Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ЛЕК+ЛАБА(СУМ) / Лаб / 15ЭУСА-л4+

.pdf
Скачиваний:
9
Добавлен:
17.04.2015
Размер:
670.53 Кб
Скачать

4. СХЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ БЛОКОВ ОБРАБОТКИ И ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ

При проектировании блока обработки измерительных сигналов БОИС и блоков формирования аналоговых сигналов БСА (см. рис.5.1) необходимо решать задачи:

защиты входных каналов прибора от «разрушительного воздействия» недопустимого уровня входных сигналов или ошибочного задания их полярности;

фильтрации измерительного сигнала от помех в различных частотных диапазонах;

коммутации аналоговых сигналов, подключенных к разным вводам прибора, на единый канал измерительного функционального преобразования ПМ;

функционального измерительного преобразования входного аналогового сигнала;

гальванической развязки внешних цепей прибора от его микроконтроллерной части;

аналого-цифрового преобразования измерительного сигнала;

формирования выходных сигналов: аналоговых – в виде напряжения или силы постоянного тока, частоты следования импульсов или дискретны – в виде количества импульсов или формирования импульсов разной длительности.

4.1. Схемы ввода аналоговых сигналов: защита, коммутация

4.1.1. Защита входного каскада

Любое микропроцессорное устройство должно проектироваться с учетом защиты «от дурака», предусматривающей защиту устройства от подачи во входные цепи разрушающего сигнала: недопустимого по уровню или по полярности, а также от воздействия помех в различных диапазонах частотного спектра. Вариант такой защиты показан на рис.4.1.

На вход схемы по рис.4.1. подается аналоговый сигнал напряжения Uвх постоянного тока положительной полярности, например, − в унифицированном диапазоне 0…5В. В общем случае этот сигнал поступает на вход прибора вместе с высокочастотными помехами, которые могут суммироваться с измерительным сигналом в источнике информации или могут «наводиться» в линию связи в результате электромагнитных воздействий.

Vc

Uпит

 

 

VD3

 

 

VD2

 

+

Ф

П

U

VD1

Uвых

 

 

 

 

 

а )Защитный каскад

б) Схема фильтра на ОУ

 

 

Рис. 4.1. Входной каскад прибора

4.1.1.1. Защита от сигналов недопустимого уровня и полярности.

1)Защита входного канала от ошибочной подачи на его вход сигнала отрицательной полярности осуществляется диодом VD1, который включен так, что шунтирует отрицательный входной сигнал (рис.4.1а).

2)Защита входного канала от разрушающего воздействия напряжения положительной полярности недопустимо высокого уровня осуществляется с использованием диода VD2 и стабилитрона VD3 (см. рис.4.1а). Напряжение стабилизации Vc в точке, показанной ромбиком, осуществляется выбором типа стабилитрона VD3: в данном случае может быть выбран

2

стабилитрон с напряжением стабилизации равным 5,6В. Если Uпит равно 8В, то разница напряжений питания и стабилизации составит 2,4В и она будет определять силу тока через резистор, предназначенный для задания режима работы стабилизатора.

Принцип защиты канала состоит в том, что как только положительное напряжение на входе канала превысит 5,6В (считаем, что зона нечувствительности диода VD2 равна нулю), то диод VD2 будет шунтировать через стабилитрон положительное напряжение превышающее значение 5,6В. При этом считается что превышение максимального входного рабочего напряжения, равного 5В, на 0,6В является допустимым.

4.1.1.2. Фильтрация входного сигнала.

Во входной цепи может быть установлен фильтр Ф, осуществляющий защиту от частотных помех.

На рис.4.1б показан фильтр Ф выполненный на основе операционного усилителя.

Как элемент электрической цепи фильтр является «четырехполюсником», который ха-. рактеризуется входным напряжением U*1, выходным напряжением U*2 и коэффициентом

К*U передачи напряжения:

К*U = U*2/U*1.

Коэффициент передачи К*U позволяет получить основную характеристику фильтра − его амплитудно-частотную характеристику (АЧХ).

