89394

Датчики и преобразователи информации

Доклад

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

В последнее время в связи с удешевлением электронных систем всё чаще применяются датчики со сложной обработкой сигналов, возможностями настройки и регулирования параметров и стандартным интерфейсом системы управления.

Русский

2015-05-12

309.21 KB

3 чел.

Датчики и преобразователи информации.

Датчик (сенсор, от англ. sensor) — понятие в системах управления, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал.[1]

В настоящее время различные датчики широко используются при построении систем автоматизированного управления.

Применение датчиков

В последнее время в связи с удешевлением электронных систем всё чаще применяются датчики со сложной обработкой сигналов, возможностями настройки и регулирования параметров и стандартным интерфейсом системы управления. Имеется определённая тенденция расширительной трактовки и перенесения этого термина на измерительные приборы, появившиеся значительно ранее массированного использования датчиков, а также по аналогии — на объекты иной природы, например, биологические. Понятие датчика по практической направленности и деталям технической реализации близко к понятиям измерительный инструмент и измерительный прибор, но показания этих приборов в основном читаются человеком, а датчики, как правило, используются в автоматическом режиме.

Классификация датчиков

Классификация по виду выходных величин, в которую преобразуется входная величина

  1.  Неэлектрические
  2.  Электрические

Классификация по измеряемому параметру]

  1.  Датчики давления
  2.  абсолютного давления
  3.  избыточного давления
  4.  разрежения
  5.  давления-разрежения
  6.  разности давления
  7.  гидростатического давления
  8.  Датчики расхода
  9.  Механические счетчики расхода
  10.  Перепадомеры
  11.  Ультразвуковые расходомеры
  12.  Электромагнитные расходомеры
  13.  Кориолисовые расходомеры
  14.  Вихревые расходомеры
  15.  Уровня
  16.  Поплавковые
  17.  Ёмкостные
  18.  Радарные
  19.  Ультразвуковые
  20.  Температуры
  21.  Термопара
  22.  Термометр сопротивления
  23.  Пирометр
  24.  Датчик концентрации
  25.  Кондуктометры
  26.  Радиоактивности (также именуются детекторами радиоактивности или излучений)
  27.  Ионизационная камера
  28.  Датчик прямого заряда
  29.  Перемещения
  30.  Абсолютный шифратор
  31.  Относительный шифратор
  32.  LVDT
  33.  Положения
  34.  Контактные
  35.  Бесконтактные
  36.  Фотодатчики
  37.  Фотодиод
  38.  Фотосенсор
  39.  Датчик углового положения
  40.  Сельсин
  41.  Преобразователь угол-код
  42.  RVDT
  43.  Датчик вибрации
  44.  Датчик Пьезоэлектрический
  45.  Датчик вихретоковый
  46.  Датчик механических величин
  47.  Датчик относительного расширения ротора
  48.  Датчик абсолютного расширения
  49.  Датчик влажности
  50.  Датчик дуговой защиты

Классификация по принципу действия

  1.  Оптические датчики (фотодатчики)
  2.  Магнитоэлектрический датчик (На основе эффекта Холла)
  3.  Пьезоэлектрический датчик
  4.  Тензо преобразователь
  5.  Ёмкостной датчик
  6.  Потенциометрический датчик
  7.  Индуктивный датчик

Классификация по характеру выходного сигнала]

  1.  Дискретные
  2.  Аналоговые
  3.  Цифровые
  4.  Импульсные

Классификация по среде передачи сигналов]

  1.  Проводные
  2.  Беспроводные

Классификация по количеству входных величин]

  1.  Одномерные
  2.  Многомерные

Классификация по технологии изготовления

Элементные

Интегральные

Цифроаналоговые преобразователи

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые. Такое преобразование необходимо, например, при восстановлении аналогового сигнала, предварительно преобразованного в цифровой для передачи на большое расстояние или хранения (таким сигналом, в частности, может быть звук). Другой пример использования такого преобразования — получение управляющего сигнала при цифровом управлении устройствами, режим работы которых определяется непосредственно аналоговым сигналом (что, в частности, имеет место при управлении двигателями).

