Измерительного канала

Функциональные звенья измерительного канала (ИК). :

Нас будет интересовать из характеристик звеньев ИК функциональное назначение , и структурные особенности его реализации , но в первую очередь - характеристики преобразования звена , которые ещё называются градуировочными или часто калибровочными или реже тарировочными характеристиками .

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОСТ .

Служит для регулировки установления диапазона выходного напряжения измерительного преобразования (как по величине , так и по положению на оси напряжений ) .

Но главное: измерительный мост позволяет осуществлять компенсацию нелинейности датчика. Применяется в схемах , в первую очередь, где датчик представляет собой преобразователь: физическая величина – электрическое сопротивление.

Обычно для реальных схем измерения передаточные функции отличаются от линейных.

Пример: измерение температуры с помощью резистивного термометра ( калибровочная функция измерительного моста ).

Сопротивление датчика ( металлическое термосопротивление) :

Необходимо найти характеристическую кривую измерительного устройства и правило выбора масштаба .

Это уравнение представляет гиперболу . Эту нелинейную функцию можно использовать для расчета калибровочной кривой .

Благодаря аппроксимации полинома , .

Условия баланса моста :

, когда

Откуда .

На практике этого достигают , сделав : .

Последующие звенья ( СУ, СН , ФП ... ) реализуются на базе операционных усилителей . Хотя Вы уже рассматривали их в курсе электроники , вернемся и коротко напомним основные их характеристики .

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ ( ОУ ) .

ОУ - это модульный многокаскадный усилитель с дифференциальным входом , по своим характеристикам приближающийся к воображаемому ” идеальному усилителю ” . С таким идеальным усилителем обычно ассоциируются следующие свойства :

1) бесконечный коэффициент усиления по напряжению (А -> ¥)

2) бесконечное полное входное сопротивление (Z_вх -> ¥)

3) нулевое полное выходное сопротивление (Z_вых -> 0)

4) равенство нулю выходного напряжения U_вых = 0 при равенстве напряжений на входах U₁ = U₂

5) бесконечная ширина полосы пропускания ( отсутствие задержки при прохождении сигнала через усилитель ) .

-> очень велико -> 10⁴ ч10⁶ .

Блок-схема ОУ .

а) Дифференциальный каскад -должен иметь высокий коэффициент усиления по отношению к разности входных сигналов и низкий коэффициент усиления по отношению к одинаковым сигналам ( синфазные сигналы ). Имеет высокое входное сопротивление Z_вх.

б) Промежуточный каскад - увеличивает общий коэффициент усиления-А и приводит напряжение “покоя” к “0” .

в) Оконечный каскад - уменьшает Z_вых - обычно эмиттерный повторитель .

ВЛИЯНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ .

Из курса автоматики вспомним : замкнутая цепь характеризуется наличием обратной связи , то есть передачей информации с выхода последнего звена на его вход или на вход одного из предыдущих звеньев.

Если к₁>0 , к₂>0 и выходная величина звена обратной связи к₂y вычитается из входной величины x , то обратная связь является отрицательной . Oчевидно , что , откуда номинальная функция преобразования цепи с отрицательной обратной связью имеет вид :

Для многоконтурных цепей функция преобразования может быть выведена путём применения того же принципа суперпoзиции .

а) Влияние отрицательной обратной связи на коэффициент усиления .

.

Обычно , если ОУ используется как просто усилитель , то Аb>>1.

Поэтому .

б) Влияние отрицательной обратной связи на выходное сопротивление .

в) Влияние отрицательной обратной связи на входное сопротивление .

Это выражение относится только к полному входному сопротивлению между выводами операционного усилителя , а не к синфазному сопротивлению между каждым из входных выводов и землёй .

Влияние отрицательной обратной связи на частотные характеристики усилителя .

Уменьшение коэффициента с частотой называется спадом . Спад выражается в децибеллах на октаву . Октава - изменение частоты вдвое .Декада - изменение частоты в десять раз . Обратная связь не поднимает частотную характеристику усилителя , а его эффективная полоса пропускания увеличивается за счет того , что обратная связь ограничивает коэффициент усиления более низким значением ,за пределы которого усилитель не выходит при работе на значительно более высоких частотах . Произведение коэффициента усиления на полосу пропускания - величина постоянная для данного усилителя .

ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СН .

