) входом (рис. 3.78, а), во втором случае - дифференциальным приемником сигнала (рис. 3.78, б). Аналогичные разновидности существуют для приема тока (рис. 3.79).

Дифференциальный приемник сигнала измеряет разность потенциалов между двумя проводниками. Потенциалы отсчитываются относительно общего провода приемника (относительно земли приемника). Таким образом, дифференциальный приемник сигнала имеет три входных зажима: два сигнальных и один общий (земляной). Важно отметить, что для анализа помех земля источника и приемника сигнала в общем случае должны рассматриваться как разные земли, поскольку они имеют разные потенциалы в абсолютной системе отсчета потенциалов и в дальнейшем на схемах будут обозначаться разными условными обозначениями.

а)	б)	в)
Рис. 3.76. Заземленный (а), плавающий (б) и балансный (б) источник тока	Рис. 3.77. Источник сигнала с переключением ток/напряжение (например, CAN-интерфейса)

Дифференциальные приемники могут быть двух типов: построенные на основе незаземленного (плавающего) источника питания (рис. 3.78, в) или на основе схемы вычитателя, позволяющего вычислить разность напряжений между двумя узлами электрической цепи после измерения каждого напряжения относительно земли. Примерами приемников первого типа являются тестер или малогабаритный осциллограф с батарейным питанием, которые могут измерять дифференциальный сигнал, не имея связи с землей. Примерами дифференциальных приемников на основе вычитателя являются цепи, построенные на базе инструментального дифференциального усилителя с большим коэффициентом подавления синфазного сигнала.

Особенностью дифференциальных приемников на основе незаземленного источника питания является теоретически бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала, поскольку сигнал (рис. 3.78, в) на выход усилителя не проникает. Его недостатком является асимметрия входов относительно земли: емкости на землю входа, соединенного с незаземленным источником питания, всегда больше, чем емкость входа усилителя. Асимметрия приемника играет существенную роль в балансных цепях передачи сигнала, в которых степень асимметрии определяет качество подавления принимаемых и излучаемых помех.

Основным параметром дифференциальных приемников является коэффициент ослабления синфазного сигнала . В реальных приемниках наряду с дифференциальным сигналом на выход попадает и ослабленный синфазный сигнал. Коэффициент передачи синфазного сигнала меньше, чем дифференциального в некоторое число раз, которое называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала . Коэффициент ослабления синфазного сигнала зависит от частоты. Наибольший интерес для систем промышленной автоматизации представляет коэффициент подавления синфазного сигнала с частотой 50 Гц, который характеризует чувствительность приемника к электромагнитной наводке из электрической сети 220/380 В.

Напряжение на выходе дифференциального приемника сигнала можно записать в виде:

,

(3.3)

где - синфазное напряжение, - дифференциальный коэффициент усиления.

а)	б)	в)	а)	б)	в)
Рис. 3.78. Приемники напряжения сигнала: однополярный (а), дифференциальный (б) и с плавающим источником питания (в)	Рис. 3.79. Приемники токового сигнала: однополярный (а), плавающий (б) и балансный (в)

Следует отметить, что дифференциальный приемник (рис. 3.78, б) не может быть получен с помощью двух одиночных приемников сигнала путем простого вычитания напряжений на их выходах (рис. 3.80), например, путем вычитания двух величин, предварительно введенных в компьютер (контроллер) с помощью устройства ввода. Рассмотрим два усилителя с одиночным входом, например, два канала из многоканального устройства ввода с одиночными (недифференциальными) входами (рис. 3.80). Пройдя через усилитель (систему аналогового ввода), напряжение появляется на его выходе в виде , где - мультипликативная погрешность первого канала, - коэффициент усиления устройства ввода. Аналогично, для второго канала получим . Предположим, что требуется выделить дифференциальный сигнал как разность напряжений . В идеальном случае, когда , получим, как и требуется,

.

(3.4)

В реальном случае мультипликативная погрешность не равна нулю и включает в себя погрешность коэффициента усиления, напряжение смещения нуля, погрешность аналого-цифрового преобразования, шумы электронных приборов, электромагнитные и кондуктивные помехи, погрешность методов сглаживания данных в компьютере, то есть весь спектр погрешностей от источника сигнала до вычитателя. Поэтому в наихудшем случае, когда погрешности величин, введенных по двум каналам, равны между собой по модулю и противоположны по знаку, получим , и тогда

= - = .

(3.5)

Используя понятия дифференциального и синфазного сигнала, выражение (3.5) можно переписать в виде

.

(3.6)

Поскольку первый член в (3.6) представляет собой уравнение идеального вычитателя, второй член уравнения представляет абсолютную аддитивную погрешность реального вычитателя. Поэтому относительная погрешность, обусловленная описанным выше эффектом, будет равна

= = .

(3.7)

Отметим, что в рассмотренном случае мы предполагали, что коэффициент ослабления синфазного сигнала равен бесконечности и поэтому он не входит в формулу (3.6).

При измерении малых дифференциальных напряжений (например, сигналов термопар) и при большом синфазном сигнале отношение может достигать нескольких порядков, в такое же число раз возрастает погрешность . Описанная проблема является общей для многих приложений и ее иногда называют "проблемой малых разностей". Для ее решения нужно снижать величину , что возможно только при использовании дифференциальных усилителей, которые вычитают сигналы как можно ближе к их источнику. Поэтому операцию вычитания необходимо делать до аналого-цифрового преобразования и без разделения во времени моментов захвата значений входного сигнала на обоих входах, чтобы мгновенные значения напряжения помех (или реализаций случайных процессов) для обоих входов дифференциального усилителя были одинаковы.

Рис. 3.80. Иллюстрация того, как нельзя строить усилители с дифференциальным входом

Рассмотрим пример. Предположим, что требуется получить дифференциальный сигнал с разрешающей способностью 12 бит и с отношением сигнал/погрешность, равным 4096. Предположим также, что погрешность полностью определяется синфазной помехой, т.е. для получения заданной разрешающей способности погрешность = 1/4096. Если при этом напряжение синфазной помехи в 10 раз больше напряжения дифференциального сигнала, то есть =10, то из формулы (3.7) следует, что погрешность усилителей должна быть равна = = =1/81920, что может быть получено только с помощью 17-разрядного АЦП.

Иными словами, при синфазном сигнале, превышающем в 10 раз дифференциальный сигнал, для получения разрешающей способности 12 бит каждый из сигналов должен быть получен с разрешающей способностью не хуже 17 бит. Поэтому во всех случаях, когда измеряется разность двух напряжений, желательно измерять потенциал относительно , а не относительно "земли", чтобы отношение было минимальным.

Из изложенного выше следует, что нельзя использовать устройства ввода с одиночным входом для измерения дифференциальных сигналов путем поочередного измерения двух напряжений и последующего вычисления разности в контроллере.

Идея снижения уровня помех путем их вычитания лежит в основе построения балансных цепей передачи сигнала (см. описание интерфейса RS-485). Для обеспечения равенства мгновенных значений напряжения помехи на обоих входах дифференциального усилителя приемника должны быть идентичны не только входы приемника, но и линии передачи, а также выходные каскады передатчика. Это возможно при использовании витой пары проводов и балансного источника напряжения.