Главная Физические и химические датчики



обработка: усиление сигнала и преобразование выходного сопротивления. Когда в системе много датчиков, тс может потребоваться мультиплексор, позволяющий одному аналого-цифровому преобразователю эффектнвнс обслуживать несколько датчиков сразу. Для правиль иого преобразования в цифровую форму быстро измен;, ющихся аналоговых сигналов необходимы также схем! выборки-запоминания.

Разумеется, для введения цифровых сигналов от ана лого-цифровых преобразователей (АЦП) в ЭВМ необхс ДИМЫ также схемы согласования. В качестве таких согласующих устройств часто используются БИС, называемые программируемым периферийным интерфейсом. Правда, сейчас уже выпускаются .АЦП, которые можно присоединять к микро-ЭВМ непосредственно через ее информационную шину, а в некоторых однокристальных микро-ЭВМ имеются даже свои встроенные АЦП со всеми согласующими схемами.

Техника предварительной обработки. Естественно, всевозможные датчики имеют самые разнообразные выходные сигналы. Например, возьмем три температурных датчика: в термопаре в зависимости от температуры изменяется напряжение, а в терморезисторе - сопротивление, в фотодиоде - электрический ток. Это так называемые датчики с аналоговым выходным сигналом. Имеются датчики с цифровым, или бинарным, и квазицифровым сигналом на выходе, работающие подобно переключателю, как например, биметаллические выключатели-пре дохранители. Кроме того, датчики регистрируют изменение таких параметров, как частота (доплеровский измеритель скорости), временной интервал 1ультразвуково1. дальномер) и др.

Перед введением рач-.ичных сигналов датчиков в микро-ЭВ.М части требуется предварительная обработка, которая упрощает и облегчает дальнейшие операци лад этими сигналами. Характер предварительной обработки почти полностью .зависит от вида датчика.

Когда выходные сигналы датчиков очень малы, cxl ма предварительной :Ораб(:1Ткг > габл 9) пред.гавляе собой ПРОСТО >с-1.;ител:-. В настоящее время выпускаются onepauiioHHbie }смл[гте.:11 (ОУ в виде ИС у ра5:ч:об разными- :арактеристпкам1: П. tov.- всегда, ,ча исплю чением некоторьр; случаев, д.. л усиления сигналов -атчиков можно подобрать соответствующую ИС опера-

Таблица 9. Схемы предварительной обработки

Тип схемы

функции, назначение

Усилитель

Усиление слабых выходных сигналов датчиков

Преобразователь сопротивления

Преобразование высокого выходного сопро тивлеиил датчика в низкое

Преобразователь ток - напряжение

Преобразование выходного сигнала датчика в виде электрического тока в соответствующее изменение электрического напряжения

Преобразователь действующих значений

Преобразование выходного сигнала датчика в виде переменного тока в сигнал постоянного тока с тем же действующим значением

Схема логарифмического сжатия

Сжатие .ижамического диапазона выхи.тых сигналов датчика с по-ощью логарифмического усилителя

Фильтр

Подавление шумовых составляющих выхол-ного сигнала датчика с помощью фильтров нижних частот илм полосовых фильтров

Схема линеаризации

Коррекция выходного сигнала датчика с нелинейной характеристикой

Регулятор >.ило-ния

Переключение коэффициента усиления для обеспечения максимальной чувствительности

ционного усилителя. Основные схемы усиления показаны на рис. 24. Для выбора нужной ИС необходимо достаточно подробное ознакомление с системой стандартизации этих ИС, отличной от системы для цифровых схем. Исходя из цели применения можно выбрать под ходящий операционный усилитель. Перечистим некоторые виды ОУ и OTMeTifM пх особенности

1. ОУ обшего ьа.чаченп.я В юнзвнол" де-вь:,

2. О, j>s(jT.iii.LLi.KL- от од:-!0"о нсточвика гитзни.я. :г*о ОУ общего на-.н::че11ия и ттодобиьге им О-У сдвоенного и счетверенногт:1Пл.

3. Низкош\мяшие ОУ. С ма.!Ы.м шумовым ьапп.-!,ке-

5= э*.)



±


«л

R->

(условие минимизации Сигнала ошибки вызванной входным током смещения]

! о-

(условие минимизации сигнала ошибки, вызванной входным током смеще»1ия)

Bb,x=-(i/2-il),

Рис. 24. Схемы усиления, выполненные на основе операционных усилителей а - инвертирующая; б - неинвентирующая; в - дифференциальная

нием на входе, с улучшенной характеристикой благодаря современной интегральной технологии.

4. Высокоточные ОУ. С гальваническими связями илп ключевого типа, обладающие малым дрейфом характеристик.

5. ОУ с высоким входным сопротивлением. На биполярных транзисторах, полевых транзисторах с р -;г-пе-реходом, полевых МОП-транзисторах.