1) Повторитель напряжения .

По закону Кирхгоффа , поскольку

; при A -> 8 U_вых -> U_вх .

;

2) Неинвертирующий усилитель .

Сопротивления R₁ и R_ос образуют делитель напряжения с очень малой нагрузкой в силу того , что ток , необходимый для управления усилителем , очень мал ( I_см =0 ) .

Поэтому через R₁ и R_ос течет одинаковый ток , и напряжение на инвертирующем входе равно :

Для минимизации ошибки из-за токов смещения выходное сопротивление каскада, источника сигнала для неинвертирующего усилителя:

Если R₁ = 10 кОм , R_ос = 100 кОм , к_u = 11 .

3) Инвертирующий усилитель .

Входной и выходной сигналы инвертирующего усилителя сдвинуты по фазе на 180 градусов. . Увеличение напряжения на входе U_вх будет приводить к уменьшению на выходе U_вых до тех пор , пока напряжение в точке а не станет близким к нулю . Эта точка потенциально заземлена .

Условие минимизации ошибки, вызванной входным током смещения:

R₁ = 20 кОм , R_ос = 400 кОм , к_u = -20 ;

R₁ = 10 кОм , R_ос = 100 кОм , к_u = -10 .

Входное сопротивление схемы равно R₁ ( потому , что благодаря ОС , в точке а сохраняется нулевой потенциал ) .

Транзистор также является хорошим датчиком температуры . При фиксированном токе коллектора напряжение база - эмиттер транзистора линейным образом зависит от температуры , то есть так же , как и прямое напряжение на диоде .

R₁ -определяет ток транзистора , должен обладать высокой стабильностью и низким температурным коэффициентом сопротивления (например, металлопленочный).

Если ввести R₂ , то выходной сигнал можно откалибровать к V₀ = 0 при T = 0°C .

R₅ , C -предотвращают самовозбуждение схемы .

Точность термометра ±0,01°C в интервале температур от -50 до +125°C .

Преобразователь ток - напряжение - > ( фотодатчик ) .

.

4) Усилитель с дифференциальным входом .

Напомним, что разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами очень мала ( обычно меньше 1 мВ ) , так как очень мало отношение U_вых/A . Поэтому можно считать , что оба входа находятся под одинаковым напряжением , равным U₃ .

Откуда : разрешаем относительно U_вых .

.

Но U₃ можно представить :

.

Окончательно :

Обычно выбирают .

Пример : пусть для схемы U₁ = 0,1B , U₂ = - 0,2B , R₃ = R₄ = 100кОм , R₁ = R₂ = 20 кОм .

U_вых = ( -0,2 - 0,1) )100/20 = -1,5В .

U₁ = 0,1B , U₂ = - 0,2B , R₃ = R₄ = 100кОм , R₁ = R₂ = 10 кОм .

U_вых = ( -0,2 - 0,1 )100/10 = -3В .

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ .

ИУ - представляют собой ОУ или схему с ОУ , используемые для измерения малых разностей напряжения на фоне синфазного напряжения , которое часто бывает больше , чем измеряемое разностное напряжение . Этот тип усилителя часто называют также усилителем датчика , разностным усилителем , мостовым усилителем .

ИУ - должен иметь дифференциальный вход , высокое значение коэффициента усиления , низкий сдвиг нулевого уровня и очень большой ( обычно больше 80 дб ) коэффициент ослабления синфазного сигнала (

КОСС ) .

Пример мостового усилителя :

Если все четыре сопротивления моста равны по величине , то e₁ = e₂ = E/2 . Когда измеряемая физическая величина вызывает изменение сопротивления датчика , DR -> e₁ ¹ e₂ .

Выходное напряжение моста будет равно :

При малых DR , где DR<<4R . Bыходное напряжение моста будет , естественно , достаточно малым .

КОЭФФИЦИЕНТ ОСЛАБЛЕНИЯ СИНФАЗНЫХ СИГНАЛОВ ( КОСС ).

В идеальном случае , если два напряжения одинаковой величины приложены ко входам операционного усилителя , то величина его выходного сигнала будет равна 0 . В реальных усилителях при e₁ =e₂ всегда есть выходной сигнал , хотя и маленький . Для оценки чувствительности усилителя к синфазному сигналу вводят коэффициент ослабления синфазного сигнала ( КОСС ) .