К основным параметрам ЦАП относят разрешающую способность, время установления, погрешность нелинейности и др. Разрешающая способность — величина, обратная максимальному числу шагов квантования выходного аналогового сигнала. Время установления tуст — интервал времени от подачи кода на вход до момента, когда выходной сигнал войдет в заданные пределы, определяемые погрешностью. Погрешность нелинейности — максимальное отклонение графика зависимости выходного напряжения от напряжения, задаваемого цифровым сигналом, по отношению к идеальной прямой во всем диапазоне преобразования.

Как и рассматриваемые ниже аналого-цифровые преобразователи (АЦП), ЦАП являются «связующим звеном» между аналоговой и цифровой электроникой. Существуют различные принципы построения АЦП.

Рассмотрим наиболее используемые из них. На рис. 3.88 приведена схема ЦАП с суммированием весовых токов.

Ключ S5 замкнут только тогда, когда разомкнуты все ключи S1...S4 (при этом ивых=0). Uoопорное напряжение. Каждый резистор во входной цепи соответствует определенному разряду двоичного числа.

По существу этот ЦАП — инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя. Анализ такой схемы не представляет затруднений. Так, если замкнут один ключ

S1, то uвых=-UoRoc/R,


Что соответствует в первом и нулям в остальных разрядах.

Из анализа схемы следует, что модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S1...S4. Токи ключей

S1...S4 суммируются в точке «а», причем токи различных ключей различны (имеют разный «вес»). Это и определяет название схемы.

Из вышеизложенного следует, что

где Si ,i = 1,2, 3, 4 принимает значение 1, если соответствующий ключ замкнут, и 0, если ключ разомкнут.

Состояние ключей определяется входным преобразуемым кодом. Схема проста, но имеет недостатки: значительные изменения напряжения на ключах и использование резисторов с сильно отличающимися сопротивлениями. Требуемую точность этих сопротивлений обеспечить затруднительно.

Рассмотрим ЦАП на основе резистивной матрицы R — 2R (матрицы постоянного сопротивления) (рис. 3.89). В


схеме использованы так называемые перекидные ключи S1...S4, каждый из которых в одном из состояний подключен к общей точке, поэтому напряжения на ключах невелики. Ключ S5 замкнут только тогда, когда все ключи S1...S4 подключены к общей точке. Во входной цепи использованы резисторы всего с двумя различными значениями сопротивлений.

Из анализа схемы можно увидеть, что и для нее модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S1...S4. Анализ легко выполнить, учитывая следующее. Пусть каждый из ключей S1...S4 подключен к общей точке. Тогда, каклегко заметить, напряжение относительно общей точки в каждой следующей из точек «a»...«d» в 2 раза больше, чем в предыдущей. К примеру, напряжение в точке «b» в 2 раза больше, чем в точке «а» (напряжения Uа, Ub, Uc и Ud в указанных точках определяются следующим образом: Ud = Uo; Uc = Uo/2; Ub = U0/4; Ud = Uo/8). Допустим, что состояние указанных ключей изменилось. Тогда напряжения в точках «a»...»d» не изменятся, так как напряжение между входами операционного усилителя практически нулевое.

Из вышеизложенного следует, что:

где Si ,i = 1, 2, 3, 4 принимает значение 1, если соответствующий ключ замкнут, и 0, если ключ разомкнут.

Рассмотрим ЦАП для преобразования двоично-десятичных чисел (рис. 3.90).

Для представления каждого разряда десятичного числа используется отдельная матрица R 2R (обозначены прямоугольниками). Z0...Z3 обозначают числа, определенные

состоянием ключей каждой матрицы R—2R. Принцип действия становится понятным, если учесть, что сопротивление каждой матрицы R, и если выполнить анализ фрагмента схемы, представленного на рис. 3.91.


