8. Цифро-аналоговые преобразователи Классификация цап icon

8. Цифро-аналоговые преобразователи Классификация цап



Назва8. Цифро-аналоговые преобразователи Классификация цап
Дата конвертації30.12.2012
Розмір233.39 Kb.
ТипДокументи
джерело
1. /KONSPEKT/Копия Часть15.doc
2. /KONSPEKT/Полный конспект 2005.doc
3. /KONSPEKT/ЧАСТЬ12.DOC
4. /KONSPEKT/ЧАСТЬ1_2.DOC
5. /KONSPEKT/ЧАСТЬ3.DOC
6. /KONSPEKT/ЧАСТЬ4.DOC
7. /KONSPEKT/ЧАСТЬ5_6.DOC
8. /KONSPEKT/ЧАСТЬ7.DOC
9. /KONSPEKT/Часть13_14.DOC
10. /KONSPEKT/Часть8_11.DOC
Коммутаторы аналоговых сигналов
1. Введение Основные термины и определения
12. инструментальные усилители
1. Введение Основные термины и определения
3. Преобразователи напряжения в ток (пнт)
4. активные фильтры
5 Идеальный однополупериодный выпрямитель
7. Интегральный четырехквадрантный перемножитель напряжения
13. методы Измерения параметров жидкостей и газов
8. Цифро-аналоговые преобразователи Классификация цап

8.Цифро-аналоговые преобразователи

8.1.Классификация ЦАП


ЦАП — устройства, предназначенные для преобразования входного кода, сформированного совокупностью входных логических сигналов, в эквивалентное значение выходного напряжения, тока или сопротивления в соответствии с законом преобразования.

Существует несколько схем, каждая из которых служит базой для построения многих разновидностей ЦАП соответствующего класса(рис.1.1-1.3). Для формирования требуемых уровней аналоговые ключи, управляемые цифровыми сигналами j, либо подключают к выходу ЦАП необходимое количество источников опорных сигналов bi (рис. 1.1,1.2), либо устанавливают соответствующее дискретное значение коэффициента деления (рис. 1.3).

Работа таких ЦАП описывается уравнением

сj=jb, j= 0,1,2…,

где сj-выходной аналоговый сигнал; j- коэффициент передачи ЦАП по току или напряжению; b- опорный аналоговый сигнал; j-порядковый номер цифрового входного сигнала по мере возрастания его значений. Отсюда следует, что собственно преобразованию подвергается опорный аналоговый сигнал, а цифровой сигнал является модулирующим. При изменении значения j на единицу младшего разряда (ЕМР) значение сj увеличивается или уменьшается на значение h, называемое шагом квантования.

По принципу формирования выходного сигнала ЦАП подразделяются на:

  1. ЦАП с суммированием токов.



Рис. 8.1 ЦАП с суммированием токов

где сj — выходной аналоговый сигнал;

b — опорный аналоговый сигнал;

j — управляющие цифровые сигналы.


2.ЦАП с суммированием напряжений



Рис. 8.2 ЦАП с суммированием напряжений

Рис.1.2а Схема 8-ми разрядного ЦАП с суммированием напряжений

Существуют различные способы построения ЦАП с суммированием напряжений на основе схемы 1.2.Следует отметить, что у большинства из них выходное сопротивление изменяется в широких пределах, а ключи и источники опорных сигналов не связаны с нулевой шиной. В последнее время такие ЦАП появились в микроэлектронном исполнении(рис.1.2а). К последовательной резистивной схеме с общим сопротивлением 256R приложен сигнал источника опорного напряжения (ИОН). В процессе преобразования общее сопротивление цепи не меняется, поэтому на каждом из резисторов создаётся стабильное падение напряжения. При помощи системы ключей в соответствии с кодом j определённая сумма этих напряжений поступает на выход.



+b

.

Не смотря на некоторую громоздкость рассмотренной схемы, при современном уровне микроэлектронной технологии на её основе можно создавать недорогие преобразователи среднего качества. Достоинство таких схем состоит в гарантированной монотонности характеристики преобразования .


3.ЦАП с делением напряжений.



