Входные характеристики интерфейсных схем

ФОРМИРОВАТЕЛИ И УСИЛИТЕЛИ СИГНАЛОВ

Если датчик не оснащен встроенной электронной схемой, формирующей выходной сигнал в определенном формате, его практически никогда не удается напрямую под­ключить к процес­сору, монитору или другой регистрирующей аппаратуре. Обычно сигнал на выходе датчика бывает либо слишком зашумленным, либо очень слабым, либо содержит нежелательные со­ставляющие. В дополнение к этому его формат мо­жет не соответствовать формату системы приема данных. Для подключения датчика к процессорному устройству, как правило, требуется промежуточное согласующее устройство. Другими словами, выходной сигнал необходимо пре­образовать к опре­деленному виду (кондиционировать) перед тем как подать в устройство обработки данных (подключить к нагрузке). Для нагрузки входным сигналом обычно является либо ток, либо напряжение. Схема согласования сигналов часто называется интер­фейсом между датчиком и последующими устройствами. Ее основная цель - преоб­разование сигнала датчика в формат, совместимый с нагрузкой. На рис. 1 показан внешний сигнал, действующий на датчик, подключенный к нагрузке через интер­фейсную схему. Для эффектив­ной работы интерфейсу приходится быть «слугой двух господ»: датчика и нагрузочного уст­ройства. Его входные характеристики должны быть совместимы с выходными параметрами датчика, а выходные - с входным фор­матом нагрузки.

Входной импеданс показывает, насколько сильно интерфейс нагружает датчик. Он определя­ется в комплексном виде:

(1)

где V и I - комплексные числа, соответствующие напряжению и току через вход­ной импеданс.

Например, если входную часть интерфейсной схемы представить в виде параллельного соединения входного сопротивления R и входной емкости С (рис. 2А), входной импеданс в комплексном виде можно записать как:

(2)

где ω – круговая частота.

На очень низких частотах схема обладает относительно небольшой входной емкостью, и ее входной импе­данс определяется сопротивлением R, поэтому можно считать, что в этом случае Z≈R. Следовательно, реактивная часть уравнения (2) становится очень малень­кой, т.е. выполняется следующее соотношение:

<< . (3)

При рассмотрении входного импеданса интерфейсной схемы всегда необходимо учиты­вать выходной импеданс датчика. Например, если датчик имеет емкостную природу, для опре­деления частотных характеристик входной части интерфейса емкость датчика должна быть подсоединена параллельно его входной емкости. В формуле (2) предполагается, что входной импеданс является функцией частоты внешнего сигнала. С увеличением скорости изменения сигнала входной импе­данс уменьшается

(4)

Для каждого конкретного случая необходимо определять свою собственную экви­ва­лентную схему датчика. Это требуется для исследования частотных характерис­тик и фазовых задержек комбинации двух устройств: датчик-интерфейс. Напри­мер, емкостной детектор можно представить в виде конденсатора, соединенного параллельно входному импедансу интерфейса, а пьезоэлектрический датчик – в виде параллельного соединения резистора с очень большим сопротивлением (по­рядка 10¹¹Ом) и конденсатора с емкостью порядка 10 пФ.

Рассмотрим чисто резистивный датчик, подсоединенный к входу интерфейса, показан­ный на рис. 2А. Входное напряжение схемы зависит от частоты:

(5)

где f _с=(2πRС)^-1 - частота среза АЧХ, т.е. частота, при которой амплитуда умень­ша­ется на 3 дБ.

Если требуется определить амплитуду сигнала с точностью 1%, частота входного сигнала, подаваемого на вход схемы, не должна превышать сле­дующего значения: f_max ≈ 0,14f_c или f_c ≈ 7 f_max.

Это значит, что входной импеданс интерфейсной схемы должен обеспечивать полу­чение достаточно высокого значения частоты перегиба. Например, если максималь­ная частота внеш­него сигнала составляет 100 Гц, частота перегиба должна быть не менее 700 Гц. На практике стремятся реализовать f_c как можно выше, чтобы не вно­сить дополнительных ограничений по ограниченную частотную полосу пропускания.

При разработке согласующих схем необходимо анализировать быстродействие их вход­ных элементов. Обычно на входе интерфейсов стоят операционные уси­лители (ОУ), имеющие ограниченную частотную полосу пропускания.

На рис. 3 показана более подробная эквивалентная схема входных цепей пас­сивного ин­терфейса, состоящего из ОУ (здесь слово пассивный означает, что согласующая схема не гене­рирует никаких сигналов возбуждения). Схема состоит из входного импеданса Z_in нескольких генераторов, представляю­щих напряжения и токи, формируемые внутри схемы. Все эти сигна­лы являются паразитными и, если их не компенсиро­вать, могут причинить много проблем. К тому же они меняют свои значения в за­висимости от температуры.