На рис 4.2. показаны типовые АЧХ реальных фильтров: фильтра низких частот (ФНЧ), фильтра высоких частот (ФВЧ), фильтра полосового (ПФ) и фильтра заградительного (ЗФ). Понятно, что избирательные свойства фильтра тем лучше, чем ближе форма его АЧХ к прямоугольной форме.

Рис.4.2. Типовые АЧХ фильтров

Для ФНЧ и ФВЧ показана граничная частота fгр, которую считают границей полосы пропускания фильтра. Она определяется на уровне 0,707 от коэффициента передачи.

ФНЧ (см. рис.4.1б) «пропускает» сигнал низких часто с К*U ≈1 и «срезает» высокие частоты, т.к. на высоких частотах К*U→0. К высоким частотам могут быть отнесена частота 50Гц и ее гармоники, которые в промышленных условиях накладываются на низкочастотные (единицы Гц) изменения информационного сигнала.

3

ФВЧ «пропускает» сигнал высоких частот и «срезает» низкие частоты: при передаче информационных сигналов на частотах единиц кГц такими низкочастотными помехами могут быть 50Гц и ее гармоники.

Для ПФ и ЗФ показаны: fгр – центральные частоты полосы пропускания и полосы задерживания. Отметим, что на практике кроме уровня, равного 0,707, используют другие уровни для определения граничных частот, полос пропускания и задерживания. Отличия этих двух фильтров состоит в том, что ПФ «пропускает» заданные частоты, а все остальные он «срезает, подавляет». А ЗФ − наоборот: он должен пропускать все частоты, а подавлять только частоты заданного диапазона.

4.1.1.3. Выходной каскад

На рис.4.1а показано, что после фильтра установлен повторитель сигнала П.

В предыдущей лекции была рассмотрена схема неинвертирующего ОУ в качестве идеального повторителя П входного сигнала (бесконечно большое значение входного сопротивления, бесконечно малое значение выходного сопротивления, а коэффициентом передачи сигнала с входа на выход стремится к 1). Такой П имеет важное значение в схемотехнике, т.к. позволяет исключить взаимовлияние между каскадами: последующего на предыдущий и наоборот.

На рис. 4.1а повторитель П решает задачу «разделения» операции фильтрации от операции дальнейшего преобразования измерительного сигнала: высокое входное сопротивление П обеспечивает работу фильтра Ф практически без нагрузки, а для последующего каскада П является идеальным источником напряжения.

4.1.2. Коммутация входных сигналов

Многоканальный ввод аналоговых сигналов: напряжения, тока или частоты осуществ-

ляется с использованием электрических элементов, называемых коммутаторами и мульти-

плексорами.

4.1.2.1.Коммутаторы сигналов от источников напряжения и тока.

1) В цепях передачи сигналов напряжения V и частоты F (рис.4.3а) источником сигнала является генератор напряжения, внутреннее сопротивление которого Rг→0.

Цепь передачи сигнала в этом случае может «разрываться», но не может «закорачиваться». В такой цепи сигнал напряжения (или частоты) через коммутатор подается на нагрузочный резистор Rн→∞, с которого падение напряжения «снимается» для дальнейшей обработки.

Такой коммутатор (ключ) называют «коммутатором напряжения» (рис.4.3а) и как элемент электрической цепи он определяется двумя состояниями: «замкнутым, проводящим с сопротивлением ключа Rк→0» и «разомкнутым, непроводящим с сопротивлением ключа

Rк→∞».

V, F

I

I

 

 

 

 

 

 

 

а)

 

б)

 

в )

 

Рис.4.3. Коммутация сигналов напряжения, частоты и тока

 

4

2)Источником токового сигнала является генератор тока, внутреннее сопротивление которого Rг→∞. Такая цепь не может «разрываться», а может только «закорачиваться». Поэтому в токовой цепи коммутация выполняется «переключателем тока» (рис. 4.3б), который либо «закорачивает» цепь генератора тока на общую шину, либо подключает ее к нагрузочному резистору . При этом должно выполняться условия: Rт→0.

Таким образом, токовая цепь всегда должна быть замкнута.