Рис. 8.3 ЦАП с делением напряжений

ЦАП с последовательными делителями напряжения содержат два последовательно соединённых управляемых резистора, образующих плечи делителя напряжения Rj и Rj'. Сопротивления этих резисторов определяются следующими соотношениями:


Rj=ijRi, Rj'= ijRi', Ri=R i', где ij=0 или 1, если i-ый ключ соответственно разомкнут или замкнут. Коэффициент передачи ЦАП равен

j=Rj /(Rj+Rj').

Поскольку сопротивления управляются инверсным цифровым сигналом, сумма Rj+Rj' остаётся постоянной во всём диапазоне преобразования. Выходное сопротивление равно Rj. Следовательно ЦАП с последовательными делителями напряжения характеризуются постоянным входным и изменяющимся выходным сопротивлениями.

По характеру опорного сигнала ЦАП подразделяются на:

  1. ЦАП с фиксированным опорным сигналом;

  2. ЦАП перемножающего типа (с изменяющимся опорным сигналом).

Основу ЦАП составляют наборы эталонных базисных элементов и совокупность электронных ключей, соединяющих базисные элементы в соответствии с заданным законом преобразования. Наиболее часто в качестве базисных элементов используются:

  • источники двоично взвешенных токов;

  • наборы двоично взвешенных резисторов;

  • резистивные матрицы.

В качестве электронных ключей могут использоваться биполярные или КМОП транзисторы в ключевом режиме.

8.2.Основные характеристики ЦАП


К основным характеристикам ЦАП относятся:

  1. диапазон изменения выходной величины

Hmin  Hmax;

  1. дискрета цифро-аналогового преобразования

h = , (8.1)

где N — разрядность входного цифрового кода;

  1. динамический диапазон ЦАП

Д = 20lg; (8.2)

  1. ошибка преобразования, которая определяется как относительная величина максимального отклонения передаточной характеристики ЦАП от ее желаемого положения по отношению к диапазону шкалы преобразования (%);

  2. время преобразования — интервал времени, в течение которого после подачи входного кода на выходе устанавливается сигнал с заданным процентным отклонением от истинного (обычно принимают отклонение 5%).

8.3.ЦАП с коммутацией двоично взвешенных резисторов




Рис. 8.4

UВЫХ = EC, n = 0  2N – 1. (8.3)

Для реализации приведенной выше схемы необходимо, чтобы выполнялось соотношение: R >> RКАНАЛА. Для нормальной работы такой схемы ЦАП необходим набор двоично взвешенных резисторов с одинаковой абсолютной, а не относительной точностью. Поэтому такие схемы получили распространение в малоразрядных быстродействующих преобразователях. Дополнительным недостатком является невозможность оперативного управления напряжением образцового источника.



X1

X2

X3

UВЫХ

1

0

0

0

0

2

0

0

1

1/7 EC

3

0

1

0

2/7 EС

4

0

1

1

3/7 EC

5

1

0

0

4/7 EC

6

1

0

1

5/7 EC

7

1

1

0

6/7 EC

8

1

1

1

E­C

Например для комбинации 001 имеем эквивалентную схему





R 2R = ; Uвых=

8.4.ЦАП с генератором двоично взвешенных токов



Рис.8.5

UR = U0 – (–E0) = U0 + E0. (8.4)

UН = RН, (8.5)

где ak = 0 или 1.

Высокая стабильность тока источников, собранных на выходе операционного усилителя, обусловлена тем, что все они работают с одинаковым номиналом резисторов R. Следовательно, транзисторы токовых стабилизаторов имеют одинаковые условия работы. Формирование двоично взвешенных токов производится объединением коллекторных выводов образцовых источников в группы с количеством, соответствующим степеням “2”. Коммутация токов осуществляется дополнительными транзисторами, входными сигналами для которых являются сигналы цифрового кода с выхода элементов серии ТТЛ. Условия открывания и закрывания дополнительных ключей поддерживаются выбором номинала образцового источника U0 на уровне порогового напряжения элементов серии ТТЛ. Из-за разного количества ключей в разрядных группах токи, потребляемые разрядами по цепям управления, увеличиваются по мере увеличения старшинства разряда.