Напряжение e_o называется входным напряжением смещения. При закорочен­ных входных выводах друг на друга это напряжение соответствует величине постоян­ной составляющей сигнала на входе схемы. Следует отметить, что источник напряжения смещения подклю­чен последо­вательно к входу схемы, что указывает на независимость этой погрешности от вели­чины выход­ного импеданса датчика.

Ток i_o называется током смещения. Для многих биполярных транзисторов его величина довольно велика, для полевых транзисторов с управляемым р-n переходом она гораздо ниже, а для КМОП схем - совсем незначительна. Этот ток может приве­сти к серьезным проблемам в случаях, когда в со­став датчиков и интерфейсов входят компоненты, обладающие высоким импедансом, посколь­ку, проходя через входные цепи интерфейса и выходные цепи датчика, он вызывает паразитное падение напря­жения. Это напряжение будет тем выше, чем больше импеданс этих цепей. В не­кото­рых случаях оно может быть довольно значительным. Например, если пьезоэлектри­ческий датчик подсоединить к схеме с входным сопротивлением 1 ГОм (10⁹ Ом), при токе смещения 1 нА (10^-9 А) паразитное напряжение на входе интерфейса составит 1 ГОм 1 нА = 1 В, что довольно существенно. В отличие от напряжения смещения, ток смещения приводит к появле­нию ошибки, пропорциональной выходному им­педансу датчика. Эта погрешность незначи­тельна для датчиков с низким выходным сопротивлением. Например, индуктивные детекторы нечувствительны к величине или изменениям тока смещения.

При работе с высокоимпедансными схемами к большим погрешностям может при­вести ток утечки, возникающий из-за низкого поверхностного сопротивления печат­ных плат. Источ­никами возникновения тока утечки могут быть: плохое качество матери­ала плат, загрязнение поверхности остатками припоя (плохо очищенные платы), влага и плохое покрытие. На рис. 4 показан путь тока утечки: через шину питания, сопро­тивление платы R_L и выходной импеданс датчика. Если датчик имеет емко­стную приро­ду, ток утечки очень быстро зарядит его выходную ем­кость. Паразитный ток утечки не только приводит к появлению по­грешности, но и может вывести датчик из строя.

Существует несколько способов снижения токов утечки. Один из них - правиль­ная разводка платы, когда высоковольтные про­водники отделены от высокоимпеданс­ных компонентов. Погреш­ностями, вызванными утечками по толщине многослойных плат, на практике можно пренебречь. Другой способ - самый старый – электрическая защита. Так называемое, активное экранирование является довольно эффективной за­щитой входных цепей. Для этого входные цепи окружаются проводящим экраном, под­соединенным к точке, потенциал которой равен потенциалу на входе интерфейса. Такая защита позволяет поглощать токи утечки, возникающие на разных участках платы, и значительно уменьшать токи, способные достичь входных выводов. Для более эффек­тивной защиты с двух сторон печатной платы иногда формируют активные экранирую­щие контуры.

Всегда надо стремиться располагать интерфейсные схемы, обладающие высоким импе­дансом, как можно ближе к датчикам. Однако избежать соединительных линий не всегда удается. В таких случаях рекомендуется использовать коаксиальные кабели с хорошей изоля­цией. Самой лучшей считается изоляция из полиэтилена или пер­вичного (не переработанного) тефлона. Также необходимо помнить, что даже очень ко­роткие отрезки кабеля могут значи­тельно сократить ширину полосы пропускания.

Следует избегать подсоединения к входу усилителя любых компонен­тов, помимо самих датчиков, поскольку они являются потенциальными источни­ками помех. Например, для подав­ления высокочастотных помех на вход интер­фейса или в цепь обратной связи входных уст­ройств часто ставятся фильтрующие конденсаторы. Если в целях экономии либо денег, либо пространства разработчик решит использовать для этого керамический конденсатор, он может столкнуться с неожиданным эффектом. Многие конденсаторы (особенно керамические) обла­дают, так называемым, эффектом «памяти». Если такой конденсатор подвергается воздействию всплеска напряжения: либо от датчика, либо от блока питания, либо от внешнего источника помех, он быстро заряжается, а для разряда ему может по­требоваться время от нескольких се­кунд до многих часов. Пока этого не произой­дет, он будет вести себя как маленькая батарейка, напряжение от которой будет складываться с сигналом датчика, что может привести к значи­тельным ошибкам в результатах измерений. Если избежать использования конденсаторов во входных цепях невозможно, надо вместо керамических применять пленочные конденсато­ры, в которых эффект «памяти» практически отсутствует.