Линеаризация и коммутация

ЛЕКЦИЯ 11

Линеаризация сигналов от датчиков необходима, если шкала входного измерительного преобразователя системы линейна, а сигнал от датчика связан со значениями контролируемого параметра нелинейной зависимостью x = f(Θ). Тогда после линейного преобразования сигналов, в результате которого динамические диапазоны сигнала датчиков и шкалы системы совпадают, необходимо выполнить операцию линеаризации. На практике это осуществляется либо введением поправок на нелинейность сигналов, либо с помощью линеаризующих устройств в унифицирующих элементах, в функциональных АЦП или в вычислительных устройства системы.

Обычным приемом, используемым в унифицирующих элементах, является линеаризация сигналов от датчиков с помощью функциональных преобразователей, аппроксимирующих зависимость f(Θ) несколькими отрезками прямых линий. При этом линеаризатор должен иметь характеристику, позволяющую привести f(Θ) к линейной зависимости.

Линеаризация может производиться с помощью усилителей с нелинейной обратной связью.

Выбор типа линеаризаторов — аппаратный либо программный (с использованием цифровых вычислительных устройств) — зависит от количества и вида исследуемых величин, требований к точности преобразования и другим характеристикам.

Нужно отметить, что унифицирующие элементы выполняют зачастую ряд дополнительных функций; к ним, например, относятся уменьшение влияния вышедшего из строя датчика на последующие узлы системы, согласование сопротивления датчика со входом системы и др.

Очень часто для линеаризации используют логарифмирующие и экспоненциальные преобразователи. В логарифмирующих и экспоненциальных преобразователях для получения требуемой функциональной характеристики используются свойства смещенного в прямом направлении p-n-перехода диода или биполярного транзистора.

Логарифмический преобразователь приведен на рисунке 11.1:

Напряжение на выходе равно:

где: k — постоянная Больцмана,

q — заряд электрона,

Iо — обратный ток диода,

Т — температура в градусах Кельвина.

Простейший логарифмирующий преобразователь применяется редко из-за двух серьезных ограничений. Во-первых, он очень чувствителен к температуре (температура Т входит в приведенные выше соотношения в явном виде, Iо также сильно зависит от температуры). Во-вторых, диоды не обеспечивают хорошей точности преобразования, т.е. зависимость между их прямым напряжением и током не совсем логарифмическая.

Рис. 11.1. Основная схема логарифмического преобразователя

Транзисторы обеспечивают гораздо лучшую точность преобразования по сравнению с диодами (рис. 11.2).

Рис. 11.2. Логарифматор на транзисторе

где Is- обратный ток насыщения транзистора.

Экспоненциальные преобразователи. Основная схема (рисунок 11.3) похожа на простой логарифмирующий преобразователь, но в ней диод и резистор меняются местами. На рисунке 11.4 приведена схема экспоненциального преобразователя на транзисторе.

Рис. 11.3. Основная схема экспоненциального преобразователя

Рис. 11.4. Основная схема экспоненциального преобразователя на транзисторе

Коммутаторы. Основное назначение коммутаторов — образование между блоками соединений, обеспечивающих прохождение сигналов в заданных направлениях. Если говорить о коммутаторах предназначенных для работы в измерительной автоматизированных измерительных систем, то их основное назначение — связывать между собой участки аналоговых измерительных цепей, работающие в параллельном и последовательном режимах. Особенное значение для автоматизированных измерительных систем представляют измерительные коммутаторы, служащие для переключения аналоговых измерительных сигналов, так как к ним предъявляются требования выполнения коммутационных операций с заданными метрологическими характеристиками.

Измерительные коммутаторы характеризуются следующими параметрами: динамическим диапазоном коммутируемых величин; погрешностью коэффициента передачи аналогового сигнала; быстродействием или скоростью коммутации (количеством переключений в секунду или время, необходимое для выполнения одной коммутационной операции); числом коммутируемых сигналов — входов, числом выходов и числом одновременно образуемых каналов; сроком службы, исчисляемым предельным количеством операций переключения, при котором основные характеристики коммутаторов остаются неизменными в заданных пределах.

Коммутаторы различаются также последовательностью (программой) переключения входных сигналов. В коммутаторах могут быть реализованы циклический и адресный режимы. При циклическом режиме коммутация производится по заранее установленной программе с заданной коммутационной функцией, определяющей последовательность соединения входов с выходами коммутатора. При адресной работе коммутатора последовательность переключения заранее, как правило, не определяется, так как он определяется в результате анализа состояния коммутируемых величин.

