Нормирующие преобразователи

 

На сегодняшний день одной из основных задач, решаемых электронными устройствами, является измерение различных физических величин. Основа любого электронного измерительного устройства – первичный преобразователь, датчик, преобразующий измеряемую величину в величину электрической природы: напряжение, электрический ток, фазу или частоту. Но величина напряжения или тока на выходе датчика редко бывает пригодна для прямого включения измерительного механизма в цепь датчика. В этом случае между датчиком и измерительной цепью включаются специальные устройства – нормирующие измерительные преобразователи. Назначение нормирующих измерительных преобразователей – преобразование сигнала на выходе датчика таким образом, чтобы привести диапазон изменения этого сигнала к полному диапазону входных сигналов измерительного элемента.

Все нормирующие измерительные преобразователи делятся по конструктивному исполнению и функциональному назначению на несколько групп:

- прецизионные делители токов и напряжений

- измерительные усилители

- преобразователи из одной величины в другую: ток в напряжение, напряжение в частоту, сдвиг фаз в число импульсов…

- преобразователи переменного напряжения в постоянное

- аналого-цифровые преобразователи

Наиболее часто для преобразования сигнала с датчика используются нормирующие усилители, т.к. датчики чаще всего имеют аналоговый выход по напряжению, и напряжение на выходе имеет недостаточно большую величину. Если же напряжение или ток слишком велики, то применяют прецизионные делители, уменьшающие эти величины в строго заданное число раз. Преобразователи из одной величины в другую используются, когда информативная составляющая сигнала датчика не совпадает с величиной, воспринимаемой измерительным элементом устройства, или не подходит для передачи на большие расстояния. Преобразователи переменного напряжения в постоянное применяются при переменном входном сигнале, информативной составляющей которого является напряжение или ток.

Наиболее простыми по конструктивному исполнению нормирующими преобразователями являются делители токов и напряжений – масштабные преобразователи, уменьшающие входной сигнал в строго заданное число раз. Применяются делители в тех случаях, когда входной сигнал имеет слишком большую величину для подачи на измерительный элемент или необходимо дискретно переключать пределы измерения. В качестве переключателя пределов обычно используют аттенюатор – делитель с постоянным входным и выходным сопротивлением. Кроме того входной делитель напряжения часто выступает в роли преобразователя импеданса, если к измерительному устройству предъявляются требования по минимальному входному сопротивлению. В этом случае делитель выполняется высокоомным.

Из–за сложности конструирования многопредельных входных высокоомных делителей и необходимости получения требуемого входного сопротивления и точности измерения входной блок измерительного устройства снабжен входным одноступенчатым делителем, повторителем и многоступенчатым низкоомным делителем – аттенюатором.

 

 

При работе делителя из активных сопротивлений на переменном токе коэффициент деления зависит от частоты в результате шунтирования сопротивлений паразитными емкостями. Для устранения этой зависимости необходимо осуществить частотную коррекцию путем шунтирования сопротивлений делителя емкостями С₁ и С₂. При этом

,

где ,

C_n – входная емкость повторителя.

Емкость конденсатора С₁ в основном будет определять входную емкость измерительной цепи.

Один из конденсаторов (обычно С₁ ) выбирается построечным, что облегчает настройку делителя. Иногда во входной делитель последовательно с резисторами включают катушки индуктивности с целью стабилизации коэффициента деления на больших частотах.

Делители тока и напряжения способны уменьшать подаваемый на них сигнал в заданное число раз, но на практике чаще бывает необходимо увеличить амплитуду сигнала. Для этого применяется другая группа масштабных преобразователей – усилители.

Нормирующие усилители электрических сигналов, имеющие точное нормированное значение коэффициента усиления, называют масштабными (масштабирующими). Иногда в их составе выделяют измерительные и электрометрические усилители.

Измерительные усилители относятся к числу прецизионных. Значения их параметров нормированы и в диапазоне рабочих частот и температур не выходят за пределы, оговоренные в технических условиях. Эти усилители применяют для масштабирования измерительных сигналов в системах получения и обработки информации.

На сегодняшний день подавляющее число нормирующих усилителей выполняется на операционных усилителях в интегральном исполнении. Большое количество различных по своим характеристикам прецизионных операционных усилителей позволяет подобрать подходящий усилитель для решения подавляющего большинства задач.

Основная задача нормирующих масштабных усилителей – усиление сигнала без внесения помех и искажений. Искажения при усилении напрямую зависят от амплитудно-частотной характеристики усилителя и глубины его обратной связи. Частотные искажения возникают, если на какой-то частоте заданный коэффициент усиления усилителя превышает максимальный коэффициент усиления, заданный амплитудно-частотной характеристикой этого усилителя. Для минимизации частотных искажений вместо одного усилителя в цепь включают несколько, при этом коэффициент усиления равномерно распределяется между всеми усилителями, и его достижение становится возможным в более широкой полосе частот.