Возможно несколько способов получения относительных весов источников тока, соответствующих разным разрядам. Ещё один из них, показанный на рисунке 1.5а, заключается в использовании двоично взвешенных резисторов, позволяющих получить двоично-взвешанные токи коллекторов транзисторов Т710 . Эти токи коммутируются либо на выход, либо на шину питания через входную шину управления и транзисторы Т14 . Пятый источник тока Т6 служит для создания соответствующего уровня опорного напряжения через операционный усилитель ДА1, резистор Rs и источник опорного напряжения Von. Операционный усилитель управляет базовой шиной транзисторов, обеспечивая необходимый баланс на входе операционного усилителя при( полагая Vсм для ДА1)


(1)

Ток транзистора Т7 соответствует этой величине, поскольку напряжения, значения резисторов и т.п. в цепях эмиттеров равны. Площадь эмиттера транзистора Т8 в два раза больше, чем у Т7 или Т6 , в то время как резистор в цепи эмиттера в два раза меньше. Можно рассматривать транзистор Т8 и его резистор состоящими из двух половинок, через каждую из которых течёт ток, такой же, как и через транзистор Т7 или Т6 , и, следовательно, суммарный ток в два раза больше. Сумма не изменится при соединении этих половинок вновь, в связи с чем коллекторный ток транзистора Т8 будет точно вдвое превышать ток, определяемый равенством (1),т.е.:

.


Аналогично площадь эмиттера Т9 в четыре раза больше площади эмиттера транзистора Т7 , а резистор в цепи эмиттера в четыре раза меньше; тем самым создаётся в четыре раза больший ток, и т.д. Эти расчёты сделаны , конечно, в предположении , что все цифровые входы находятся в состоянии низкого логического уровня, вследствие чего транзисторы Т14 закрыты. Если какой-нибудь цифровой вход имеет высокий логический уровень, то соответствующий ему транзистор замыкает ток элементов источников через транзистор Т5 на источник питания V+. Таким образом, выходной ток Iвых определяется суммой отдельных токов в соответствии с выражением



где nхарактеризует состояние цифрового входа. Это выражение в точности совпадает с выражением 1.5, если пренебречь входным напряжением смещения усилителя. Заметим, что максимальный выходной ток получается при низком логическом уровне на всех цифровых входах и равен (24 – 1)IТ6.


8.5.Ц
АП на основе структуры R–2R




Рис. 8.6

I = , I1 = и т. д. (8.6)

== (an2n + an-12n-1 + … + a020). (8.7)

Такие ЦАП относятся к ЦАП перемножающего типа. Для их работы источник U0 может быть выбран как фиксированного номинала, так и может использоваться в качестве дополнительного входа преобразователя для осуществления операции двухквадрантного умножения мгновенного значения напряжения U0 на вес цифрового двоичного кода.

В качестве ключевых схем в интегральных ЦАП такого типа используются комплиментарные МДП-структуры с парафазным управлением.

Схема преобразователя выпускается интегрально (572ПА1).

9.Аналого-цифровые преобразователи


АЦП — устройства, предназначенные для преобразования электрических величин (напряжения, тока, мощности, сопротивления, емкости и др.) в цифровой код.

По принципу построения АЦП делятся на:

  • параллельные;

  • последовательные.

9.1.Параллельные АЦП





Этот метод аналого-цифрового преобразования можно определить, как метод "грубой физической силы". Здесь для каждого возможного выходного уровня используется один компаратор, и общий выходной сигнал получается в виде двоичного кода путём соответствующего декодирования. Обычный аналоговый компаратор можно рассматривать как одноразрядный параллельный преобразователь, и если он является фиксирующим устройством, то получается уже преобразователь с регистром на выходе. Как правило такой преобразователь имеет внутреннюю архитектуру конвейерного типа, благодаря чему цифровую обработку одного отсчёта можно осуществлять одновременно с записью следующего отсчёта. Такой способ преобразования позволяет осуществить преобразование очень быстро: новый результат появляется на каждом такте. С другой стороны, в этом случае требуется большое число компараторов(255 или 256 для 8-разрядного преобразователя), что предопределяет относительно высокую стоимость устройства. В недалёком прошлом такой преобразователь составлял внушительный "кусок" оборудования, но в последнее время появился ряд АЦП в интегральном исполнении с числом разрядов от 4 до9.

