|
|
|
ПРЯМАЯ ДИСКРЕТИЗАЦИЯ И ОБРАБОТКА СИГНАЛОВОсновная идея прямой дискретизации заключается во встраивании датчика в схему преобразователя сигнала (к примеру, АЦП или преобразователя импеданса в частоту). Такие преобразователи по своей природе являются модуляторами и, следовательно, нелинейными устройствами. Как правило, в их состав входит нелинейное устройство, часто пороговый компаратор. Смещение порогового уровня компаратора приводит к модуляции выходного сигнала, что и используется для преобразования сигнала датчика в дискретный вид. На рис. 5.31 А отображена схема простого модуляционного генератора, который состоит из интегратора, реализованного на основе ОУ, и порогового устройства. Напряжение на конденсаторе С равно интегралу тока, пропорционального напряжению на неинвертирующем входе ОУ. Когда это напряжение сравнивается с пороговым уровнем, ключ Swзакрывается, конденсатор полностью разряжается. После чего конденсатор снова начинает интегрировать ток до следующего замыкания ключа и т.д. Рабочая точка ОУ задается резистором R2, фототранзистором S и опорным напряжением V, Изменение потока света, падающего на базу транзистора, приводит к изменению его тока коллектора, что смещает рабочую точку. Подобную схему можно использовать для прямой дискретизации выходного сигнала резистивного датчика (к примеру, термистора). Если в схему ввести цепи, компенсирующие напряжение и ток смещения ОУ, а также дрейф температуры и т.д., ее точность преобразований будет значительно улучшена.
Рис. 5.31. А — схема генератора, модулируемого светом, Б — напряжение
на выходе генератора
Емкостные датчики являются очень популярными измерительными
устройствами. В настоящее время много типов емкостных сенсоров изготавливают в
интегральном исполнении методами микротехнологий. В состав емкостных сенсоров
давления входит тонкая кремниевая диафрагма, выполняющая роль подвижной пластины
конденсатора с переменным зазором. На обратную сторону этой диафрагмы нанесен
металлический электрод. Основной проблемой конденсаторов такого типа является
относительно низкое значение емкости на единицу площади (пФ/мм2), что приводит
к увеличению размеров датчика. Обычно емкость таких сенсоров при нулевом
давлении составляет величину порядка нескольких пикофарад, поэтому при 8-ми
разрядном разрешении датчик должен детектировать изменения емкости порядка 50
фФ и даже меньше (1 фФ = 10» |5Ф). Очевидно, что любые внешние измерительные схемы
работать с такими датчиками не могут, поскольку паразитная емкость
соединительных проводов, как правило, составляет не менее 1 пФ, что сравнимо с
емкостью самого датчика. Единственным выходом из данной ситуации является
разработка интегрированного устройства на одном кристалле, составляющими
частями того являются сам датчик и интерфейсная схема. Для построения
такого устройства можно применить метод с переключением конденсаторов,
основанный на передаче заряда с одного конденсатора на другой при помощи
твердотельных аналоговых переключателей.
На рис. 5.32 отображена упрощенная схема преобразователя с
переключением конденсаторов [6], в той переменный конденсатор Сх и
эталонный конденсатор С. являются составными частями симметричного кремниевого
датчика дав-иения. Встроенные МОП-ключи (1–4) работают парами в противофазе и
управляются тактовыми импульсами ф] и ф2. При замыкании соответствующей пары
ключей происходит заряд того или иного конденсатора сигналом от источника
постоянного напряжения Vm. Суммарный заряд в общей точке конденсаторов
пропорционален разности Сх — С., и, следовательно, давлению, приложенному к
датчику. Этот заряд поступает на вход преобразователя заряда в напряжение,
состоящего из ОУ, интегрирующего конденсатора С. и МОП ключа 5, используемого
для разряда С. Выходной сигнал такого преобразователя представляет собой
импульсный сигнал с переменной амплитудой (рис. 5.32Б), который может быть
передан по линии передач и либо демодулирован для получения линейного сигнала,
либо преобразован в цифровой код. Поскольку для построения интегратора
используется ОУ с высоким коэффициентом усиления, величина его выходного
напряжения не зависит ни от паразитной входной емкости С, ни от напряжения
смещения, ни от температурного дрейфа. Минимальный детектируемый сигнал
(уровень шума) определяется амплитудой шума и температурным дрейфом
компонентов. Анализ схемы показал, что минимальная мощность шума соответствует
в случаю, когда интегрирующий конденсатор С равен конденсатору частотной
компенсации ОУ.