Часто КОСС выражают в децибеллах .

Пример .

Оценим ошибку, связанную с конечной величиной КОСС .

Но заметим

Подставим U_D в первое из этих выражений :

Решая его относительно U_вых , найдем :

Из последнего уравнения определяем :

Заметим , что для неинветирующего усилителя

, поэтому

Если вспомнить , что ,то .

Подставляя значение A_CC , получим :

, где K= КОСС выражаем в относительных единицах , а не в децибеллах .

Пример :

Для понимания важности большого значения КОСС рассмотрим пример : ИУ усиливает сигнал разбаланса моста . Рассчитаем синфазную погрешность : U_вых дифференциального усилителя при e₁ - e₂ = 1мВ и

U_сс.= E/2 = 5 В .Пусть А=10000 и КОСС =20000 , что составляет КОСС = 86 дб . Напряжение U_вых , возникающее под действием дифференциального сигнала , равно :

Погрешность на выходе за счет усиления синфазного сигнала для данных значений входных сигналов составит 24,7% ,. Для уменьшения величины ошибки надо увеличивать КОСС . Усилитель будет усиливать сигнал e₁-e₂ мостовой схемы и подавлять или ослаблять синфазное напряжение

Выходное напряжение схемы будет , как известно , равно :

.

Пример : e₂ - e₁ = 10 мВ , требуемый диапазон АЦП = 10 В . Тогда к_ус=10 В/10 мВ=10³ , значит R₃/R₁ = 10³ .

Схема ИУ имеет два недостатка :

а) Сравнительно низкое входное сопротивление .

б) Определенные сложности изменения коэффициента усиления схемы ( не изменяя симметрии схемы ) .

а) Если для увеличения входного сопротивления увеличить сопротивление входных резисторов , то под влиянием токов смещения увеличивается сдвиг нулевого уровня , а их уменьшение ведет к увеличению нагрузки моста .

б) Для изменения коэффициента усиления необходимо изменять одновременно оба сопротивления R₃= R₄,

так как КОСС есть величина обратная их дисбалансу .

Можно привести схему с переменным коэффициентом усиления , в которой изменения коэффициента усиления не ухудшают КОСС схемы .

Раcчет коэффициента усиления : пусть максимальное значение сигнала с датчика будет 10 мВ , а требуемый динамический диапазон входа АЦП 10 В . Тогда необходимый коэффициент усиления будет : к= 10В/10мВ = 10³ .

Функциональный преобразователь

Необходимость функциональных преобразований в измерительном канале возникает в силу ряда причин, например:

а) с целью воспроизведения определённых математических операций.

Например: измерение скорости потока жидкости или газа.

,где q - плотность среды.

Б) С целью уменьшения нелинейности торировочной характеристики измерительного преобразователя.

Пример: Термопара, измерительный мост и т.д. имеют характеристики значительно отличающиеся от линейных. Хорошие результаты линеаризации характеристики получают, применяя преобразование:

- линеаризованное напряжение

-напряжение на выходе термопары, или измерительного моста.

Как правило, указанные выше задачи осуществляют с помощью ЭВМ программными способами. Как правило, требуемые зависимости аппроксимируются с помощью полиномов (чаще первой степени), а узловые точки для их расчёта хранятся в памяти ЭВМ.

Пример:

Шаг дискретизации преобразования выбирают из требований точности измерений:

Иногда специальную торировочную характеристику (например, логарифмическую) формируют специальной схемой функционального преобразователя.

Например:

Увеличивая число диодов и резисторов, можно добиться ломаной калибровочной характеристики.

Итак, основное назначение функционального преобразователя - корректировка влияния ошибок.

Ошибки между идеальными номинальными и измеренными действительными значениями возникают за счёт неустранимых ограничений и допущений.

А) при выборе принципа измерения

Б) при определении места расположения датчика в процессе

В) при использовании метода исключения влияния помех.

Рассмотрим категории указанных ошибок:

а) Ошибки, возникающие при выборе принципа измерения можно уменьшить, используя специальную измерительную сеть соответствующей конструкции, использующей разные принципы измерения, позволяющей компенсировать погрешности отдельных измерительных каналов. Здесь наиболее эффективно использовать ЭВМ.

