СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №2/2013

обеспечивают двухпроводные диф ференциальные измерения. При диф ференциальных измерениях необ ходимо, чтобы уровень синфазного напряжения источника сигнала не превышал максимально допустимый уровень входного напряжения усили телей. Как показано на рисунке 3б, вве дение дополнительных резисторов позволяет установить известный уро вень синфазного напряжения, причём резисторы не влияют на величину по лезного сигнала, если их сопротивле ние достаточно велико. Как правило, при работе с удалённы ми датчиками на печатных платах ин терфейсов устанавливают входные фильтры, которые одновременно осу ществляют защиту от EMI/ESDи умень шают уровень синфазных наводок (см. рис. 4). Обычно входные фильтры выпол няют на ферритовых кольцах, про ходных конденсаторах ( C 4 , C 5 на ри сунке 4), пассивных RC фильтрах ( R 1 C 1 и R 2 C 2 ), ограничителях пере ходного напряжения (transient volt age suppressor, TVS), в том числе, на стабилитронах ( D 1 , D 2 ). Только ста билитроны ограничивают входное напряжение ИС на безопасном уров не, остальные элементы ограничива ют скорость изменения напряжения. Хотя TVS приборы подобны стаби литронам, они предназначены для быстрого включения и рассеивания энергии импульса напряжения малой длительности и большой величины. Стабилитроны, напротив, предназна чены для ограничения установивше гося напряжения, поэтому во многих случаях применяется комбинация за щитных элементов. При выборе эле ментов R 1 C 1 и R 2 C 2 необходимо учи тывать, что они образуют подавляю щий наводки фильтр нижних частот (ФНЧ), полоса пропускания которо го по синфазному f СM 3dB и диффе ренциальному f –3dB сигналам состав ляет [13]: , , (2) .(3) Элементы R 1 , R 2 и C 1 , C 2 должны иметь максимально идентичные но миналы. Рекомендуется, чтобы сопро тивление резисторов отличалось не более чем на 1%, а ёмкость конден саторов – на 5%. Конденсатор C 3 не только образует ФНЧ для дифферен циального сигнала, но и уменьшает влияние неидентичности отношений R 1 / C 1 и R 2 / C 2 на КОСС, что является крайне важным при дифференциа льном включении датчика, т.к. разли чие отношений R 1 / C 1 и R 2 / C 2 приво дит к ухудшению КОСС на перемен ном токе. И НТЕРФЕЙСЫ ДАТЧИКОВ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ В настоящее время наибольшее при менение находят датчики с выходным сигналом в виде напряжения, тока или заряда, а также ёмкостные и резистив ные чувствительные элементы. Обработка сигналов указанных уст ройств осуществляется с помощью схем на основе операционных усили телей (ОУ) [11], в том числе: ● для датчиков с выходным сигна лом в виде напряжения – инверти рующими и неинвертирующими усилителями напряжения, повто рителями напряжения с большим входным сопротивлением, диффе ренциальными и инструменталь ными усилителями, усилителями с изменяемым коэффициентом пе редачи; ● для датчиков с выходным токовым сигналом – трансимпедансными и логарифмирующими усилителями; ● для датчиков с выходным зарядовым сигналом – усилителями напряже ния и заряда; ● для ёмкостных чувствительных эле ментов – преобразователями ёмкос ти в частоту колебаний или длитель ностьфронта/спада сигнала в напря жение, интеграторами тока; ● для резистивных чувствительных элементов – преобразователями со противления в напряжение, ток, час тоту колебаний или длительность фронта/спада. Чаще всего применяются мостовые схемы включения для преобразования изменяемого параметра чувствитель ных ёмкостных и резистивных эле ментов в напряжение, а также тран симпедансные и дифференциальные (инструментальные) усилители напря жения. При этом существенное улуч шение параметров аналоговых интер фейсов датчиков достигается за счёт включения цифровых потенциомет ров [14, 15]. Ниже приведены упрощён ные схемы интерфейсов на ОУ и пол ные схемы, содержащие цифровые по тенциометры. Так, в трансимпедансном усилителе для фотодиодов (см. рис. 5) один из цифровых потенциометров обеспечи вает подстройку вшироком диапазоне коэффициента преобразования тока в напряжение, а второй – высокоточную установку нулевого уровня постоянно го выходного напряжения. Два цифро вых потенциометра применяются для подстройки нулевого выходного уров ня и диапазона выходных значений в датчике давления, показанном на ри сунке 6, и датчике температуры с пла тиновым терморезистивным элемен том (platinumresistance temperature de tector, PRTD) на рисунке 7. О БРАБОТКА СИГНАЛОВ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Особенностью пьезоэлектрических чувствительных элементов является то, что они генерируют заряд под действием механического напряже ния, но чувствительны только к изме нению усилий, а не к их постоянному уровню, т.е. пьезоэлектрические чувст вительные элементы – это устройства переменного, а не постоянного тока [10, 16]. ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 46 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2013 Датчик С 4 D 1 C 1 C 3 R 1 С 5 D 2 C 2 R 2 + – Рис. 4. Схема включения удалённого датчика с защитными элементами Рис. 3. Рекомендуемые схемы заземления удалённых датчиков а – с «заземлённым» датчиком; б – с «плавающим» датчиком Источник напряжения (датчик) V S Регистрируемое значение напряжения V MEAS = V S + – Источник напряжения (датчик) V S Регистрируемое значение напряжения V MEAS = V S + – а) б)