Входные характеристики интерфейсных схем

Если датчик не оснащен встроенной электронной схемой, формирующей выходной сигнал в определенном формате, его практически никогда не удается напрямую под­ключить к процессору, монитору или другой регистрирующей аппаратуре. Обычно сигнал на выходе датчика бывает либо слишком зашумленным, либо очень слабым, либо содержит нежелательные составляющие. В дополнение к этому его формат мо­жет не соответствовать формату системы приема данных. Для подключения датчика к процессорному устройству, как правило, требуется промежуточное согласующее устройство. Схема согласования сигналов часто называется интер­фейсам между датчиком и последующими устройствами. Ее основная цель — преоб­разование сигнала датчика в формат, совместимый с нагрузкой. На рис. 2.1 показан внешний сигнал, действующий на датчик, подключенный к нагрузке через интер­фейсную схему. Его входные характеристики должны быть совместимы с выходными параметрами датчика, а выходные - с входным фор­матом нагрузки.

Рис. 2.1. Интерфейсная схема согласует форматы сигналов датчика и нагрузоч­ного устройства.

Входная часть интерфейсной схемы характеризуется несколькими стандарт­ными параметрами, показывающими насколько точно схема может преобразо­вать сигнал датчика и какой вклад она внесет в общую погрешность.

Входной импеданс показывает насколько сильно интерфейс нагружает датчик. Он может быть выражен в комплексном виде:

, (2.1)

где Z и I – комплексные числа, соответствующие напряжению и току через вход­ной импеданс. Например, если входную часть интерфейсной схемы представить в виде параллельного соединения входного сопротивления R и входной емкости С (рис. 2.2.А), входной импеданс в комплексном виде можно записать как:

(2 .2)

где w - круговая частота, a - мнимая единица. На очень низких частотах схема обладает относительно небольшой входной емкостью, и ее входной импе­данс определяется сопротивлением R, поэтому можно считать, что в этом случае Z≈R. Следовательно, реактивная часть уравнения (2.2) становится очень малень­кой, т.е. выполняется следующее соотношение:

(2.3)

При рассмотрении входного импеданса интерфейсной схемы всегда необходимо учитывать выходной импеданс датчика. Например, если датчик имеет емкостную природу, для определения частотных характеристик входной части интерфейса емкость датчика должна быть подсоединена параллельно его входной емкости. В формуле (2.2) предполагается, что входной импеданс является функцией частоты внешнего сигнала. С увеличением скорости изменения сигнала входной импе­данс уменьшается.

Рис. 2.2. А — комплексный входной импеданс интерфейсной схемы, Б -эквивалентная схема датчика с выходным сигналом в виде напряжения

Эквивалентная схема датчика с выходным сигналом в виде напряжения. В состав схемы входят два импеданса: выходной импеданс датчика Z_оut и входной импеданс интерфейса Z_in. Выходной сигнал датчика представлен в виде ис­точника напряжения Е, соединенного последовательно с выходным импедансом. Для некоторых типов датчиков выходной сигнал удобнее представлять в виде ис­точника тока, включенного параллельно с выходным импедансом датчика. Оба эти варианта идентичны. С учетом двух импедансов входное напря­жение интерфейсной схемы можно записать в виде:

(2.4)

Усилители

Большинство пассивных датчиков обладают очень слабыми выходными сигналами. Их величина часто не превышает нескольких микровольт или пикоампер. С другой стороны входные сигналы стандартных электронных устройств обработки данных, таких как АЦП, частотные модуляторы, различные регистраторы и т.д. должны быть гораздо выше: порядка вольт или миллиампер. Поэтому для подключения датчиков к таким устройствам требуются промежуточные усилители с коэффициентами уси­ления по напряжению до 10 000, а по току до 1 000 000. Усилители, как правило, являются одной из составных частей интерфейсных схем. Существует несколько стан­дартных схем усилителей для подключения различных типов датчиков, реализован­ных на дискретных компонентах: транзисторах, резисторах, конденсаторах и катуш­ках индуктивности. Но в настоящее время чаще всего используются усилители, по­строенные на основе ОУ и пассивных дискретных компонентах.

Следует понимать, что назначение усилителей не ограничивается только фун­кцией увеличения амплитуды сигнала. Они могут также использоваться для со­гласования устройств по импедансу, для улучшения соотношения сигнал/шум, в качестве фильтров и изоляторов между входами и выходами.