3)С целью унификации технических решений коммутации сигналов в цепях пере-дачи токового сигнала выполняют измерительное преобразование типа «ток-напряжение» на образцовом резисторе Rт с низким сопротивлением ( от десятка Ом до 2кОм), а затем уже осуществляют коммутацию сигнала напряжения на нагрузочное сопротивление Rн→∞ (рис.

4.3в).

4.1.2.2. Коммутаторы в микросхемном исполнении.

Блок-схемы коммутаторов одноканального, двухканального и переключающего типов представлены на рис.4.4.

Рис.4.4 Блок-схема коммутаторов

1) На рис.4.4. представлены коммутаторы в микросхемном исполнении. Управляющим сигналом микросхемы является однополярный сигнал напряжения (5В).

Коммутируются сигналы постоянного и переменного тока в диапазоне от -25В до +25В. Полоса пропускания входного сигнала составляет 115 МГц.

Сопротивление контактов коммутатора в состоянии «замкнуто» для указанных микросхем характеризуется сопротивлением не более 20Ом, а состояние «разомкнуто» характеризуется током утечки коммутатора (от полюса А на показанную пунктиром цепь управления), который не должен превышать ±10нA.

Время переключения коммутатора из одного состояния в другое составляет порядка

0,2…0,4мс.

2) В технической литературе коммутаторы, имеющие несколько сигнальных входов и один сигнальный выход, называются мультиплексорами. Схема одного из мультиплексоров показана на рис.4.5.

В схеме мультиплексора показано, что он имеет множество входов (X0,..Xi,.. Xn) и один выход Y. Выбор сигнала Xi из множества входных сигналов, который будет подключен к выходу Y, осуществляется подачей соответствующей комбинации управляющих адресных сигналов (A0..Ak.. Am). Как правило, адресный сигнал Ak. представляется двоичным кодом. Поэтому, если количество входных сигналов −4, то адресный код состоит из двух двоичных разрядов: при А=00 на выход Y поступает сигнал Х1, при А=01 на Y поступает сигнал Х2 и, соответственно, при А=11 на Y поступает сигнал Х4.

5

Наряду с указанными обязательными сигналами любого мультиплексора на схеме показаны дополнительные управляющие сигналы: Е и Е0.

Рис. 4.5. Схема мультиплексора

Управляющий сигнал Е (Enable) разрешает или запрещает прохождение входных сигналов на выход Y. Если Е=0, то сигнал на выходе Y отсутствует. Если Е=1, то появление на выходе Y одного из входных сигналов Xi определяется состоянием дискретных адресных сигналов Ak . Управляющий сигнал Е0 может определять режим работы мультиплексора: однополюсной или двухполюсной коммутации, который рассмотрим ниже.

В заключение необходимо отметить, что мультиплексоры могут использоваться как для передачи сигналов «со множества входов на один общий выход», так и наоборот: для передачи «одного сигнала, подаваемого на общий вход на множество выходов».

4.1.2.3. Коммутаторы однополюсные и двухполюсные

В схемотехнике различают коммутаторы однополюсные и двухполюсные (рис.4.6).

 

 

а)однополюсная коммутация

б) двухполюсная коммутация

Рис. 4.6. Ввод в прибор сигналов постоянного напряжения и тока

1) Схема однополюсной коммутации сигналов от множества входных источников напряжения или частоты − это схема коммутации с общим проводом ( рис.4.6а): один полюс ис-точников сигнала соединяется с соответствующим коммутатором непосредственно, а вторые полюса соединены вместе общим проводом, который соединен с общим выходом усилителя У – повторителя входного сигнала.

Естественно, что такое техническое решение применимо только тогда, когда источники сигнала допускают объединение общим проводом. Недостатком такого технического решения является то, что токовые цепи на общем проводе создают суммирующее падение напряжения, которое может воздействовать на вход усилителя У как помеха.

6

2) Схема двухполюсной коммутации сигналов от множества входных источников напряжения или частоты − это схема коммутации с дифференциальным подключением к усилителю У (рис. 4.6б). При таком подключении обеспечивается подключение к У таких источников сигнала (датчиков), которые не допускают объединение общим проводом, а также исключаются помехи на входе усилителя У от других коммутируемых источников.