Из анализа следует, что

Следовательно U2 = 0,1 U1. С учетом этого получим

Наиболее распространенными являются ЦАП серий микросхем 572, 594, 1108, 1118 и др. В табл. 3.2 приведены параметры некоторых ЦАП.

3.7.3  Аналого-цифровые преобразователи

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) — это устройства, предназначенные для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Для такого преобразования необходимо осуществить квантование аналогового сигнала, т. е. мгновенные значения аналогового сигнала ограничить определенными уровнями, называемыми уровнями квантования.

Характеристика идеального квантования имеет вид, приведенный на рис. 3.92.

Квантование представляет собой округление аналоговой величины до ближайшего уровня квантования, т. е. максимальная погрешность квантования равна ±0,5h (h — шаг квантования).


К основным характеристикам АЦП относят число разрядов, время преобразования, нелинейность и др. Число разрядов — количество разрядов кода, связанного с аналоговой величиной, которое может вырабатывать АЦП. Часто говорят о разрешающей способности АЦП, которую определяют величиной, обратной максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Так, 10-разрядный АЦП имеет разрешающую способность (210 = 1024)-1, т. е. при шкале АЦП, соответствующей 10В, абсолютное значение шага квантования не превышает ЮмВ. Время преобразования tпp — интервал времени от момента заданного изменения сигнала на входе АЦП до появления на его выходе соответствующего устойчивого кода.

Характерными методами преобразования являются следующие: параллельного преобразования аналоговой величины и последовательного преобразования.

Рассмотрим АЦП с параллельным преобразованием входного аналогового сигнала. По параллельному методу входное напряжение одновременно сравниваются с n опорными напряжениями и определяют, между какими двумя опорными напряжениями оно лежит. При этом результат получают быстро, но схема оказывается достаточно сложной.

Рассмотрим принцип действия такого АЦП (рис. 3.93). При Uвх = 0, поскольку для всех ОУ разность напряжений (U+ — U_) < 0 (U+, U_ — напряжения относительно общей точки соответственно неинвертирующего и инвертирующего входа), напряжения на выходе всех ОУ равны — Епит а на выходах кодирующего преобразователя (КП) Zo, Z1, Z2 устанавливаются нули. Если Uвх>0,5U, но меньше 3/2 U, лишь для нижнего ОУ U+ — U_ > 0 и лишь на его выходе появляется напряжение +Епит, что приводит к появлению на выходах КП следующих сигналов: Zo = 1, Z2 = Zl = 0. Если Uвх > 3/2 U, но меньше 5/2 U, то на выходе двух нижних ОУ появляется напряжение +Епит, что приводит к появлению на выходах КП кода 010 и т. д.

Рассмотрим конкретный вариант АЦП с последовательным преобразованием входного сигнала (последовательного счета), который называют АЦП со следящей связью (рис. 3.94). В АЦП рассматриваемого типа используется ЦАП и реверсивный счетчик, сигнал с которого обеспечивает изменение напряжения на выходе ЦАП. Настройка схемы такова, что обеспечивается примерное равенство напряжений на входе Uвх и на выходе ЦАП — U. Если входное напряжение Uвх больше напряжения U на выходе ЦАП, то счетчик переводится в режим прямого счета и код на его выходе увеличивается, обеспечивая увеличение напряжения на выходе ЦАП. В момент равенства Uвх и U счет прекращается и с выхода реверсивного счетчика снимается код, соответствующий входному напряжению.