Помимо очевидной сложности многоразрядных параллельных АЦП они имеют ограниченную точность из-за входных напряжений смещения компараторов. Разность соседних напряжений может составлять лишь несколько милливольт, и, если суммарное смещение пары соседних компараторов превышает эту величину, логический сигнал в неправильной последовательности поступит на логическую схему декодирования. Даже если логика работы схемы предусматривает это, ошибка тем не менее неизбежна. Эта проблема решается при реализации преобразователя такого типа в виде интегральной схемы при необходимости обеспечения небольших размеров бесполезной площади компараторов, чтобы достичь как высокого быстродействия, так и держать в разумных пределах бесполезную площадь кристалла и выход готовых изделий. В последнее время появился новый преобразователь в виде интегральной схемы на КМОП-структуре, в котором указанная проблема решается путём автокомпенсации смещения нуля каждого компаратора в течение части цикла преобразования.


Ui = , UBX = 0  U0.

Преобразователи параллельного типа реально выпускаются с разрядностью, не превышающей 8. От всех прочих типов преобразователей они отличаются максимальным быстродействием, обусловленным принципом их работы. Время задержки преобразователя определяется временными параметрами срабатывания микросхем и у лучших преобразователей составляет порядка 1  10 нс. Существенным недостатком таких преобразователей является значительная аппаратурная сложность, которая геометрически возрастает с увеличением числа разрядов.

9.2.Последовательные АЦП


Исходное состояние АЦП соответствует единичному состоянию RS-триггера (Q=1). При этом импульсы от ГОЧ отсекаются от входа счетчика логическим ключом на элементе И-НЕ. Схема находится в статическом состоянии. При появлении на входе ЦАП импульса принудительного запуска АЦП на выходе триггера устанавливается 1, и через открытый логический ключ на вход счетчика начинают поступать импульсы от ГОЧ. Линейное нарастание значения кода на выходе счетчика (двоичного числа) сопровождается формированием ступенчатого линейно нарастающего напряжения на выходе ЦАП. Выходное напряжение ЦАП сравнивается с входным сигналом на компараторе. Компаратор формирует выходной импульс в момент превышения ступенчато-линейным напряжением напряжения входного сигнала. Этот импульс сбрасывает триггер. Процесс преобразования заканчивается, на выходе счетчика формируется код, соответствующий преобразованной входной величине. Недостатком такого типа АЦП следует считать зависимость времени преобразования от величины входного сигнала, которое определяется числом импульсов ГОЧ, поступившим на вход счетчика и может меняться от до , где N — разрядность счетчика.


9.3.АЦП с регистром поразрядного уравновешивания




Алгоритм работы регистра последовательного приближения (регистра поразрядного уравновешивания) сводится к следующему. Цикл преобразования начинается с обнуления состояния регистра. В дальнейшем по каждому тактовому импульсу ГОЧ последовательно переводятся в единичное состояние все разряды регистра, начиная со старшего. На каждом такте цифровой код передается на вход ЦАП, выходной сигнал которого сравнивается с входным компаратором. Выходной сигнал компаратора определяет условия фиксации единичных значений в разрядах выходного кода. Так, если UВХ > UВЫХ, единица в соответствующих разрядах фиксируется, если UВХ < UВЫХ, фиксируется 0. В результате через N тактов ГОЧ (N — разрядность кода) на выходе регистра формируется код, соответствующий преобразованному входному сигналу.

9.4.Следящий АЦП





Следящий АЦП во многом похож на преобразователь последовательного приближения, но в нем вместо регистра последовательного приближения используется реверсивный счётчик. С приходом каждого тактового импульса состояние счётчика изменяется в ту или другую сторону в зависимости от сигнала на выходе компаратора, и, таким образом, выход АЦП отслеживает состояние сигнала на выходе, что и дало название "следящий" этому типу АЦП. Очевидно, цифровые значения на выходе ЦАП будут отслеживать входной сигнал при его изменении со скоростью не более единицы МЗР(младшего значащего разряда) за один тактовый импульс, и если это условие соблюдается, то сигнал на входе будет отслеживаться с задержкой, меньшей одного тактового интервала.

Для такого преобразователя существуют 2 основных режима работы:

  • режим выхода (I);

  • режим слежения (II).

