СЛ_преобразователи сигналов_АИУ
advertisement
Слайд-лекция на тему: «Преобразователи сигналов» по дисциплине: «Аналоговые измерительные устройства» Преподаватель кафедры Приборостроения Б е л и к Михаил Николаевич Доцент кафедры Приборостроения Алимбаев Саид Толегенович Старший преподаватель кафедры Приборостроения Какимова Клара Шамелевна Специальность 5B071600 - Приборостроение План лекции: 1. Общие сведения; 2. Масштабные преобразователи; 3. Преобразователи импеданса (ПИ); 4. Функциональные преобразователи (ФП). Общие сведения Измерительным преобразователем называется средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателя. Классификация измерительных преобразователей ИП можно классифицировать на следующие группы: - по принципу действия: резистивные, электростатические, электромагнитные, электроакустические, оптоэлектронные, ионизирующие, тепловые, электрохимические и др.; - по физической природе входных и выходных сигналов: электрические — электрические, неэлектрические — электрические, электрические — неэлектрические и неэлектрические — неэлектрические; - по виду входных и выходных сигналов: аналоговый вход— аналоговый выход, аналоговый вход — дискретный выход, дискретный вход — аналоговый выход и дискретный вход — дискретный выход; - по структуре элементарных преобразователей, входящих в ИП, — генераторные, параметрические и радиационные Электрические преобразователи Преобразованный из неэлектрической величины электрический сигнал измерительной информации, пройдя по измерительной цепи или измерительному каналу, претерпевает одно или несколько чисто электрических измерительных преобразований независимо от того, какого рода датчик включен на входе этого средства измерений. Структурные схемы типичных средств измерений Структурная схема с преобразованием неэлектрической величины • Д - датчик-преобразователь неэлектрической величины в электрический сигнал; • ИП1...ИПn цепочка измерительных преобразователей электрического сигнала; • Р - регистрирующее устройство с отображением измерительной информации. Структурные схемы типичных средств измерений Структурная схема с входным ВОД либо электрической, либо неэлектрической величины • ВОД - волоконно-оптический датчик; • ИП1...ИПn цепочка измерительных преобразователей электрического сигнала; • Р - регистрирующее устройство с отображением измерительной информации. Основные задачи электрических измерительных преобразователей В процессе преобразования электрических сигналов возникает необходимость с гарантированной точностью: • усиливать или ослаблять их, т.е. изменять уровень или интенсивность сигнала; • преобразовывать форму или, иначе говоря, изменять характер зависимости напряжения или тока от времени (или частоты, являющейся, как известно, величиной, обратной периоду колебаний); • преобразовывать постоянный или непрерывно изменяющийся во времени так называемый аналоговый сигнал в последовательность импульсов, то есть использовать ИП, именуемые модуляторами, а обратное преобразование осуществлять демодуляторами; • осуществлять преобразование аналогового сигнала в цифровой и наоборот (АЦП/ЦАП). Масштабные преобразователи Масштабными рассматриваемые ИП называются потому, что с их помощью осуществляются изменения в ту или иную сторону (увеличение или уменьшение) уровней измерительных сигналов. Эти преобразователи делятся на пассивные и активные электрические ИП. В преобразователях первой группы, типичными представителями которых являются резистивные (а также конденсаторные) делители и измерительные трансформаторы, не требуется применения источников питания электрической энергией. Типичными представителями второй группы служат различные усилители как постоянного, так и переменного тока. Делители напряжения В аналоговых измерительных устройствах делители напряжения используются для изменения пределов измерения, а также в качестве цепей пассивной обратной связи. В основном в АИУ применяются делители напряжения на резисторах, но в диапазоне частот выше 10 