Б) Другая группа таких ошибок - ошибки представительности результатов (позиционные ошибки). На практике при использовании идеального измерительного оборудования результаты измерений на одном месте не являются репрезентативными (представительными для всей системы).

Пример:

Такого рода известные ошибки исправляются расчётным путём (для стационарных случаев) или с помощью улучшения всё той же измерительной сети с большим количеством однотипных датчиков, установленных в разных точках. Здесь также эффективно использование ЭВМ.

в) корректировка - исключение влияния сигналов помех может быть

1. статической корректировкой измеренных значений - компенсация.

2. динамическая корректировка - фильтрация, сглаживание

Компенсация статических погрешностей, обусловленных неточностями настройки аппаратуры, зависимостью измеряемого параметра от других факторов, например температуры (температурная зависимость тензодатчика) механических деформаций, плотности среды и т.д., возможна в случае, если помехи измеримы. Корректировка осуществляется при помощи введения коэффициентов корректировки, с помощью которых стабилизированные значения измеренной величины пересчитываются в истинные значения - это осуществляется с помощью ЭВМ.

Необходимость динамической корректировки измеренных значений возникает при наложении случайной помехи (которую нельзя измерить) на измеряемый сигнал. Различают 2 подхода при динамической корректировке - сглаживание (например за счёт формировании средних - т.н. прогрессивная интерполяция или «скользящее» среднее, которая будет рассматриваться в разделе сжатие измерительной информации или фильтрация полезного сигнала, когда на него наложена высокочастотная помеха, при этом фильтрация осуществляется с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ).

В общем случае, когда на вид системы поступает сумма сигнала и помехи - сигнал и помеха - стационарные случайные процессы с нулевыми средними и известными спектральными плотностями В идеальной системе сигнал на выходе . В реальной системе на выходной сигнал с погрешностью необходимо подобрать характеристику фильтра минимизирующую погрешность . Это можно сделать , если поставить фильтр с частотной характеристикой

Функция фильтрации сигналов реализуется с помощью активных ФНЧ, включающих операционный усилитель, который даёт возможность применять резисторы и конденсаторы небольших номиналов даже на низких частотах (до Гц).Пример ФНЧ пятого порядка с КГц.

АНАЛОГОВЫЙ МУЛЬТИПЛЕКСОР (коммутатор).

В отличие от цифровых мультиплексоров, в которых не происходит потерь информации при передаче цифровых сигналов аналоговый мультиплексор - более сложное устройство. При разработке АМ основная цель состоит в том, чтобы в изменение аналогового сигнала не вносилась ошибка. Это требование может быть выполнено при использовании идеального ключа. В разомкнутом состоянии идеальный ключ имеет бесконечное, а в замкнутом - нулевое сопротивление. Электромеханические переключатели наиболее близки по своим характеристикам к идеальным, однако из-за низкой скорости переключения и малого срока службы не широко распространены.

Среди полупроводниковых переключателей наилучшими характеристиками обладают аналоговые ключи на полевых транзисторах с p-n переходом и МДП - транзисторах.

Сопротивление закрытого ключа достигает тысяч МОм, открытого - от нескольких десятков до сотен Ом. Эти транзисторы характеризуются полным отсутствием напряжения смещения.

Динамические характеристики аналоговых коммутаторов определяются временем переключения.

Рассмотрим пример:

Пусть проектируется измерительный канал многоканальный системы с коммутатором. Решается задача выбора динамической характеристики звена ИК - аналогового мультиплексора.

Эквивалентная схема аналогового ключа в момент замыкания - есть апериодическое звено первого порядка:

Идеально:

, реально , откуда . Переходная характеристика звена (отклик звена на единичный скачок) :

Решая это уравнение, получим:

Это время для ключей на МДП - транзисторах составляет сотни наносекунд, например при , КОм , Пф, нс. Для коммутаторов выполненных в интегральном исполнении на большое число каналов эти паразитные ёмкости будут значительно больше и составят, например для 32 канального АМ: Пф , если Ом - RC - цепь имеет постоянную времени мксек и тогда для установления напряжения выхода в пределах % от переключаемого необходимо время равное примерно или мксек. Кроме того АМ вносят погрешности из-за токов утечки через закрытый канал, которые составляют на, что в 32-канальном АМ вызывает падение напряжения на мкВольт.

Часто с целью уменьшения влияния синфазной составляющей АМ выполняют по дифференциальной схеме:

Последующее за АМ устройство должно иметь дифференциальный вход.