4.1.2.4. Мультиплексор в микросхемном исполнении

В настоящее время мультиплексоры изготавливаются в микросхемном исполнении на 2, 4, 8 или 16 входов с фиксированной структурой однополюсной или двухполюсной коммутацией сигнала или же с перестраиваемой структурой по сигналу Е0.

Блок-схема мультиплексора, предназначенного для двухполюсной коммутации, представлена на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Блок-схема двухполюсного мультиплексора

1) Сдвоенный аналоговый мультиплексор имеет конфигурацию 4:1, предназначен для коммутации сигналов в диапазоне ±25В; напряжение источника питания мультиплексора может быть в диапазоне от 3.0В до 5.5В. Каждая структурная составляющая сдвоенного мультиплексора имеет отдельные входы управления (SB). Расширенная до ±6КВ защита от электростатического разряда позволяет напрямую подключать к изделию линии связи.

Особенностью микросхемы MAX14778 является то, что сопротивление открытого ключа не превышает 1.5Ом, полоса пропускания составляет 75МГц, а времена включения и отключения составляют порядка 2 мкс.

Наряду с мультиплексорами, сопротивление которых в состоянии «замкнуто» составляет единицы или десятки Ом, существуют и такие, проходное сопротивление которых составляет сотни Ом или единицы кОм.

В схемах мультиплексного ввода аналоговых сигналов вместо «самодельного» защитного каскада по рис.4.1а могут использоваться коммутаторы в микросхемном исполнении со встроенной защитой от повреждения. При отключенном напряжении питания такие микросхемы обеспечивают защиту входной цепи прибора при подаче в нее напряжения в диапазоне ±75В. При срабатывании защиты все каналы мультиплексора переходят в разомкнутое состояние, а втекающий ток составляет единицы наноампер.

4.2. Функциональные измерительные преобразования аналоговых сигналов

После того, как входной аналоговый измерительный сигнал «проведен» через средства защиты, фильтрации и мультиплицирования, возникает необходимость его функционального преобразования с целью приведения к виду, удобному для ввода в микроконтроллер МК с

7

осуществлением гальванической развязки внешних цепей прибора от его микроконтроллерной части.

Под функциональным измерительным преобразованием (ФИП) понимаются:

масштабирования (измерительное усиление или ослабление);

«напряжение –временной интервал»;

«напряжение–частота»;

«напряжение, временной интервал или частота – код».

4.2.1. Масштабирование сигнала.

При рассмотрении схем на базе операционных усилителей было показано, что масштабирование напряжения входного напряжения осуществляется с использованием как неинвертирующего, так и не инвертирующего ОУ.

1) В многоканальном приборе с мультиплексором масштабирование входных сигналов может быть выполнено двумя путями:

по рис. 4.8а с использованием на входе каждого канала масштабирующего устройства с индивидуа льным постоянным коэффициентом масштабирования Кi, приводящим входной сигнал, коммутируемый мультиплексором М, к диапазону преобразования ФИП;

по рис. 4.8б с одним масштабирующим устройством, который устанавливается после мультиплексора и имеет переменный коэффициент масштабирования Kvar. При этом изменение Kvar должно осуществляться синхронно с работой М, а значение Kvar должно выбираться в соответствии с требованием приведения диапазона изменения входного сигнала к диапазону входного сигнала ФИП.

К1

 

 

 

 

 

К2

М

 

 

 

 

 

ФИП

 

Kvar

ФИП

 

 

М

К3

 

 

 

 

 

 

Кn

а)

 

б)

 

 

 

Рис. 4.8. Схемы масштабирования входных сигналов в многоканальном ПМ

2) Схема масштабирующее устройство с постоянным коэффициентом масштабирования может быть выполнена на базе неинвертирующего или инвертирующего ОУ.