МГц применяются емкостные делители. Резистивный делитель напряжения . Номинальный коэффициент преобразования Эквивалентная схема резистивного делителя на повышенных частотах, когда на работу делителя заметное влияние оказывают паразитные емкости и индуктивности. Реальный коэффициент преобразования с учетом паразитных емкостей и индуктивностей При выполнении условия получим КНОМ = КР. Если рабочий диапазон частот АИУ простирается до десятков мегагерц, наличием паразитной индуктивности элементов схемы прибора можно пренебречь. Тогда условие пропускания всех частот делителем напряжения можно записать в виде R1C1 = R2C2 Входное сопротивление такого делителя зависит от частоты и его значение по модулю определяется из формулы Если R1C1 ≠ R2C2, то в АИП возникает частотная погрешность, которая может быть найдена по формуле Для выполнения условия в схемах делителей напряжения, сопротивления делителей шунтируются конденсаторами, емкость которых подбирают экспериментально при настройке прибора. Измерительные трансформаторы Измерительные трансформаторы разделяются на трансформаторы напряжения и тока. Они позволяют расширить пределы измерения приборов, уменьшая в определенном соотношении ток и напряжение. Достоинством трансформаторов является то, что они обеспечивают гальваническую развязку между измеряемым объектом и прибором. Трансформаторы используются также в токовых щупах осциллографов, в мультиметрах и других измерительных приборах. Измерительные трансформаторы переменного тока Схема включения измерительных трансформаторов тока (ИТТ) и напряжения (ИТН) Коэффициент трансформации идеального трансформатора тока КI и трансформатора напряжения КU выражается следующими соотношениями: Точность измерительного трансформатора характеризуется двумя величинами: погрешностью коэффициента трансформации, определяющей отличие действительных вторичных токов и напряжений от номинальных, γI = (Iном – I)/Iном и γU= (Uном – U)/Uном и угловой погрешностью φI или φU, определяющей фазовый сдвиг между векторами токов или напряжений в первичной и вторичной обмотках. Значение погрешности зависит от: 1) сопротивления, включенного во вторичную цепь, и для ИТТ будет минимально при Z'н = 0, т.е. в режиме короткого замыкания, а для ИТН – при Z'н= ∞, т.е. в режиме холостого хода; 2) сопротивления холостого хода трансформатора Zx.x и будут тем меньше, чем больше Zx.x, т.е. чем меньше ток холостого хода трансформатора. По точности ИТТ и ИТН подразделяются на несколько классов. Наиболее точные лабораторные измерительные трансформаторы имеют классы точности: а) трансформаторы тока – 0,01 – 0,05; б) трансформаторы напряжения – 0,05. Измерительные трансформаторы постоянного тока Измерительные трансформаторы постоянного тока (ИПТП) применяются для измерения больших постоянных токов, а также токов и напряжений в высоковольтных цепях постоянного тока. Погрешности ИТПТ с последовательным соединением вторичных обмоток, главным образом обусловлены отличием реальной петли перемагничивания сердечников от идеальной прямоугольной петли и, в меньшей степени, конечным значением сопротивления вторичной цепи ИТПТ. Для работы в низковольтных цепях до 1000 В выпускаются ИТПТ с номинальным первичным током 5; 7,5; 10; 15; 25 и 35 кА, с основной погрешностью 0,5%. Номинальный вторичный ток 5 А. Для измерения постоянных токов в высоковольтных цепях выпускаются ИТПТ с номинальным первичным током 1; 2 и 4 кА. Измерительные трансформаторы напряжения постоянного тока Принцип действия измерительного трансформатора напряжения постоянного тока такой же, как и трансформаторов постоянного тока. Первичные обмотки соединяются последовательно и через добавочное сопротивление подключаются к измеряемому напряжению. Вторичные обмотки сердечников соединяются параллельно и встречно для взаимной компенсации в первичных обмотках индуктированных ЭДС. Трансформаторы напряжения постоянного тока, так же как и трансформаторы постоянного тока, имеют погрешность коэффициента трансформации, которая