Входной интерфейс измерительных систем

На рисунке 8.1,а приведена структурная схема цифрового вольтметра – индивидуального переносного прибора, а на рисунке 8.1,б – структурная схема микропроцессорной измерительной системы.

Рисунок 8.1 – Структурные схемы

В этих обеих схемах требуется входной интерфейс, который в виде типового интерфейса (см. рисунок 8.1,в), как правило состоит из преобразователей сигналов различных датчиков и преобразователей, мультиплексора и устройства выборки и хранения.

Входной интерфейс – комплекс устройств, предназначенных для согласования аналоговых выходных сигналов датчиков и преобразователей со входами АЦП.

Рисунок 8.2 – Взаимодействие объекта измерения и наблюдателя

В ИИС (см. рисунок 8.2) наблюдателем выступают аппаратные средства обработки, хранения и отображения информации. В любом случае при наличии возмущений необходимо согласовывать элементы системы по импедансу (сопротивлению), напряжению и видам передаваемых сигналов.

Поскольку датчик (преобразователь) и остальная часть ИС имеют разные точки заземления, то, как правило, возникают проблемы, связанные с тем, что потенциалы их «земель серьёзно отличаются друг от друга». Если уровень измерительного сигнала достаточно высок, то эта проблема не стоит очень остро. Но в случае малых сигналов и длинных соединительных линий можно уменьшить “паразитные” наводки витых пар проводов и
коаксиальных экранированных кабелей (см. рисунок 8.3).

На первой схеме (см. рисунок 8.3,а) кабель присоединён к корпусу источника сигнала, но изолирован от корпуса приёмника RC-цепью.

Рисунок 8.3 – Цепи заземления с экранированными кабелями для сигналов низкого уровня

Если далее сигнал подать на дифференциальный усилитель (операционный усилитель), произойдёт подавление сигнала “наводки” на экране кабеля. Для предупреждения повреждения входного каскада следует подключить резистор с малым сопротивлением и шунтирующий конденсатор. На второй схеме (см. рисунок 8.3,б) показано «псевдодифференциальное» включение входного каскада. Сопротивление 10 Ом, включённое между общей точкой усилителя и схемной землёй, во много раз превышает полное сопротивление заземления источника сигнала, поэтому потенциал общей точки усилителя в этом случае определяется опорной землёй источника. Если входной каскад будет иметь весьма большой коэффициент усиления, то помехи на линии заземления станут несущественными.

Входы АЦП должны быть защищены даже от кратковременного превышения напряжения выше некоторого допустимого уровня. Многие АЦП имеют встроенные диоды защиты от статического разряда. Например, такая внутренняя защита в АЦП AD 771* фирмы Analog Devices (см. рисунок 8.4).

Рисунок 8.4 – Внутренняя защита от статического разряда

Часто этого бывает недостаточно, тогда на входе буферного усилителя (повторителя) устанавливают ограничитель напряжений, передаточная характеристика которого показана на рисунке 8.5,а.

а) б)
Рисунок 8.5 – Схема защиты от перенапряжений

Один из вариантов такого ограничителя показана на рисунке 8.5,б, которая выполнена на двухстороннем стабилитроне.

Фильтрация используется для удаления нежелательных составляющих из измеряемого сигнала. Многие АЦП имеют внутренние средства фильтрации. В случае использования внешнего RC- фильтра его рекомендуется включать как показано на рисунке 8.6,а. Такое включение будет обеспечивать подавление как дифференциального, так и синфазного шума. Фильтр, включённый по схеме, показанной на рисунке 8.6,б, не будет подавлять синфазный шум, но будет обеспечивать значительно большее уменьшение дифференциального шума. Если применяется внешняя фильтрация, то надо всегда помнить об ограничении величин R и C. В случае больших номиналов RC нужно применять активные фильтры или АЦП с высоким импедансом.

а) б)

Рисунок 8.6 – Схемы внешних пассивных фильтров

Часто аналоговый сигнал надо предварительно усиливать до подачи на АЦП. В этом случае применяется инструментальный усилитель ИУ (см. рисунок 8.7, а и б). В его структуре входят два неинвертирующих усилителя (а), подключённых ко входам простого однокаскадного дифференциального усилителя (б). Такой усилитель имеет большое входное сопротивление и высокий коэффициент подавления синфазного сигнала. Его коэффициент усиления регулируется с помощью резистора R₃.

а) б)

Рисунок 8.7 – Варианты внешних усилителей: 1 – а; 2 – б; 3 – а и б

Такой усилитель подавляет помехи сетевой частоты, которые являются синфазными напряжениями для обоих входов ИУ. Для предварительного усиления можно применить дифференциальный усилитель на двух ОУ, показанных на рисунке 8.8.

Рисунок 8.8 – Схема предварительного усилителя