6. Быстродействующие (широкополосные) ОУ. С высокой скоростью нарастания выходного напряжения (10 В/мкс и более).

7. ОУ с малым потреблением электроэнергии. Создаются по КМОП-технологии и обычно предназначены для работы от автономного источника питания.

Операционные усилители можно использовать во


многих видах предварительной обработки, поэтому они являются одним из главных устройств техники предварительной обработки. Примеры некоторых схем предварительной обработки, выполненных на основе операционных усилителей, приведены на рис. 25.

Датчики бинарного типа. Среди датчиков немало таких, которые обнаруживают только переход контролируемой физической величиной определенного порогового значения. Типичными представителями подобных датчиков являются биметаллические переключатели и датчики положения на основе концевых выключателей.

Такие датчики называются бинарными, так как их вы-одной сигнал имеет только одно из двух состояний: включено» или «выключено». Бинарные датчики по принципу действия делятся на контактные и бесконтактные. Первые содержат электромеханический контакт. В большинстве случаев для управления контактом используются переключательные возможности самого датчика. К контактному типу относятся й датчики комбинированные, как, например, датчик уровня воды, состоящий из поплавка и микровыклго-чателя. Выходные сигналы контактных бинарных датчиков сравнительно легко вводятся в микро-ЭВМ. При этом обычно используются схемы, подобные приведенной на рис. 26. Поскольку при замыкании контакта в таких датчиках часто возникает дребезг (многократность контактирования), для устранения нежелательных послед-

Рис. 25. Схе.мы предварительной обработки, выполненные на основе операционных усилителей: а - преобразователь сопротивления (одно-каскадный буферный усилитель); б - преобразователь «электрический ток- напряжение»; в - схема логарифмического сжатия



Схема устранения

При аппаратном устранении дребезга

Порт ввода

При программном, устранении дребезга

Порт ввода

Рнс. 26. Схема ввода для сигналов бинарною датчика контактного типа

V„ foMnaoarop О-

Порт ввода

Микро-ЭВМ

Рис. 27, Схема ввода для сигналов бинарного датчика бесконтактного типа

ствий этого явления необходимо предусмотреть соответствующие аппаратные или программные средства,

К бесконтактному типу бинарных датчиков относятся, например, датчики положения, выполненные на основе оптического прерывателя или элемента Холла. В датчиках этого типа состояние «включено» или «выключено.» на выходе отражается в виде изменения электрического сигнала, имеющего скорее аналоговый, чем чисто цифровой характер. Обычно для улучшения качества выходного сигнала бесконтактного датчика используется компаратор, как это показано на рис. 27. Компаратор сравнивает выходной сигнал датчика с некоторым пороговым уровнем Un и на основании этого оценивает состояние датчика - «включено» или «выключено.». Когда выходной сигнал датчика близок к уровню сравнения, то под влиянием шумовых составляющих может начаться многократное срабатывание компаратора. Для устранения этого недостатка схема компаратора должна обладать некоторым гистерезисом, обеспечивающим необходимую зону нечувствительности. При этом следует учитывать, что с увеличением гистерезиса стабильность 62

атывания улучшается, но зато снижается точность обнаружения (Ширина петли гистерезиса определяется соотношением Ri и R2.)

В более широком понимании бинарный датчик бесконтактного типа-это комбинация датчика, имеющего аналоговый выходной сигнал, с компаратором, а бинарный датчик контактного типа - это комбинация с релейной схемой.

Аналоговые датчики. В тех случаях, когда необходимо знать лишь о том, превышает регистрируемая физическая величина определенный уровень или нет, достаточно бинарного датчика. Когда же требуется получать информацию в некотором непрерывном интервале значений физической величины, необходимо использовать датчики аналогового типа. По виду изменяемого выходного электрического параметра аналоговые датчики делятся на три группы: с изменяемым выходным напряжением, током Р1ЛИ сопротивлением.

Типичные способы соединения аналоговых датчиков с микро-ЭВМ представлены на рис. 28. Самый распространенный способ - с использованием АЦП. Выходной сигнал датчика после первичной обработки превращается в аналоговое напряжение оптимального уровня, а затем с помощью АЦП преобразуется в цифровой сигнал.

Схема предварительной обработки

Аналоговый

Цифровой

Датчик

сигнал

сигнал

Порт

Микро-

ввода

Цифровой

Датчик

Схема предварительной обработки

Аналоговый сигнал

Преобразователь U-f

(изменение частоты)

Порт ввода

Микроэвм

Датчик

Аналоговый сигнал

Схема предварительной обработки гeнepзтop

Цифровой сигнал (изменение частоты)

Порт

Микроэвм

ввода

Рис. 28. Способы соединения датчиков аналогового типа и микри-ЭВМ с использованием АЦП (а), преобразования «напряжение-- частота» (б), RC или LC-генератора (б)



0 1 2 3 4 5 6 7 [8] 9 10 11 12 13 14 15 16 17


0.0212