Глава 4. Сигналы в системах реального времени
4.1. Согласование и передача сигналов
Передача информации между различными частями системы управления является одним из неотъемлемых и критически важных элементов. Сигналы, вырабатываемые датчиками, обычно имеют весьма низкий уровень, поэтому для дальнейшей передачи их необходимо обработать и усилить. Уровни сигнала и импедансы выхода датчика, кабеля и входа компьютера должны соответствовать друг другу. Обработка сигнала для достижения указанного соответствия называется согласованием сигнала.
Другой очень важной практической проблемой являются наводки. Любое электронное устройство способствует возникновению электрических возмущений. Если две электрические цепи по тем или иным причинам расположены рядом друг с другом, то изменение тока или напряжения в одной цепи вызывает также изменения тока и напряжения в другой. В частности, соединительные провода и кабели выступают в качестве антенны для шумов и возмущений. Многие проблемы, связанные с электрическими наводками, можно решить с помощью экранирования цепей и заземления; некоторые принципы экранирования рассмотрены в этом разделе. Выбор способа передачи сигнала (напряжение, ток или свет) зависит от нескольких факторов, главным из которых является устойчивость к наводкам и шумам. В этом разделе будут приведены различные методы решения этих проблем.
4.2. Согласование сигналов в цепях с операционными усилителями
Для удовлетворительной передачи сигнала необходимо минимизировать влияние нагрузочных эффектов между компонентами системы. С одной стороны, уровень выходного сигнала датчика должен быть достаточно высок, с другой – входной импеданс компьютера должен быть значительно больше по сравнению с выходным импедансом системы «датчик–измерительный преобразователь». Для согласования уровней сигналов и величин импедансов между выходом датчика и входом компьютера устанавливаются усилители.
Фильтр согласования импедансов имеет высокий входной импеданс и низкий выходной при коэффициенте усиления, равном единице. Последний каскад в схеме – обычно стабилизирующий усилитель с большим коэффициентом усиления. Для согласования импедансов применяются операционные усилители в цепи с обратной связью.
Операционный
усилитель
(ОУ, operational
amplifier
– ор-атр)
представляет собой устройство, выполненное
на интегральных схемах, с очень большим
коэффициентом усиления по напряжению
(порядка
),
высоким входным импедансом (несколько
МОм) и низким выходным импедансом (как
правило, менее 100 Ом). Выходной ток обычно
ограничен величиной 10 мА при напряжении
±10 В. Операционный усилитель является
распространенным составным элементом
в аналоговых цепях, поскольку его рабочие
характеристики могут изменяться в
широких пределах с помощью небольшого
набора дешевых электронных компонентов.
Существуют сотни различных типов
операционных усилителей. Схематическое
изображение операционного усилителя
показано на рис. 4.1.
Рис. 4.1. Схематическое изображение операционного усилителя (на схемах присоединение к источнику питания обычно не показывается).
Выходное
напряжение
пропорционально разности двух входных
напряжений
,
где G – коэффициент усиления. Даже небольшая разность входных напряжений вызывает существенное изменение выходного напряжения. В таком виде операционный усилитель является простейшей формой компаратора, поскольку даже очень малая разность входных напряжений выводит усилитель в режим положительной или отрицательного насыщения.
Так как коэффициент усиления очень большой, но непредсказуемый, операционный усилитель никогда не используется без какой-либо отрицательной обратной связи. На низких частотах (ниже 20 кГц) большинство схем обратной связи можно выполнить из различных пассивных элементов – резисторов и конденсаторов. Инвертирующий усилитель, или инвертор (рис. 4.2 а), имеет простейшую структур цепи обратной связи. Коэффициент усиления по напряжению – отношение выходного напряжения к входному
,
где
,
а G – коэффициент усиления самого операционного усилителя.
Величина
G
падает с возрастанием частоты сигнала,
но, поскольку
,
коэффициент усиления по напряжению
зависит только от величины сопротивлений
в цепи обратной связи. Для идеального
операционного усилителя коэффициент
усиления выражается как отношение
импеданса обратной связи к входном
импедансу.
Цепь обратной связи, изображенная на рис. 4.2 б, называется повторителем напряжения (voltage follower) или преобразователем импеданса (impedance transformer) Коэффициент усиления повторителя напряжения приблизительно равен 1. Если повторитель напряжения присоединен последовательно к измерительному преобразователю, имеющему высокий выходной импеданс, то новая система будет иметь те же характеристики, что и исходная, но выходной импеданс будет низким. В некоторых случаях сигнал необходимо усилить до того, как он будет подвергнут дальнейшей обработке.
Рис. 4.2. Схемы усилителя в режиме инвертора (а) и повторителя
напряжения (б)
Рис. 4.3. Дифференциальный усилитель.
Другая важная схема с операционным усилителем – дифференциальный усилитель (differential amplifier) (рис. 4.3). Как видно из названия, усилитель оперирует разностью между входными сигналами. Выражение для выходного напряжения имеет вид
.
Рассмотренные выше схемы с операционным усилителем представляют собой основные элементы, на базе которых создаются схемы согласования сигналов. Дополнительные функциональные возможности, например выделение или подавление специфических частот, легко достигаются изменением структуры соединения пассивных элементов между выходом и входом усилителя.