Метод последовательного преобразования реализуется и в АЦП время — импульсного преобразования (АЦП с генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)). Принцип действия рассматриваемого АЦП


рис. 3.95) основан на подсчете числа импульсов в отрезке времени, в течение которого линейно изменяющееся напряжение (ЛИН), увеличиваясь от нулевого значения, достигает уровня входного напряжения Uвх. Использованы следующие обозначения: СС — схема сравнения, ГИ — генератор импульсов, Кл — электронный ключ, Сч — счетчик импульсов. Отмеченный во временной диаграмме

момент времени t1 соответствует началу измерения входного напряжения, а момент времени t2 соответствует равенству входного напряжения и напряжения ГЛИН. Погрешность измерения определяется шагом квантования времени. Ключ Кл подключает к счетчику генератор импульсов от момента начала измерения до момента равенства Uвхи Uглин. Через UСч обозначено напряжение на входе счетчика. Код на выходе счетчика пропорционален входному напряжению. Одним из недостатков этой схемы является невысокое быстродействие.

Рассмотрим АЦП с двойным интегрированием, который также реализует метод последовательного преобразования входного сигнала (рис. 3.96). Использованы следующие обозначения: СУ — система управления, ГИ — генератор импульсов, Сч — счетчик импульсов. Принцип действия АЦП состоит в определении отношения двух отрезков времени, в течение одного из которых выполняется интегрирование входного напряжения Uвх интегратором на основе ОУ (напряжение UИ на выходе интегратора изменяется от нуля до максимальной по модулю величины), а в течение следующего — интегрирование опорного

напряжения Uon (UИ меняется от максимальной по модулю величины до нуля) (рис. 3.97). Пусть время t1 интегрирования входного сигнала постоянно, тогда чем больше второй отрезок времени t2 (отрезок времени, в течение которого интегрируется опорное напряжение), тем больше входное напряжение. Ключ КЗ предназначен для установки интегратора в исходное нулевое состояние. В первый из указанных отрезков времени ключ К1 замкнут, ключ К2 разомкнут, а во второй, отрезок времени их состояние является обратным по отношению к указанному. Одновременно с замыканием ключа К2 импульсы с генератора импульсов ГИ начинают поступать через схему управления СУ на счетчик Сч. Поступление этих импульсов заканчивается тогда, когда напряжение на выходе интегратора оказывается равным нулю.

Напряжение на выходе интегратора по истечении отрезка времени  t1 определяется выражением

Используя аналогичное выражение для отрезка времени t2, получим

Подставив сюда выражение для Uи(t1), получим

откуда Uвх= Uoat2/t1.

Код на выходе счетчика определяет величину входного напряжения.

Одним из основных преимуществ АЦП рассматриваемого типа является высокая помехозащищенность. Случайные выбросы входного напряжения, имеющие место в течение короткого времени, практически не оказывают влияния на погрешность преобразования. Недостаток АЦП — малое быстродействие.

Наиболее распространенными являются АЦП серий микросхем 572, 1107, 1138 и др. (табл. 3.3)

Из таблицы видно, что наилучшим быстродействием обладает АЦП параллельного преобразования, а наихудшим — АЦП последовательного преобразования.