Скорость изменения выходного напряжения ЦАП на режиме выхода определяется величиной дискреты выходного напряжения и частотой импульсов ГОЧ:

v = ГОЧ. (9.8)

В режиме слежения если скорость изменения входного сигнала не превышает максимальную скорость изменения напряжения на выходе ЦАП, преобразование происходит за 13 импульса ГОЧ, то есть старшие N 2 разряда цифрового кода являются верной информацией. При скачкообразном изменении входного сигнала происходит срыв режима слежения, и преобразователь начинает работать аналогично АЦП последовательного преобразования.

9.5.Конвейерные АЦП



В конвейерных АЦП используется совокупность малоразрядных быстродействующих параллельных АЦП и быстродействующих ЦАП. Такая структура позволяет получить сигнал ошибки между реальным значением входного сигнала и его цифровым преобразованным эквивалентом. Сигнал ошибки в аналоговом виде усиливается в количество раз, определяемое разрядностью ступени преобразования (масштабируется на полную шкалу входного сигнала), и ошибка подвергается аналого-цифровому преобразованию аналогичным звеном. Разрядность преобразования при этом удваивается. Суммарное время преобразования в таких структурах определяется временем преобразования одной ступени и количеством ступеней преобразования. Время преобразования одной ступени складывается из времени установления АЦП, ЦАП и масштабирующего усилителя.

9.6.АЦП двойного интегрирования




В этом типе преобразователя для преобразования отношения входного и опорного напряжений используется система "временных пропорций". Существует несколько разновидностей интегрирующих преобразователей, но все они основаны на пилообразном изменении выходного сигнала интегратора под управлением соответствующих сигналов

При работе АЦП двойного интегрирования используются два временных интервала:

  • t0 – t1 — временной интервал фиксированной длительности;

  • t1 – t2 — временной интервал, длительность которого зависит от величины входного измеряемого сигнала.

Такие АЦП могут использовать два алгоритма формирования:

 — заключается в том, что на вход интегратора в момент времени t0 – t1 подается напряжение образцового источника U0, в результате чего к моменту времени t1 напряжение на выходе интегратора достигает фиксированного значения Um. В момент времени t1 переключение ключей подает на вход интегратора измеряемое напряжение. Скорость изменения выходного напряжения интегратора на интервале t1 – t2 зависит от величины входного сигнала. Длительность интервала t1 – t2 получается обратной входному напряжению. В момент достёижения выходным напряжением интегратора нулевого значения компаратор приостанавливает процесс преобразования.

 — на интервале t0 – t1 (фаза "интегрирования входного сигнала". В этой фазе к входу интегратора подключается источник входного сигнала. Тем самым изменяющийся входной сигнал поступает на вход интегратора в течение фиксированного интервала времени, определяемого системой синхронизации и тактирования. На интервале t1 – t2 (фаза "интегрирования опорного сигнала"), на вход интегратора подаётся сигнал от источника опорного напряжения в течение переменного интервала времени, определяемого временем достижения выходным сигналом интегратора своего исходного значения. Это время фиксируется в схеме логической обработки как результат преобразования. (U0). Длительность интервала t1 – t2 получается прямо пропорциональной входному сигналу.

В обоих алгоритмах работы двухтактный процесс позволяет минимизировать ошибки преобразования, вызванные неидеальностью интегратора. АЦП такого типа реагируют на среднее значение входного напряжения в течение такта интегрирования входного сигнала, т. е. АЦП двойного интегрирования являются структурно невосприимчивыми к высокочастотным помехам и пульсациям, которые существуют во входном сигнале.

В настоящее время по структуре двойного интегрирования выпускаются АЦП серии К572. В этих преобразователях используется четырехтактное интегрирование. В первых двух тактах осуществляется аналого-цифровое преобразование при нулевом входном сигнале, результатом чего является ошибка канала преобразования, в двух последующих тактах осуществляется преобразование входного сигнала. Ошибка канала преобразования вычитается из преобразованного цифрового значения.

9.7.АЦП с преобразованием напряжения в частоту (ПНЧ)




Принцип работы АЦП данного типа основан на преобразовании напряжения в пропорциональную ему частоту следования импульсов, которая затем измеряется за фиксированный интервал времени.