При необходимости построения мультиплексоров с большим числом каналов используют матричные конфигурации АМ.

543 КН-2 - 16 - канальный АМ.

При этом характеристики в целом мультиплексора и по быстродействию и по точности ухудшаются.

Устройство выборки /хранения .

Структурная схема фрагмента ИК.

Применение фиксации входного сигнала позволяет:

а) расширить динамический диапазон для АЦП за счёт снижения динамической погрешности ( т .е .реальная точность преобразования будет соответствовать разрядности выбранного АЦП или даже можно использовать АЦП большей разрядности ).

б) осуществить точную временную привязку значения кодового эквивалента к реальному моменту снятия отсчёта ( и тем самым упростить задачу восстановления сигнала ).

Пример: (иллюстрирующий необходимость применения УВХ). Изменение входного напряжения во время процесса преобразования вносит неопределённость в генерируемый выходной сигнал и приводит к динамической погрешности преобразования. Полная разрешающая способность АЦП (минимальный квант преобразования или значение ЕМР - единицы младшего разряда) реализуется только в том случае, когда эта неопределённость не превосходит величину заданного кванта. Таким образом для n - разрядного преобразователя с временем преобразования - выполняется условие:

Рассмотрим например сигнал . Пусть , мксек (среднего быстродействия), , а .

Полагая, что , получим : Гц

Результат - очень малое , что очень резко снижает диапазон применения АЦП. Можно обойти эту трудность, применяя УВХ.

Возьмём УВХ с временем захвата плюс апертурным временем - = нсек , тогда Кгц - почти на три порядка выше.

Эквивалентные схемы УВХ.

Ключ замкнут: .

- сопротивление замкнутого ключа.

- выходное сопротивление предыдущего каскада .

Для уменьшения необходимо, чтобы RC было как можно меньше.

Ключ разомкнут:

- сопротивление разомкнутого ключа (полевой транзистор , МДП).

- паразитное сопротивление утечки С

-входное сопротивление - СУ - операц. С входным усилителем на МДП.

Например:

Рассмотрим основные источники погрешностей УВХ, для чего рассмотрим динамические характеристики схемы.

- время захвата или время с момента передачи команды «выборка» до установления сигнала, когда мгновенное значение амплитуды сигнала равно напряжению на емкости. Его стремятся уменьшить.

- апертурное время или время с момента подачи команды «хранение» до фактического размыкания ключа, за этот временной промежуток напряжение на емкости вследствие изменения амплитуды сигнала может значительно измениться по отношению к значению сигнала на момент конца интервала «выборка». В апертурное время амплитуда запоминаемого напряжения не определена, поэтому в зависимости от требуемой точности запоминания на него накладываются ограничения. Например, в соответствии с рассмотренным выше примером, при Гц , апертурное время не должно превышать - мксек.

- время установления или интервал времени с момента начала размыкания ключа до момента полного завершения размыкания. Переходные процессы в схеме в этот промежуток времени, так как некоторая часть заряда утекает с конденсатора С через межэлектродную ёмкость ключа, приводят к сдвигу уровня напряжения на выходе УВХ по отношению к исходному на момент начала промежутка времени установления. Этот сдвиг уровня напряжения при необходимости можно скомпенсировать при помощи специальных схемных решений. Сигнал запуска АЦП на преобразование напряжения с выхода УВХ должен быть подан только после окончания времени установления.

- максимальное время хранения, пока спад напряжения на конденсаторе не превысит наперёд заданную погрешность измерения. Его стремятся увеличить, ограничивается сверху разрядом конденсатора С, входным током операционного усилителя СУ, его дрейфом нуля, токами утечки ключа.

Параметры некоторых западных УВХ.

Тип	- время захвата	Соотв. Ему точность	- аперт. время	- время установления	Стоимость $
AD582	25 мксек	0,1%	150 нсек	0,5 мксек
AD346	2 мксек	0,01%	60 нсек	0,5 мксек
SHC 85	4 мксек	0,01%	25 нсек	0,5 мксек

При необходимости развязки источники сигнала от входа схемы выборки - хранения можно воспользоваться схемой с повышенной точностью:

Схема обладает высоким входным сопротивлением и большим коэффициентом подавления синфазных и сдвиговых погрешностей.