Усилители с преобразованием спектра сигнала (МДМ - усилители) состоят из входного и выходного низкочастотных фильтров, модулятора, усилителя переменного напряжения, демодулятора, генератора. Входной сигнал модулируется модулятором, который управляется генератором. Напряжение смещения нуля накладывается на модулированный сигнал, и при демодуляции в одном полупериоде увеличивают выходной сигнал, в другом уменьшают его на одну и ту же величину, в результате чего после сглаживания восстановленного сигнала на ФНЧ изменение сигнала в результате смещения стремится к нулю.

Структурная схема МДМ – усилителя:

 

Нормирующие преобразователи, преобразующие одну электрическую величину в другую: источники тока, управляемые напряжением, источники напряжения, управляемые током, преобразователи частота – напряжение, генераторы, управляемые напряжением. Выполняются на дискретных элементах или на микросхемах операционных усилителей с элементами обвязки. Преобразователь частота-напряжение представляет собой управляемый моновибратор, на выходе которого включена интегрирующая цепочка:

 

 

U – измеритель, ФПИ – формирователь прямоугольных импульсов. На вход ФПИ поступает напряжение с частотой f_y. Длительность импульсов должна быть достаточной для полной зарядки. При появлении импульсов на выходе ФПИ, С заряжается через диод VD1 (через mA тока нет, так как VD2 – закрыт). В течении паузы между импульсами С разряжается через VD2. Среднее значение тока через измеритель: I=C∙U∙f. С₁ служит для сглаживания пульсаций и устранения колебаний напряжения.

Нормирующие преобразователи переменного напряжения в постоянное применяются для измерения параметров переменного напряжения:

- преобразователи действующего значения – для измерения действующего значения напряжения

- преобразователи средневыпрямленного значения – для измерения среднего (интегрального) значения напряжения

- преобразователи амплитудного значения – для измерения абсолютного максимального значения напряжения

Преобразователи переменного напряжения в постоянное выполняются на дискретных элементах (пассивные) или на микросхемах операционных усилителей (активные). Пример схем активного преобразователя (преобразователь амплитудного значения):

 

Наряду с аналоговыми нормирующими измерительными преобразователями в течение многих лет для нормирования сигналов используются аналого-цифровые преобразователи. Наиболее часто используются АЦП, основывающиеся на двух архитектурах: АЦП последовательного приближения (поразрядного уравновешивания) и ΣΔ АЦП (сигма-дельта-АЦП). Основные параметры современных АЦП:

АЦП последовательного приближения:

- разрешение до 16 разрядов

- время преобразования 30 – 300 нс.

ΣΔ АЦП:

- Разрешение до 24 разрядов

- время преобразования до 20 мкс.

- высокая дифференциальная линейность.

Следящие АЦП практически используется в основном для датчиков на СКВТ, АЦП считывания непригодны для нормирования сигналов.

АЦП последовательного приближения используют регистр последовательного приближения в качестве устройства хранения кода и управления ЦАП. Структура АЦП последовательного приближения:

 

 

В схему АЦП включено устройство выборки – хранения с целью предотвратить изменение сигнала на входе компаратора, что может привести к неадекватному преобразованию сигнала в код. К ЦАП подключается высокостабильный источник опорного напряжения, в результате чего АЦП и становится нормирующим.

Сигма-дельта аналого-цифровые преобразователи (ΣΔ АЦП) – одна из наиболее перспективных разработок в области АЦП. Особенность их работы – сильно избыточная дискретизация с частотой на 1 – 2 порядка большей, чем это необходимо по Котельникову. Входной сигнал складывается со знакопеременным напряжением, поступающим с модулятора. Интегратор генерирует на выходе пилообразное напряжение переменной полярности, компаратор, стробируемый генератором выборки, выдает на вход знакопеременного модулятора последовательность знаков напряжения на интеграторе( 1- “+”, 0- “– ” ); эта же последовательность попадает на цифровой ФНЧ, в состав которого включена схема пропускания, стробируемая частотой дискретизации, поделенной на n (обычно n выбирают из ряда 8, 10,12,16,20,32.). Код на выходе блока цифрового фильтра является выходным кодом АЦП.

 

Структурная схема простейшего ΣΔ АЦП:

На сегодняшний день ΣΔ АЦП является единственной структурой измерительного преобразователя, обеспечивающей погрешность измерения порядка . Точность нормирования сигнала в этом случае зависит в основном от стабильности опорных напряжений и нечувствительности компаратора.