СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 2011-8

сложные проблемы. Хорошим при мером такой системы является тензо датчик. Тензодатчики преобразуют прило женную к ним силу в электрическую величину. Они обычно используются в цифровых весах для измерения веса. Типичный тензодатчик образуют че тыре резистора, соединённые в мосто вую схему. Датчик питается через два вывода возбуждения и, исходя из при ложенной к нему силы, создаёт на из мерительных выводах небольшое на пряжение (см. рис. 6). Чувствитель ность тензодатчика обычно указывают в мВ/В, она представляет собой выход ной сигнал для напряжения возбужде ния 1 В. Возьмём для примера тензодатчик с чувствительностью 2 мВ/В, изме ряющий максимальный вес 10 кг. Если напряжение возбуждения 5 В, то полезный диапазон выходного напряжения составляет всего лишь 10 мВ. Это означает, что даже когда тензодатчик измеряет силу 10 кг, вы ход будет всего лишь 10 мВ. Чтобы реализовать близкую к 16 разрядам точность в этом 10 мВ диапазо не, нам потребуется соответственно усилить сигнал. Например, чтобы получить диапазон измерения 10 мВ, как обсуждалось выше, используя АЦП, который обычно имеет диапа зон от –1 до +1 В, можно использо вать усилитель напряжения с коэф фициентом усиления 100. Когда АЦП измеряет динамический диапазон 1 В, наименьшим разрешае мымнапряжением 20 разрядного АЦП является 1 мкВ. Когда усилительный каскад используется для расширения диапазона, он также усиливает шум и делает его вклад достаточным для воз действия на измерение АЦП. Этот шум влияет на несколько полезных млад ших разрядов, которые АЦП может обеспечить при этой настройке усиле ния. Следовательно, придётся выбрать АЦП, который даёт оптимальное раз решение при требуемых настройках усиления. Аналого цифровыми преобразова телями, которые обычно используют ся для измерения выхода тензодатчи ков, являются дельта сигма (DelSig) АЦП и низкочастотные фильтры с из быточностью. Некоторые дельта сиг ма АЦП, подобные приборам PSoC3 и PSoC5 фирмы Cypress, могут добав лять усиление в самом дельта сигма модуляторе. Эффект двукратного уси ления на АЦП в таком случае мог бы привести к изменению входного диа пазона от ±1,024 до ±0,512 В. Следова тельно, мы можем достичь более вы соких усилений в самом модуляторе АЦП, что повышает помехоустойчи вость. Поскольку мы повышаем уси ление в модуляторе АЦП, полоса АЦП начинается уменьшаться. Это не по влияет на измерение сигнала датчи ка, поскольку частота выборки сиг нала датчика гораздо меньше. Одна ко уменьшение полосы пропускания может быть преимуществом, т.к. оно действует как низкочастотный фильтр и не позволяет шуму проник нуть в систему. Другой серьёзной проблемой в со пряжении тензодатчика является его склонность к росту погрешности из за того, что диапазон выходного сигнала зависит от напряжения возбуждения. Небольшое отклонение напряжения питания может привести к эквивалент ному проценту погрешности усиления во всех измерениях. Мы можем избе жать этого, если измерения сигнала выполнены по отношениюк напряже нию возбуждения. Это можно реали зовать двумя способами: ● отдельно измерить сигнал и напря жение возбуждения и затем вычис лить отношение, устраняя тем са мым погрешность усиления. Одна ко этот метод требует коммутации АЦПмежду двумя сигналами. Другой проблемой является то, что сигнал, который мы измеряем, находится в 10 мВ диапазоне, а напряжение воз буждения – в вольтовом диапазоне. Это могло бы означать динамичес кое изменение настроек усиления и параметров диапазона АЦП, которое нецелесообразно в большинстве аналоговых систем; ● использовать эталон для самого АЦП. Обычно АЦПимеют вывод опорного напряжения для подключения внеш него эталонного источника. Каждое выполненное АЦП измерение сде лано по отношениюк эталону. Следо вательно, если нам удалось предо ставить напряжение возбуждения или часть его в качестве опорного напряжения АЦП, мыможем достичь пропорционального измерения для сигнала. Ц ИФРОВОЙ ФИЛЬТР Мы обсудили несколько способов предотвращения шума и других по грешностей в аналоговых сигнальных трактах. Одним из конечных этапов получения свободного от помех вы хода может быть применение мате матическогофильтра на основе встро енной программы для усреднения шу ма. Простым в реализации фильтром является скользящий усредняющий фильтр, который использует матрицу, где входные значения постоянно по даются с одной стороны, а самые ста рые значения вытесняются из матри цы с другой стороны (см. рис. 7). В лю бой заданный момент времени выход фильтра является средним значением всех элементов матрицы. Скользящий усредняющий фильтр является одним из самых простых, но, в то же время, наиболее эффектив ных фильтров для увеличения числа незашумленных разрядов в измери тельной системе. Недостаток состоит в том, что существует постоянная задержка, которая пропорциональ на глубине используемой матрицы. Это означает, что изменение в n эле ментном скользящем усредняющем фильтре занимает n тактов до его от ражения на выходе. Это может вво дить в заблуждение, если существуют большие изменения, а выход медлен но их навёрстывает. Этого можно из бежать, установив пороговую провер ку скорости изменения входной ве личины. Если за определённое время изменение входной величины пре восходит порог, весь фильтр обнуля ется и новые данные копируются в фильтр и на выход, снижая тем самым задержку. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 76 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2011 Усреднение Вход данных Выход данных Data 1 Data 2 Data 3 Data 4 Data n Рис. 7. Скользящий усредняющий фильтр Del Sig ADC 20 bit Losd Cell Excitation Voltage Рис. 6. Схема сопряжения тензодатчика © СТА-ПРЕСС