Работа преобразователя описывается соотношением:

N = TИЗМ = UВХTИЗМ, (9.9)

где  — величина, обратная крутизне преобразования напряжения в частоту;

 — выходная частота преобразователя напряжения в частоту.

Рассмотрим распространённый вариант такого преобразователя(рис.2.7). В него входят такие элементы, как интегратор на основе ОУ, источник опорного напряжения, компараторы, а также генератор прецизионных импульсов тока. Работа преобразователя основана на том, что скорость изменения выходного напряжения интегратора пропорциональна входному напряжению, поэтому если фиксировать компараторами некоторый небольшой диапазон изменения этого напряжения и оп достижении верхней границы возвращать интегратор в исходное состояние, то частота пилообразного напряжения на его выходе будет пропорциональна входному напряжению.

Другим не менее распространённым вариантом является преобразователь на базе интегрального таймера(рис.2.7а)




Рис. 9.7а

Действие схемы следующее: резисторная цепочка делителя напряжения, включающая три одинаковых резистора, устанавливает пороговые напряжения верхнего и нижнего компараторов 2/3U0 и 1/3U0 соответственно. Хронирующий цикл схемы начинается с запускающего входного импульса ниже значения нижнего порога 1/3U0. Нижний компаратор изменяет состояние, и управляющий триггер переключает выход на его высокий уровень и запирает управляющий транзистор. Это позволяет внешней ёмкости С заряжаться до U0 через внешний резистор R1. Когда напряжение внешней ёмкости достигнет верхнего порога напряжения компаратора , верхний компаратор изменит состояние, что будет причиной для управляющего триггера вновь возвратиться к исходному положению. Выход таймера возвратится на нижний уровень, и транзистор отопрётся для быстрого разряда внешней ёмкости. Выход является высоким только во время цикла заряда ёмкости, который определяется значениями R1 и С.


uC(t) = UП – (UП – UС(0)), (9.10)

где uC — напряжение на емкости.

uC(t) = UП – (UПUП). (9.11)

UП = UП. (9.12)

t = R1Cln 2. (9.13)

СU = It, (9.14)

t === TИЗМ. (9.15)

 ==. (9.16)



Рис. 9.8

UR = IR = UВХ. (9.17)

I = , (9.18)

ВЫХ = UВХ. (9.19)

Динамический диапазон такого преобразователя составляет 60-80 дБ и ограничен сверху временем разряда конденсатора ключевым транзистором таймера. Последний интервал составляет 20-50 нс, что соответствует верхнему граничному значению частоты преобразователя 1 2 МГц при нелинейности передаточной характеристики преобразователя 0,1 0,5 %.

T = TПР + TОБР. (9.20)

при  = 1 кГц = 5010-6; при  = 1 МГц = 510-2.

Снизу динамический диапазон ограничен качеством выполнения преобразования напряжения в ток (симметричностью токового зеркала). Динамический диапазон составляет 60 80 дБ.

9.8.ПНЧ на основе структуры интегратор-компаратор




Рис. 9.9

UA+ = . (9.21)

U2R2  U1R1, R1 < R2. (9.22)

U1 = const, U2 = dt + P. (9.23)

Um = UВЫХ m. (9.24)

U2 = |UВЫХ m|t + UВЫХ m. (9.25)

UВЫХ m = UВЫХ mtИ + UВЫХ m. (9.26)

tИ = R3C (9.27)

Из ( 9 .27) видно, что tИ не зависит от UВЫХ m.

T = R3C,  = . (9.28)





Рис. 9.10

Чем больше UВХ, тем чаще будет происходить переключение.

в точке B |UОП| = U0 (9.29)

U2 = |UВХ|t; (9.30)

–U0 = tИ + U0, (9.31)

tИ = , (9.32)

T = 2tИ = ,  = . (9.33)

Из ( 9 .33) видно, что частота  линейно зависит от UВХ.

Данная схема позволяет преобразовать входной сигнал в частоту выходных импульсов с достаточно большим динамическим диапазоном (90100 дБ). На динамический диапазон сверху накладывается ограничение UВЫХ m операционного усилителя, снизу — напряжение смещения нуля. Частота выходных импульсов может быть порядка 100 кГц.