Таблица 3.3


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

21938. Розв’язання інженерних задач по топографічним картам та планам 324.5 KB
  Це і читання карти визначення координат висот дирекцій них кутів та ін. Визначення меж водозбірної площі Водозбірною площею називають поверхню землі з якої за умовами рельєфу збирається поверхнева вода в даний водостік річку логовину яр і т. Визначення меж водозбірної площі 22. Визначення площ Вимірювання площ ділянок місцевості виконується по топографічним картам та планам графічним аналітичним та механічним способами.
21939. Оцінювання точності геодезичних вимірювань 207.5 KB
  Сукупність що впливають на результати вимірів називають комплексом умов: 1 обєкт; 2 субєкт; 3 прилад; 4 метод; 5 зовнішнє середовище. При порушенні комплексу умов результати вимірів називають нерівноточними. Результати вимірів розглядають з точки зору кількісних та якісних характеристик. Математична обробка результатів вимірів дає можливість отримати як кількісні так і якісні характеристики.
21940. Вимірювання кутів 2.34 MB
  2: вертикальна вісь обертання теодоліта ZZ; вісь візування зорової труби VV; вісь обертання зорової труби НН; вісь циліндричного рівня LL; площина горизонтального кутовимірного круга ГК; площину вертикального кутовимірного круга ВК. П з прямим зображенням зорової труби; М маркшейдерське виконання; А з автоколімаційним окуляром. 1 зорова труба; 230 вертикальний круг; 329 колонки труби; 426 горизонтальний круг; 522 підставка теодоліта; 623 підйомний гвинт; 724 платформа; 8 становий гвинт; 9 ...
21941. Загальні відомості. Системи координат в геодезії 130.5 KB
  Геодезія вивчає фігуру і розміри Землі зображення її поверхні на планах і картах виконання вимірювань необхідних для розвязання різноманітних задач народного господарства та оборони країни. Розвязання надзвичайно складних завдань привело до поділу геодезії на: Вищу геодезію яка вивчає фігуру і розміри Землі її гравітаційне поле визначення координат точок земної поверхні. Супутникову геодезію яка розглядає методи розвязання геодезичних задач за допомогою штучних супутників Землі. Фотограмметрію і дистанційне зондування Землі ...
21942. Топографічні карти та плани 5.78 MB
  Топографічні карти та плани На попередній лекції ми розглянули геодезію як науку про Землю. Масштаби топографічних карт і планів Масштабом топографічної карти або плану називають відношення довжини лінії на карті плані до відповідної горизонтальної довжини цієї лінії на місцевості.5 де М число яке показує ступінь зменшення ліній місцевості на карті плані і навпаки ступінь збільшення ліній карти плану на місцевості тобто: на карті 2.7 Чим менший знаменник М чисельного...
21943. ОПОРНІ ГЕОДЕЗИЧНІ МЕРЕЖІ 2.87 MB
  Для зменшення впливу похибок вимірювань на точність визначення координат пунктів геодезичної мережі її створюють €œвід загального до часткового€. За цим принципом в Україні геодезична мережа поділяється на: державну геодезичну мережу; мережі згущення; знімальні мережі. Планові геодезичні мережі створюють способами: Астрономічний спосіб полягає в визначені широти  довготи  кожного пункту та астрономічного азимута напрямів ліній геодезичної мережі за спостереженнями небесних світил.
21944. Топографічні знімання 9.53 MB
  Топографічні знімання Ми розглянули які виміри виконуються в геодезії як оцінити кількісні та якісні характеристики вимірів. Види знімань місцевості Процес виконання геодезичних вимірів для складання карт і планів місцевості називається зніманням. Якщо при зніманні визначають взаємне розміщення предметів та контурів місцевості то його називають горизонтальним або контурним зніманням. Знімання ситуації та рельєфу місцевості називають топографічним.
21945. ВИМІРЮВАННЯ ДОВЖИНИ ЛІНІЙ 1.36 MB
  Методи та прилади лінійних вимірювань Залежно від наявності приладів вимог точності умов місцевості лінії вимірюють способами: а прямим або безпосереднім способом за допомогою мірних стрічок рулеток підвісних мірних проволок та інших лінійних приладів; б непрямим або посереднім способом за допомогою ниткових віддалемірів та електрооптичних приладів світло та радіовіддалемірів геометричних побудов фігур на місцевості. Між закріпленими на місцевості точками А і В в створі лінії послідовно укладають мірний прилад. Створ лінії утворює...
21946. ВИМІРЮВАННЯ ПЕРЕВИЩЕНЬ 3.47 MB
  Види нівелювання Перевищенням називають різницю висот точок земної поверхні або будівельних конструкцій. Нівелювання вид геодезичних робіт для вимірювання перевищень між точками земної поверхні або споруд. За методами розрізняють такі види нівелювання [1]: Геометричне використовується принцип горизонтальності візирного променя зорової труби. В інженернобудівельній справі переважно використовуються: геометричне тригонометричне та гідростатичне нівелювання.