Схема неинвертирующего масштабирующего устройства показана на (рис.4.9а). Коэффициент масштабирования такого ОУ, напомним, определяется выражением:

Uвых = Uвх [ 1/ [R1/(R1+ R2 )] = Uвх [ 1+ R2 /R1)].

3) Схема с переменным коэффициентом масштабирования представлена на рис. 4.9б. Основой ее структурного решения является неинвертирующий ОУ и мультиплексор четырехканальный (ADG1409), характеризуемый такими параметрами: сопротивление канала - не более 5,7Ом; время переключения канала – не более 0, 15мс; граничная частота – 115 МГц; ток коммутации – не более 30мА; напряжение питания – +5В.

Резисторы R2, …, R6 – образцовые. Их сопротивления при реализации делителей, включенных в цепь обратной связи ОУ, рассчитаны так, что обеспечивают декадный шаг изменения коэффициента усиления. Но возможен и любой другой шаг. Конденсатор С1 в цепи обратной связи необходим для стабилизации режимов работы ОУ и устранения влияния переходных процессов при переключении коэффициентов усиления.

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а)

 

б)

 

 

 

 

 

 

Рис.4.9. Схемы неинвертирующего устройства с Kvar .

Задание необходимого коэффициента усиления Kvar осуществляется установкой соответствующего двоичного кода на адресных входах А0 и А1 мультиплексора, что приводит к коммутации соответствующей цепи делителя напряжения на инвертирующий вход ОУ. При этом на входе EN (enable) должен быть установлен высокий уровень напряжения. Если возникает необходимость в увеличении количества шагов изменения коэффициента усиления Kvar, допустим, до восьми, в качестве мультиплексора возможно применение восьмиканального компонента типа ADG1408, обладающего аналогичными параметрами, с соответствующим увеличением образцовых резисторов в цепях делителей напряжения.

4.2.2. Функциональное измерительное преобразование типа «напряжение – временной интервал»

Необходимость такого измерительного преобразования осуществляется тогда, когда на стадии разработки проектного решения БОИС выбирается вариант реализации аналого-циф- рового преобразования с использованием в качестве эталонного средства измерения образцовой частоты БМУ и его программных возможностей в части подсчета количества пери-

одов образцовой частоты в измеряемом временном интервале.

1) Схема преобразователя «напряжение–временной интервал».

Схема преобразователя «напряжение–временной интервал» представлена на рис. 4.11.

У1

П1

 

А1

А1

t

А2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

C

 

 

 

 

 

И

КР

 

 

 

 

 

 

А2

 

К

 

 

 

 

Счетные импульсы

Рис.4.11. Преобразование «напряжение-временной интервал»

9

Входной сигнал Uх поступает на опорный вход компаратора КР через повторитель П1 и нормально замкнутый контакт коммутатора К.и

Эталонный сигнал Uо через измерительный усилитель У1 с коэффициентом усиления β и резистор R подается на вход интегратора И, а выходной сигнал интегратора И поступает на информационный вход КР. Эталонный сигнал Uо может формироваться, например, − с помощью образцового источника напряжения.

2) Принцип функционального преобразования

Принцип преобразования состоит в том, что микроконтроллер на одном из дискретных выходов формируется сигнал управления А1, который воздействует на ключ. Ключ замыкается и «закорачивает» выходы конденсатора С, включенного в цепь обратной связи интегратора И, и полностью его разряжает.

По заднему фронту сигнала управления А1 ключ размыкается и начинается заряд емкости С током I = βUо/RC. При этом с выхода интегратора И на информационный вход компоратора КР будет поступать напряжение пилообразной формы, изменяемое по закону:

Uи = (β Uо/RC) • t.

На входах компаратора КР линейно возрастающее напряжение будет сравниваться с напряжением опорном входе компаратора.

В момент равенства напряжений на входах компаратора выполнится условие:

Uи = (β Uо/RC) t = Uх

и компаратор КР в момент выполнения этого условия сформирует передний фронт выходного сигнала А2 на один из дискретных входов микроконтроллера МК.