В зависимости от типа используемых в коммутаторе коммутационных элементов различаются контактные и бесконтактные коммутаторы.

Перед разработчиками контактных коммутационных элементов стоит задача создания элементов с быстродействием до 104—10⁵ срабатываний в секунду, сроком службы более 10⁸ срабатываний и небольшой мощностью управления.

У большинства контактных элементов, управляемых электромагнитными механизмами (электромагнитные и поляризованные реле, шаговые искатели и т. п.), наибольшая скорость переключений составляет от единиц до десятков переключений в секунду, предельное количество переключений не превышает 10⁶—10⁷, а мощность, необходимая для управления ключом, равна примерно 0,1 —10 Вт.

Повышенными по сравнению с контактными элементами, управляемыми электромагнитными механизмами, скоростью работы и сроком службы обладают магнитоуправляемые герметичные контакты. Выпускаемые промышленностью такие контакты могут срабатывать до 100 раз в секунду и имеют срок службы, определяемый 10⁸ срабатываниями. Мощность управления у них порядка десятых долей ватта.

Очень большой срок службы (до 10¹² срабатываний) имеют ртутные контакты (контакты, смачиваемые ртутью по капиллярам). Быстродействие их относительно небольшое — примерно 10 срабатываний в секунду. Технология их изготовления сложна, стоимость высока, поэтому ртутные контакты применяются не столь широко, как магнитоуправляемые контакты.

Заслуживающими внимания характеристиками обладают коммутационные элементы, основанные на использовании эффекта сверхпроводимости.

В настоящее время контактные коммутационные элементы применяются преимущественно для коммутации параметрических датчиков и малых по уровню токов и напряжений (порядка нескольких милливольт и долей миллиампера) при относительно небольших скоростях коммутации.

Для построения бесконтактных коммутаторов используются элементы, у которых под воздействием внешнего управляющего сигнала скачкообразно изменяется сопротивление.

Как правило, бесконтактные переключающие элементы имеют большой срок службы, высокое быстродействие, требуют малой мощности управления, но у них относительно небольшой коммутационный коэффициент, меньший динамический диапазон. Кроме того, они в большей степени, чем контактные элементы, подвержены влиянию внешних возмущений; при их использовании необходимо принимать меры к разделению информационных и управляющих цепей.

Наибольшее применение в бесконтактных коммутационных элементах нашли полупроводниковые транзисторы и диоды. Такие элементы имеют сопротивление в замкнутом состоянии от 2 до 100 Ом, в разомкнутом от 10⁶ до 10⁸ Ом (коммутационный коэффициент от 10⁴ до 10⁸), частоту коммутации до 10⁶ срабатываний в секунду.

Коммутационные элементы с применением оптронов позволяют гальванически разделить измерительную цепь и тем самым устранить влияние продольных помех. Основная область применения электронных коммутационных элементов — коммутация с высокими скоростями относительно больших напряжений и токов (примерно ±5, ±10 В; ±5 мА).

Рис. 11.5. Схемы коммутаторов с последовательным (а), параллельным (б) и комбинированным (в, г) включением коммутационных элементов

Для цифровых сигналов применяют мультиплексоры. Мультиплексор подключает единственную, общую выходную шину к одному из входов в зависимости от управляющего сигнала, заданного двоичным кодом. Иными словами, мультиплексор позволяет производить прием сигналов с различных направлений.

а) б) в)

Рис. 11.6. Мультиплексор: а — функциональная схема; б — условное обозначение; в — каскадное включение

На рисунке 11.6, а приведена функциональная схема мультиплексора на четыре входа D0—D3, управляемая двухразрядным кодом xox₁.

На рисунке 11.6, б показано условное обозначение мультиплексора на восемь входов Di с трехразрядным управляющим сигналом и синхронизацией. При необходимости построения мультиплексоров с большим числом входов используют каскадные схемы. На рисунке 11.6, в приведена в качестве примера двухкаскадная схема, составленная из четырехвходовых мультиплексоров, которая осуществляет подключение к выходу одного из пяти входов. Так как два мультиплексора первого каскада имеют восемь входов, часть из них (два у верхнего и три у нижнего мультиплексора) запараллелена, образуя только пять необходимых входов.

Дата добавления: 2014-01-04