|
|
|
ВХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНТЕРФЕЙСНЫХ СХЕМСуществуют, так называемые, программируемые ОУ с регулируемым током смещения, позволяющие управлять входными частотными характеристиками схемы. Чем больше ток, тем выше быстродействие. На рис. 5.3 отображена более подробная эквивалентная схема входных цепей пассивного интерфейса, состоящего, к примеру, из ОУ или АЦП (здесь слово пассивный означает, что согласующая схема не генерирует никаких сигналов возбуждения).
Схема состоит из входного импеданса Zm и 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 е0 называется входным напряжением смещения. При
закороченных входных выводах друг на друга это напряжение соответствует
величине постоянной составляющей сигнала на входе схемы. рекомендуется отметить, что
источник напряжения смещения подключен последовательно ко входу схемы, что
указывает на независимость этой погрешности от величины выходного импеданса
датчика.
Ток называется током смещения. Для многих биполярных
транзисторов его величина довольно велика, для полевых транзисторов с
управляемым/?-я переходом она гораздо ниже, а для КМОП схем — совсем незначительна. 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. 5.1 отображен 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. Поскольку эта
статьа посвящена датчикам, в ней будут рассмотрены только входные цепи
интерфейсных схем.
Входная часть интерфейсной схемы характеризуется несколькими
стандартными параметрами, показывающими насколько точно схема может
преобразовать сигнал датчика и какой вклад она внесет в общую погрешность.
Входной импеданс показывает насколько сильно интерфейс
нагружает датчик. к примеру, если входную часть интерфейсной схемы представить в
виде параллельного соединения входного сопротивления R и входной емкости С
(рис. 5.2А), входной импеданс в комплексном виде можно записать как:
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 (5.2) становится очень маленькой, т.е. выполняется следующее
соотношение:
Рис. 5.1. Интерфейсная схема согласует форматы сигналов
датчика и нагрузочного устройства.
При рассмотрении входного импеданса интерфейсной схемы
всегда необходимо учитывать выходной импеданс датчика. к примеру, если датчик
имеет емкостную природу, для определения частотных характеристик входной части
интерфейса емкость датчика должна быть подсоединена параллельно его входной
емкости. В формуле (5.2) предполагается, что входной импеданс является функцией
частоты внешнего сигнала. С увеличением скорости изменения сигнала входной
импеданс уменьшается.
Рис. 5.2. А — комплексный входной импеданс интерфейсной
схемы, Б — эквивалентная схема датчика с выходным сигналом в виде напряжения
На рис. 5.2В отображена эквивалентная схема датчика с выходным сигналом в виде напряжения. В состав схемы входят два импеданса: выходной импеданс датчика Z и входной импеданс интерфейса Z . Выходной сигнал датчика представлен в виде источника напряжения Е, соединенного последовательно с выходным импедансом. Для некоторых типов сенсоров выходной сигнал удобнее представлять в виде источника тока, включенного параллельно с выходным импедансом датчика. Оба эти варианта идентичны. В этой статье будет рассматриваться представление выходного сигнала через источник напряжения. С учетом двух импедансов входное напряжение интерфейсной схемы можно записать. 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. к примеру, емкостной детектор можно представить в виде конденсатора, соединенного параллельно входному импедансу интерфейса, а пьезоэлектрический датчик — в виде параллельного соединения резистора с очень крупным сопротивлением (порядка 10»Ом) и конденсатора с емкостью порядка 10 пФ. Для иллюстрации необходимости определения входного импеданса схемы согласования рассмотрим чисто резистивный датчик, подсоединенный ко входу интерфейса, отображенный на рис. 5.2А. Входное напряжение схемы зависит от частоты, что можно описать выражением. Это значит, что входной импеданс интерфейсной схемы должен обеспечивать получение достаточно высокого значения частоты перегиба. к примеру, если максимальная частота внешнего сигнала составляет 100 Гц, частота перегиба должна быть не менее 700 Гц. На практике стремятся реализовать как можно выше, чтобы не вносить дополнительных ограничений по частоте для последующих схем. При разработке согласующих схем необходимо анализировать быстродействие их входных элементов. Обычно на входе интерфейсов стоят операционные усилители (ОУ), имеющие ограниченную частотную полосу пропускания. Этот ток может привести к серьезным проблемам в случаях, когда в состав сенсоров 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. к примеру, если пьезоэлектрический датчик подсоединить к схеме с входным сопротивлением 1 ГОм (109 Ом), при токе смещения 1 нА (Ю-9 А) паразитное напряжение на входе интерфейса составит: 1 ГОм x 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 сенсоров с низким выходным сопротивлением. к примеру, индуктивные детекторы нечувствительны к величине или изменениям тока смещения. 
Рис. 5.4. А — ток утечки, возникающий на плате, приводит к
изменению характеристик входных цепей интерфейса, Б — активное экранирование
входных цепей
При работе с высокоимпедансными схемами к крупным
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. 5.4А
отображен путь тока утечки: через шину питания, сопротивление платы RL 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 той 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 [1]. Самой лучшей считается изоляция из
полиэтилена или первичного (непереработанного) тефлона. Также необходимо
помнить, что даже очень короткие отрезки кабеля могут значительно сократить
ширину полосы пропускания. Этого можно избежать, используя цепь обратной связи,
компенсирующую влияние экранированного кабеля. На рис. 5.4Б отображен повторитель
напряжений, соединенный с инвертирующим входом усилителя. Повторитель управляет
потенциалом на экране кабеля, что позволяет снизить емкость кабеля, токи утечки
и паразитные напряжения, возникающие вследствие изгибов в кабеле. Конденсатор
небольшой емкости, подключенный к не инвертирующему входу повторителя, улучшает
его стабильность.
Также рекомендуется избегать подсоединения ко входу усилителя
любых компонентов, помимо самих сенсоров, поскольку они являются потенциальными
источниками помех. к примеру, 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
той 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.
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