главным образом зависит от характеристик материала сердечников. Преобразователи импеданса предназначены для согласования импедансов (полных входных сопротивлений) электрических схем. Различают 2 вида: • преобразователи входного импеданса, которые осуществляют согласование электрической схемы с источниками сигнала (обеспечение при наименьшей погрешности минимального влияния прибора на объект измерения); • преобразователи выходного импеданса, которые согласуют выходное сопротивление электрической схемы с энергетическими свойствами отсчетных устройств (предъявляются требования достижения максимальной мощности в нагрузке при обеспечении допустимого значения погрешности). В качестве ПИ используются катодные, эмиттерные, истоковые повторители и усилители в интегральном исполнении с единичной ОС. Схемы преобразователей импеданса на ОУ, для приборов с входом по напряжению Повторитель напряжения постоянного тока RBX = KRВХ ОУ RВЫХ = RВЫХ ОУ/К Повторитель переменного напряжения RBX = R2K для частот > 1/R1C1. Функциональные преобразователи ФП - это элементы электронных измерительных структур, служащие для преобразования сигнала измерительной информации в соответствии с заданной нелинейной зависимостью. Наиболее часто встречаются x2; x3; lg; 1/x. 2 способа реализация ФП: • Использованием элементов с естественной нелинейностью ВАХ или иной характеристики в сочетании с линейной цепью, которая нужным образом корректирует характеристику нелинейного элемента; • Построением цепи, обеспечивающей ступенчатое изменение постоянных коэффициентов её функции преобразования в зависимости от входной величины. Квадратирующие быть построены: преобразователи могут 1) с использованием элементов с естественной нелинейностью вольтамперной (или иной) характеристики, в сочетании с линейной цепью, нужным образом корректирующей характеристику нелинейного элемента; 2) с использованием цепи, обеспечивающей ступенчатое изменение постоянных коэффициентов gi (i = 1, 2,..., m), ее функции преобразования UВЫХ = F(UВХ, gi) в зависимости от входной величины, например напряжения. Быстродействующие квадратирующие преобразователи Схема квадратирующего преобразователя на основе микросхемы К525ПС2. Схема преобразователя реализующего функцию y = x Погрешность квадратирования определяется погрешностью перемножающей схемы. Для К525ПС2 погрешность перемножения составляет ±1%. Схема логарифмического преобразователя 10 12 где Ео2,З т; т — температурный потенциал, Ik0 — тепловой ток p-n-перехода Предназначен для логарифмирования однополярных сигналов в диапазоне изменения входного тока Ir от 10 пкА до 10 мА. Погрешности преобразования ФП определяются особенностями режима работы p-n-перехода, а также неидеальностью ОУ. Кусочно-нелинейная аппроксимация монотонных функций Если правильно выбрать значения Ui и , то зависимость выходного напряжения UВЫХ от UВХ, будет приблизительно квадратичной. Рекомендуемая литература 1. Информационно-измерительная техника и электроника: учебник для студ. высш. учеб. заведений / [Г. Г. Раннев и др.]; под ред. Г. Г. Раннева – М.: Издательский центр «Академия», 2009. – 512 с. 2. Павлов В. Н., Ногин В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов. – М.: Горячая линия–Телеком, 2001.– 320 с. 3. Лаврентьев Б.Ф. Схемотехника электронных средств. Учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений / Б.Ф. Лаврентьев – М.: Издательский центр «Академия», 2010. – 336 с. 4. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогоцифровых электронных устройств 3-е изд.стер./ Волович Г.И. – М.: Издательский дом «ДодэкаXXI»,2011. – 528 с. Задания для СРС 1. Какие функции выполняют в измерительных устройствах преобразователи? 2. На какие две группы можно разделить преобразователи? 3. Какие функции выполняют масштабные преобразователи, и какие они бывают? 4. Что такое преобразователи импеданса? 5. Что такое функциональный преобразователь? 6. Какие задачи выполняют в измерительных устройствах функциональные преобразователи?