Временной интервал от запуска интегратора И (задний фронт А1) до срабатывания КР (передний фронт А2) определяет искомую величину длительности временного интервала t:

 

t = Uх• (RC/ β Uо)

(4.1)

 

 

 

 

 

Если входное измеряемое напряжение изменяется в диапазоне от 0 до Umax, то при

β= Umax/ Uо максимальное значение временного интервала

t будет равно RC.

3)Алгоритм преобразования входного аналогового сигнала в цифровой код состоит

вследующ:

По заданной временной программе МК формирует сигнал А1, запускающий измерительное преобразование. Длительность сигнала А1 рассчитывается с учетом времени, необходимого для полного разряда емкости конденсатора С.

МК формирует задний фронт А1 и начинает счет импульсов образцовой частоты, которая формируется программно делением «кварцованой» тактовой частоты МК. А чем выше частота счетных импульсов, тем с большей чувствительностью будет измерен

временной интервал t.

МК прекращает счет импульсов при поступлении на его дискретный вход А2.

МК вычисляет цифровое значение исходя из того, что:

Umax = Цmax =, где Цmax − количества импульсов в t при Uх = Umax. Uх = Цх, где Цx − количества импульсов в t при Ux.

Из этих соотношений получаем: ( Uх/Umax ) = Цx max,

Uх = (Цx max) Umax = (Цx max) RC.

4) Если значение β не будет образцовым, например, из-за подверженности влиянию изменений температуры окружающей среды, то тогда измерительное преобразование должно выполняться в два такта с использованием коммутатора К.

10

На первом такте на вход КР вместо должно коммутироваться напряжение Uо. Тогда

условие срабатывания КР запишем в виде:

 

Uо = (βх •Uо/RC) • t

или 1 = х /RC) •

t1 .

Отсюда: измеряется временной интервал t1 =

(RC/βх ) и вычисляется текущее значе-

ние масштабирующего коэффициента:

 

βх= (RC/

t1).

 

На втором такте на вход П1 должно коммутироваться напряжение и должно выполняться измерительное преобразование по формуле:

t2 = Uх• (RC/βх•Uо).

Подставляя вычисленное выше значение βх, получаем:

Δt2 = Uх• (RC/βх•Uо) = (Uх/Uо) • [ (RC/(RC/ t1) ]= (Uх/Uо) • t1

Отсюда:

Uх = Uо (Δt2/ t1).

Таким образом, значение преобразуемого напряжения определяется произведением образцового напряжения и отношения вычисленных значений временных интервалов второго и первого тактов.

4.2.3. Функциональное измерительное преобразование типа «напряжение-частота».

Такое измерительное преобразование позволяет реализовать аналого-цифровое преобразование напряжения постоянного тока путем измерения с помощью МК количества пери-

одов частоты в некотором образцовом временном интервале, – 1с. При этом частота, в ко-

торую преобразовывается напряжение, может составлять единицы или десятки кГц.

Ниже рассмотрим один из возможных вариантов схемной реализации такого преобразователя.

1) Схема преобразователя представлена на рис.4.12.

Входной сигнал Uх поступает на интегратор И через повторитель П1. Выходной сигнал И поступает на информационный вход компаратора КР. Эталонный сигнал Uо через повторитель П2 подается непосредственно на опорный вход КР. Выходной сигнал КР через одновибратор ОД воздействует на ключ. При этом под ОД понимается устройство, которое при коротком сигнале на входе, формирует на выходе импульс заданной длительности. В данном случае длительность выходного импульса ОД должна быть достаточной для полного разряда емкости С.

П1

П2

 

U0

ОД

И КР

Импульсы частотой F

Рис.4.12. Преобразование «напряжение-частота временной интервал»

2) Принцип преобразования состоит в том, что после разряда емкости С и окончания действия выходного импульса ОД, «разрядный» ключ размыкается и начинается интегрирование входного сигнала Uх. При этом выходе интегратора И изменение напряжения осуществляется по формуле:

Uи = (Uх/RC) • t,

В момент равенства напряжений на входах КР вырабатывается импульс, который запускает одновибратор ОД. Выходным сигналом ОД замыкается ключ и разряжается емкость

Соседние файлы в папке Лаб