Рис. 5.32. Упрощенная схема дифференциального
преобразователя емкости в напряжение (А) и его временные диаграммы (Б)
Во время переключения МОП ключа 5 происходит перенос
нетой части заряда через затвор транзистора сброса на инвертирующий вход ОУ
[6]. Этот заряд распространяется через емкость между затвором и каналом МОП
ключа 5. Утечка этого заряда приводит к появлению напряжения смещения на выходе
ОУ, то может быть скомпенсировано при помощи устройства гашения заряда
[7], способного улучшить отношение сигнал/шум на два порядка от величины
нескомпенсированого заряда. Температурный дрейф такой схемы может быть выражен
как:
В этом уравнении предполагается, что температурный дрейф в
основном зависит от рассогласования емкостей в датчике. На рис. 5.33 отображена
типовая передаточная функция схемы для двух разных значений интегрирующего
конденсатора С. Подобная схема была реализована по КМОП технологии на
кремниевом кристалле размером 0.68x0.9 мм [8]. Она может работать с тактовой
частотой в интервале 10... 100 кГц.
Современная тенденция построения интерфейсных схем
заключается в объединении на одном кремниевом кристалле усилителя,
мультиплексора, АЦП, и других схем. Примером такого интегрированного устройства
является ИС МАХ 1463 (Maxim Integrated Products), в состав той входит
двухканальный 16-ти разрядный программируемый интерфейс, выполняющий функции
усиления, калибровки, линеаризации сигнала и температурной компенсации. Эта ИС
обеспечивает воспроизводимость рабочих характеристик датчика без применения
внешних регулировочных компонентов. МАХ 1463 может работать с разнообразными
датчиками, включая датчики давления, терморезистивные и термопарные
чувствительные элементы, тензодатчики, динамометры и резистивные элементы,
применяемые в магнитных датчиках направления. У нее есть несколько выходных
портов: аналоговых и цифровых. Выходными сигналами могут быть: напряжение, ток
(4...20 мА), отношение сигналов и сигналы с широт-но-импульсной модуляцей
(ШИМ). В состав МАХ 1463 также входят не-задействованные ОУ, предназначенные
для выполнения пользовательских функций, к примеру, буферизации выходных
сигналов ЦАП,
Рис. 5.33. Передаточная функция преобразователя емкости в
напряжение при двух значенях интегрирующего конденсатора [6].
управления крупными внешними нагрузками, дополнительного
усиления и фильтрации сигналов. ИС МАХ 1463 имеет внутренний 16-ти разрядный
процессор с программируемой FLASH-памятью на 4 кбайта, 128 байт оперативной
FLASH памяти, 16-ти разрядный АЦП и два 16-ти разрядных ЦАП. В дополнение к
этому в нее входят два 12-ти разрядных цифровых порта для ШИМ сигналов, четыре
ОУ и один встроенный датчик температуры. Микросхема смонтирована в стандартном
SSOP корпусе с 28 выводами, что позволяет ее располагать в непосредственной
близости от сенсоров без каких-либо промежуточных кабелей и проводов.
. Выходные сигналы сенсоров, как правило, очень малы. Для приведения таких сигналов до уровня, совместимого с устройствами сбора данных, обычно применяются усилители. К сожалению, усилители и подводящие кабели, часто приводят к появлению дополнительных погрешностей, увеличению стоимости и сложности всей системы. Поэтому в настоящее время использование усилителей считается устаревшим способом согласования уровней сигналов (по крайней мере, для некоторых типов сенсоров) [5]. Во многих современных промышленных интерфейсных системах применяются цифровые устройства передачи и преобразования данных, реализованных на основе методов прямой дискретизации выходных сигналов сенсоров, особенно эффективных в случаях интеграции датчика и всей системы на одном кристалле. Традиционные методы АЦ преобразований основаны на работе с достаточно высокими входными сигналами, что позволяет делать большую величину МЗР и минимизировать погрешности, вызванные шумами и сигналами смещения. По этой причине минимальный уровень МЗР обычно выбирается равным не менее 100–200 мкВ, что делает невозможным прямое подключение многих сенсоров (к примеру, термопарных и пьезорезистивных струнных сенсоров). Выходные сигналы таких сенсоров часто не превышают нескольких милливольт, что означает, что МЗР 10-ти разрядного АЦП при этом должен быть порядка 1 мкВ. При прямой дискретизации выходных сигналов сенсоров нет необходимости использовать усилители в интерфейсной схеме, что может привести к улучшению рабочих параметров систем без ухудшения точностных характеристик.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
