СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 2011-8

Сигнальные тракты для измерения аналоговых величин обычно приводят в замешательство инженеров самыми сложными задачами проектирования. Даже простой сигнальный тракт с ре зистивным датчиком и аналого циф ровой системой сбора данных заклю чает в себе несколько проблем, с кото рыми придётся иметь дело до того, как может быть сделано достоверное из мерение. С этими проблемами ещё сложнее справиться, когда система ра ботает с разнородными датчиками. Предлагаемая статья на примерах ре зистивных датчиков разного типа об суждает различные трудности, кото рыми придётся серьёзно заниматься разработчикам, чтобыпроизвести точ ное измерение. В общем случае тракт аналогового сигнала во всех системах, использу ющих резистивные датчики, более или менее напоминает показанный на рисунке 1. Хотя все сигнальные тракты выглядят одинаковыми на уровне блоков, параметры для каж дого блока будут отличаться из за многих показателей. Наиболее важ ными из них являются: изменение сопротивления (и, следовательно, напряжения) датчика на единицу из менения физической величины, уда ление датчика от системы измере ния (т.е. погрешность измерения, обусловленная сопротивлением про вода), требуемая точность системы, тип помехи и необходимая точность. Эти показатели определяют тип пи тания датчика, способ подключения датчика к схеме измерения, необхо ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 72 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2011 димое усиление схемы предвари тельной обработки и аналого циф рового преобразователя (АЦП), тип фильтра, его частоту среза, а также разрешающую способность и вход ной диапазон АЦП. Рассмотрим различные датчики и основные ограничения, связанные с аналоговыми сигнальными трактами при их использовании, начиная с тер мистора. Зависимость температуры от измеренного сопротивления является сложной нелинейной функцией: T = 1/( A + B ln( R ) + C (ln( R )) 3 ), где Т является температурой, а R – со противлением. А , В и С являются конс тантами, характеризующими термис тор. Из за арифметической сложнос ти выражения его нецелесообразно реализовывать в микроконтроллере. Следовательно, стандартным спосо бом выполнения этого вычисления яв ляется использование просмотровой таблицы для сопротивлений и соот ветствующих значений температуры. Затем температура вычисляется при помощи кусочно линейной интерпо ляции. Хотя возможны погрешности измерения, обусловленные изменени ями усиления и напряжений смеще ния, эти погрешности являются слиш ком малыми на фоне требований к точности температурного датчика на основе термистора. Дрейф усиления и напряжений смещения будет обсуж даться ниже в разделе резистивных термодатчиков (RTD). Что касается измерения сопротив ления, существуют несколько спосо бов прямого измерения, показанных на рисунке 2. Схема, приведённая на рис. 2а, использует цифро аналоговый преобразователь (ЦАП) для питания резистивного делителя. Одним из ре зисторов в схеме является сам датчик, а другим – резистор с известным, эта лонным сопротивлением. Эта схема будет работать; однако, однофазное из мерение имеет ряд недостатков. Од ним из них является сдвиг потенциала земли между напряжением V ss вблизи датчика и реальным внутренним на пряжением V ss , приложенным к АЦП, который приведёт к напряжению сме щения. С другой стороны, как показано на рис. 2б, когда инверсный вход – v e АЦП подключен вблизи сопротивления, обе земли становятся одной. Посколь ку дифференциальные линии могут быть проложены близко одна к другой вплоть до датчика, любая наводка на одну линиюбудет скопирована на дру гую. Этот сигнал при измерении диф ференциальной схемой будет подав лен как синфазный. Другой особен ностью этой схемы является то, что при измерении напряжения на сопро тивлении датчика R sensor входное на пряжение + v e приложено вблизи само го датчика. Это гарантирует отсутствие погрешности измерения, обусловлен ной сопротивлением провода. Рисунок 2в показывает схему, кото рая использует ЦАП с токовым выхо дом для питания датчика. Напряжение, измеренное на датчике, обеспечит точ ное измерение его сопротивления. То ковое питание является наилучшей схемой в смысле числа необходимых внешних компонентов. Оно не требует эталонного сопротивления. Однако, для калибровки системы на погреш ности усиления необходим внешний резистор. Отметим, что для таких при ложений, где не требуется очень высо кая точность, нет необходимости в компенсации погрешности усиления и, следовательно, не требуется внеш ний эталонный резистор. Р ЕЗИСТИВНЫЕ ТЕРМОДАТЧИКИ Резистивные термодатчики (Resis tance Temperature Detectors, RTD) имеют сопротивление при 0 ° С поряд ка 100 Ом, с изменением, близким к 0,385 Ом на каждый градус изменения температуры. Поскольку термодатчи ки имеют низкое сопротивление, со противление провода играет главную роль в точности системы. Термодатчи Схема питания/возбуждения Предварительная обработка сигнала Цепь датчика АЦП Рис. 1. Стандартный тракт аналогового сигнала Соображения по проектированию тракта аналогового сигнала Каннан Садасивам, Сахин Гупта (Индия) В статье обсуждаются проблемы, возникающие при проектировании аналоговых трактов систем сбора данных с различными датчиками на входе. © СТА-ПРЕСС