Преобразователи напряжение-частота широко используются для передачи информации о величине измеряемого сигнала по линии связи. Это определяется следующими положительными свойствами такого способа передачи информации:

  1. для передачи информации требуется одноканальная линия связи (витая пара или коаксиальный кабель);

  2. для восстановления информации требуются устройства с минимальной аппаратурной сложностью.

Иногда используются преобразователи напряжение-период выходных импульсов. Это позволяет более оперативно получать информацию об измеряемой величине.

10.Измерительные преобразователи
для резистивных датчиков


Резистивными датчиками обычно являются проволочные термосопротивления, тензорезисторы, а также набор потенциометров.

10.1.Преобразователь сопротивления в напряжение (ПСН)
с источником стабильного тока




U+ = IRX.

UВЫХ = U+= IRX.

UВЫХ = RX,

K — коэффициент передачи схемы.

Недостатком схемы является малая стабильность коэффициента преобразования, обусловленная стабильностью источника опорного тока.

В качестве источника тока используется полевой транзистор.



Рис. 10.11

U+ = U = UВЫХ. (10.1)

UA = UВЫХ + U0. (10.2)

IR0 = . (10.3)

U+ = URx = IR0RX = RX. (10.4)

UВЫХ = RX. (10.5)

Стабильность коэффициента преобразования схемы зависит от стабильности опорного источника U0. Двумя основными факторами, влияющими на стабильность опорного напряжения, являются:

  • изменение температуры окружающей среды;

  • стабильность тока, протекающего через стабилитрон.

Для устранения влияния температуры в качестве опорного источника следует применять термокомпенсированные стабилитроны (КС191, КС196), имеющие температурный коэффициент напряжения порядка 0,0010,005 .

Для стабилизации тока через опорный элемент в схеме применим стабилизатор тока на полевом транзисторе. Учитывая, что

IСТ = I – IR0, (10.6)

где IСТ — ток через стабилитрон;

I = const — ток стока полевого транзистора;

IR0 = = const,

IСТ = const. Это позволяет устранить влияние ненулевого динамического сопротивления стабилитрона.



I0 = IR2.

UA = UВЫХ – I0R2.

UR1 = UA – U+ = –I0R2.

IRx = IR1 = = –I0.

U+ = –I0RX.

UВЫХ = U+ = I0RX, I0 < 0.

При удаленности измерительного устройства от резистивного датчика возникает проблема получения достоверной информации о сопротивлении датчика, вызванная наличием ненулевого сопротивления подводящей линии. Компенсация сопротивления линии представляет собой значительную трудность, поскольку линия связи и компенсирующие элементы могут находиться в различных температурных условиях.

10.2.Преобразователи сопротивления в напряжение
с четырехпроводной линией связи


а) б)

Рис. 10.12

При четырехпроводной линии связи появляется возможность осуществить разделение токового контура “возбуждения” резистивного датчика и контура снятия информации с датчика. Благодаря высокоомности контура снятия информации падение напряжения на проводах линии связи пренебрежимо мало, и на выходе формируется верный измерительный сигнал. При использовании резистивных датчиков с малым относительным изменением сопротивления наибольшее распространение получили мостовые схемы измерения. При использовании мостовой схемы можно применять трехпроводную линию связи (рис.  10 .12, б).

Будет предполагать, что сопротивления RL равны для всех плеч моста.

UВЫХ = U0 (10.7)

11.Преобразователи входных сигналов для емкостных датчиков

11.1.Преобразователь на основе интегрального таймера




Эти преобразователи используются совместно с чувствительными элементами (датчиками), имеющими емкостный характер выходного сопротивления, изменяющегося под действием измеряемой величины. Выходным параметром преобразователя может служить любая величина электрической природы (напряжение, ток, частота). Последнее обстоятельство определяет вид преобразователя.

С = 0.

 ==, T = Rln 20. (9.34)

11.2.Преобразователь сигнала для емкостного датчика
с компенсацией начального значения емкости


Этот преобразователь предназначен для получения информации об изменении емкости датчика при небольших относительных изменениях емкости. Компенсация начального значения позволяет сформировать передаточную характеристику, при которой выходной сигнал пропорционален абсолютному изменению емкости.

Рис. 9.13



Структура интегратор-компаратор на операционных усилителях DA1 и DA2 формирует систему свазированных прямоугольного и треугольного напряжений. Стабилизация их амплитуды осуществляется двусторонним ограничением на элементах R4, VD1…4. Чувствительным элементом схемы является инвертирующий сумматор на усилителе DA3. На вход сумматора поданы токи резистора R5 и емкости CД*. Оба тока имеют прямоугольную форму и противофазны. Резистор R9 определяет чувствительность преобразователя (коэффициент передачи). Переменный сигнал с выхода инвертирующего сумматора преобразуется в однополярный усилителем со знакопеременным коэффициентом усиления на элементе DA4. Фильтр R14 C2 устраняет глитчи1, вызванные переключением VT. Знак коэффициента преобразования определяется типом транзистора VT.

При подобной структуре построения преобразователя в состоянии баланса измерительный сигнал в точке  проходит параллельно через две ветви на вход инвертирующего усилителя:

  • через резистор R5;

  • через инвертирующий интегратор и емкость датчика (интегрирование, дифференцирование и инверсия фазы).

Баланс схемы не нарушается при изменении уровня напряжения в точке . Стабилизация напряжения в точке  нужна лишь для того, чтобы обеспечить стабильность наклона передаточной характеристики.

UВЫХ = |U3|sign (CД* – С0); (9.35)

uC = U1t, iC = CД*= U1CД*. (9.36)

U3 = (IR5 + IД)R9 = U1R9. (9.37)

UВЫХ = sign (СД* – С0)U1R9. (9.38)

При СД* = С0 =0, откуда

С0 = С1. (9.39)

UВЫХ = –U1R9. (9.40)

Если представить СД = С0 + С,

UВЫХ = –U1R9= –U1R9. (9.41)

Свойства преобразователя могут быть улучшены установкой на место усилителя со знакопеременным коэффициентом усиления DA4 аналогового делителя на базе четырехквадрантного перемножителя с использованием в качестве сигнала-делителя напряжения U1.

1 Глитч — кратковременные выбросы или провалы напряжения, вызванные переключением элемента.




Схожі:

8. Цифро-аналоговые преобразователи Классификация цап iconЦап Світлана Іванівна- вчитель біології Славянської сзш І-ІІІ ступенів
ЗагрузкОткрыЭто письмо можно открыть в приложении "". Приложение получит доступ к информации из этого письма
8. Цифро-аналоговые преобразователи Классификация цап iconКлассификация профессий

8. Цифро-аналоговые преобразователи Классификация цап icon11 класс № урока
Классификация организмов. Принципы систематики. Современная биологическая система
8. Цифро-аналоговые преобразователи Классификация цап iconТема информация и информационные процессы (14 ч.)
Программные средства создания информационных объектов. Классификация и установка программ
8. Цифро-аналоговые преобразователи Классификация цап iconКлассификация овощей
Овощ — кулинарный термин, обозначающий съедобную часть (например, плод или клубень) растения
8. Цифро-аналоговые преобразователи Классификация цап iconВопросы к экзамену по курсу Измерительные средства Автоматики и управления Для специальности 210100 (Уиитс) 2010/2011 уч год
Преобразователи напряжения в ток (для незаземленной нагрузки, схема с увеличением выходного тока, преобразователь напряжения в совокупность...
8. Цифро-аналоговые преобразователи Классификация цап iconКлассификация спектров
Рассмотри внимательно картинки и найди различие между дисперсионным и дифракционным спектрами. Напиши об этом в рабочей тетради
8. Цифро-аналоговые преобразователи Классификация цап iconКлассификация моделей
Цель урока – изучить различные классификации моделей, созданные по разным основаниям
8. Цифро-аналоговые преобразователи Классификация цап iconМетодическая разработка учебного занятия
Оксиды. Их классификация. Свойства. Применение в быту и промышленности. Оксиды в природе
8. Цифро-аналоговые преобразователи Классификация цап iconПримерный перечень(вторая аттестация)
Знаки соответствия и знаки качества: понятие, классификация в зависимости от сферы применения
8. Цифро-аналоговые преобразователи Классификация цап iconОрганическая химия. Основные положения теории строения органических соединений А. М. Бутлерова. Классификация органических соединений. Гомологический ряд алканов. Изомерия и изомеры

Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©lib.znaimo.com.ua 2000-2014
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи