При адресной коммутации по программе блока управления

ФЦ:=П ф(и ) Ф(/:=А) ф(и/А) ... при циклической разовой работе коммутатора от синхроимпульсов ф((:=1+1; ДО ф(и/1) ф(и/2) ... ф(и/и) Ф(Е).

Двухступенчатая циклическая коммутация может выполняться по командам от блока управления по двум основным режимам (см. рис. 7.14).

Первый режим состоит в подключении всех t-x входов т коммутаторов первой ступени f Фо (t: = t-j-l, Д<у^)ф1 (lAi, .... Qi/ii, .... ?mAm) X и коммутации т выходных сигналов (Il,..., im) с помощью коммутатора второй ступени

X L Фо (/: = / + 1. tJ 92 ( ) 2 (/ = /и) П ы (j = 9) П.

Общее время коммутации Т^ -q (titf,-\-mAtf.. Основное ксличество операций коммутации здесь выполняетЬя коммутатором второй ступени.

Повышения быстродействия коммутатора можно добиться, во-первых, при Д^д- < Atf, во-вторых, если после коммутации /-го канала с помощью /Сг в /-М коммутаторе будет подключен (1Ч-1)-й вход. Таким образом, можно добиться, чтобы общее время коммутации составляло T*i==-tf + qmhtf.

Вообще, идея использования времени, в течение, которого проводится операция в одном коммутаторе для подготовки к операции коммутации в другом, находит применение в целях повышения быстродействия.

Во втором режиме подключается ;-й вход коммутатора

L Фо (/: = /+1; Д'к.) ¥2 ( ) X

и происходит циклическая работа коммутатора Ki - *

2 1

X L Фо (t : = t + 1; УС.) ( = 9) 1 2 (/ = ) 1

Общее время коммутации .........

72 = m(A,+ 9Ai).., ...

Примеры схемных коммутаторов

Коммутация напряжений. Коммутатор аналоговый Ф240 с контактными ключами предназначен для коммутации напряжений постоянного тока от 50 мВ до 180 В. Выпускается несколько типов коммутаторов, различающихся количеством (3 и 2) коммутационных элементов на одну коммутируемую величину и количеством входов (от 40 до 100). В качестве ключей в коммутаторах используются магнитоуправляемые контакты типа РЭС-44-(три ключа) и РЭС-43 (два ключа). Сопротивление замкнутого ключа не превышает 0,5 Ом, а термо-ЭДС - не более 40 мкВ. Сопротивление разомкнутого ключа не ниже 10 Ом.

Входная емкость замкнутого ключа 20 пФ, разомкнутого-100 пФ. По паспортным данным коэффициент передачи напряжения с канала на канал В= =-20 log[(10V/-f) 4-6], дБ. Здесь R - нагрузка коммутатора в омах, а f - частота сигнала в герцах. Это выражение справедливо для RfW° и /10= Гц. Время замыкания и размыкания ключа не больше 1,3 и 0,5 мс соответственно.

Фо(В) -Ф(Т)

Ne Ng

Рис. 7.17. Схема коммутатора Ф240

время между коммутацией двух ключей - не меньше 0,1 мс. Частота работы коммутатора- не более 50 Гц.

В коммутаторе предусмотрен вывод информации о номере подключенного входа в виде кодоимпульсного сигнала в коде 8-4-2-1 и импульсов синхронизации. Основные режимы работы коммутатора - циклический непрерывный, циклический разовый, адресный.

Коммутатор содержит (рис. 7.17) устройство управления, счетчики единиц и десятков.

С приходом управляющего сигнала Пуск Фо (В) на вход двоично-десятичных счетчиков единиц и десятков начинают поступать тактовые импульсы Фа (Г). Двоично-десятичные коды счетчиков единиц и десятков преобразуются в позиционные десятичные сигналы, которые усиливаются и подаются на матричные схемы управления блоков (по 20 шт.) аналоговых ключей. Для повышения надежности и уменьшения сопротивления в замкнутом состоянии используется параллельное соединение ключей.

Коммутаторы измерительных сигналов Ф799 предназначены для коммутации напряжений постоянного тока от -10 до -f-10 В. Выпускаются два типа этих коммутаторов различающихся коммутационными элементами; Ф799/1 повышенной точности с контактными коммутационными элементами и. Ф799/2 повышенного быстродействия с бесконтактными коммутационными элементами. В качестве ключей в коммутаторе Ф799/1 используются реле РЭС-44 с магнитоуправляемыми контактами, а в коммутаторе Ф799/2 - интегральные переключатели КТПЗ. Сопротивление замкнутого контактного ключа не больше 0,7 Ом, а бесконтактного ключа не больше 100 Ом. Сопротивление разомкнутого контактного ключа не менее 5-10 Ом, бесконтактного ключа не менее 10 Ом. Количество коммутационных цепей в коммутаторе 100.

. В каждой цепи могут включаться три или шесть ключей. Число ступеней коммутации одна или две. Предел основной приведенной погрешности замкну-

того коммутационного элемента при сопротивлении нагрузки 10 Ом и закороченном входе: для Ф799/1 ±0,01 7о, для Ф799/2 ±0,1 7о. Время коммутации: для Ф799/1 -не более 10 мс, для Ф799/2- 10 мкс. Основные режимы работы коммутатора - циклические (непрерывный и разовый), адресный и шаговый.

Структурная схема коммутаторов Ф799 в основном аналогична схеме коммутатора Ф240. В каждом блоке ключей Ф799 имеется коммутационный элемент, который может быть использован при организации двухступенчатой работы. Кроме того, в Ф799 имеется блок индикации номера подключенного канала.

Наиболее трудно создать измерительные коммутаторы с бесконтактными ключами, предназначенные для переключения сигналов низкого уровня и имеющие приемлемые для практики погрешности. В этих случаях приходится принимать специальные меры по уменьшению влияния остаточных напряжений и токов ключей, а также цепей управления на коммутируемые цепи.

На рис. 7.18 представлена схема транзисторного коммутатора, предназначенного для работы с термопарами (от 10 до 100 мВ). На этой схеме достаточно наглядно показаны участки цепей управления и питания, требующие развязки для уменьшения влияния цепей питания и управления на коммутируемую цепь. Гальваническая связь между цепями управления и коммутации устраняется здесь путем применения разделительных трансформаторов Tpi-Tpte и раздельных источников питания генераторов управляющих напряжений (ГУН). Уменьшение влияния собственных ЭДС и токов достигается путем инверсного включения транзисторов и подбора сопротивлений Rm и Re (рис. 7.19).

Современные ключи, изготавливаемые методом интегральной технологии, содержат транзисторы в инверсном включении с близкими параметрами, а влияние управляющих импульсов уменьшается с помощью развязывающих диодов [7.7].

Решение вопросов развязки цепей управления и коммутации, а также уменьшения влияния остаточных токов и напряжений существенно упрощается при построении ключей на полевых транзисторах [7.8-7.10]. Это объясняется тем, что полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление (свыше 10* Ом) и практически равные нулю остаточные напряжения и токи.

Например, интегральная микросхема на рис. 7.20 содержит набор коммутационных элементов на МОП-транзисторах, имеющих следующие характеристики: коммутируемое напряжение до 6 В, ток стока 10 мА, ГаЗОО Ом, /plO Ом, Свх^5 пФ, СвыхЗ пФ. Время коммутации здесь может достигать десятков микросекунд. Диоды используются для ограничения напряжения на затворах до уровня, исключающего возможность пробоя диэлектрика.

Для уменьшения влияния сопротивления замкнутого ключа на выходе коммутатора при необходимости используется усилитель с большим входным сопротивлением (порядка 10 Ом).

Выпускаются в интегральном исполнении МОП-переключатели с числом ключей от 2 до 16 (серии 168, 190, 590 и др.).

Объединение таких переключателей дает возможность создавать как одноступенчатые, так и двухступенчатые коммутаторы с различным количеством ключей.

Известны коммутаторы с МОП-ключами на 64 и более входов. В [7.7] приводится описание ключей на интегральных микросхемах типа 8ПМД6; схемы управления ключами (счетчики импульсов и дешифраторы) выполнены на ин-

Rati

RlU2

Рис. 7.19. Схема транзисторного ключа

Рис. 7.18. Транзисторный коммутатор сигналов низкого уровня

Ф(г) <РМ <Р(П) Рис. 7.20. Ключи на полевых МОП-транзисторах

тегральных микросхемах 8ПМД4 и 8ПМД16. Ключ на двух полевых транзисторах может коммутировать двуполярные сигналы. Параметры этого ключа при управлении им от потенциального триггера 8ПМД4 следующие: ?з=2-10Ом, /р=4-10* Ом, [/о=0, (0=0, динамический диапазон - 5 В, Ср=5 пФ.

Для уменьшения влияния относительно большого сопротивления ключа в замкнутом состоянии на его выходе используется согласующий усилитель, выполненный на элементах 8ПМД6, с коэффициентом усиления, близким к единице, и входным сопротивлением более 10 Ом. Погрешность коммутации сигналов постоянного тока зависит от количества коммутируемых сигналов и частоты коммутирующего сигнала (при частоте коммутации порядка нескольких герц погрешность коммутации восьми сигналов - около 0,7%, 16 сигналов-около 1,4%, 21 сигнала - около 2,9%; при частоте коммутации 1000 Гц эта погрешность составляет соответственно для восьми сигналов около 9%, 16 сигналов - около 197о, 32 сигналов - около 387о).

Неплохие результаты дает использование в качестве ключей интегральных прерывателей, обладающих относительно высокими метрологическими характеристиками.

Коммутация сопротивлений. Номенклатура коммутаторов, предназначенных для подключения резистивных преобразователей, относительно невелика. Это объясняется в первую очередь высокими требованиями к коэффициенту коммутации и постоянству сопротивлений ключей, из которых могут быть построены коммутаторы. Кроме того, как это было выше показано, коммутатор должен

Рис. 7.21. Схемы мостовых измерительных цепей с коммутацией ре-зистивных датчиков:

а, б - двухпроводное, трех-проБодное включение термо-компенсированного тензо-резистора; е - включение общего компенсационного датчика

быть изготовлен совместно с частью изь рительной цепи, которая необходима для подключения резистивных преобразователей.

Широкое применение имеют тензорезисторы. Они используются для исследований напряженных состояний сложных конструкций и для преобразования в электрические сигналы механических напряжений, возникающих в упругих измерительных элементах под воздействием внешних нагрузок. Полезное изменение сопротивления проволочных тензорезисторов весьма мало и составляет доли процента от их начального сопротивления (100-500 Ом). Нужно отметить, что начальные сопротивления тензорезисторов после изготовления и приклеивания могут отличаться на -±2% от номинального значения. Для датчиков

без термокомпенсации ее необходимо производить схемным способом с применением компенсационных тензорезисторов, расположенных в том же месте и находящихся в тех же условиях, что и рабочие тензорезисторы, но не испытывающих воздействие измеряемых механических деформаций.

В измерительной системе К732 предусмотрена возможность двух- и трех-проводного включения термокомпенсированных тензорезисторов (рис. 7.21,а, б), а также использование одного (рис. 7.21,в) и двух компенсационных тензорезисторов. Длина соединительных проводов (кабелей) от тензорезисторов до коммутатора (на схеме они выделены зигзагообразными отметками) до 50 м, при двухпроводном включении сопротивление каждого провода олжно находиться в пределах 1,750+0,01 Ом, а при трехпроводной сопротивления линий не должны отличаться друг от друга более чем на ±0,02 Ом. Количество коммутируемых рабочих тензорезисторов 127. Для коммутации тензорезисторов используются магнитоуправляемые контакты реле РЭС-44. Последовательность срабатывания реле определяется управляющей матрицей (16 строк и 8 столбцов), на которую управляющие напряжения поступают от усилителей комбинационных дешифраторов на схемах совпадения, связанных со счетчиками номера канала коммутации. Все электронные узлы выполнены на интегральных элементах серии К155. Операции одной коммутации и измерения занимают около 10 мс. Режимы коммутации - непрерывная и разовая циклическая, а также адресная.

Если преобразовать параметры резистивных датчиков в активные сигналы, то то-да могут быть использованы коммутаторы напряжений или токов. При этом иногда удается повысить быстродействие и срок службы. Некоторые сведения о коммутаторах, выпускаемых приборостроительной промышленностью, имеются в [7.11].

7.4. ЗАЩИТА ВХОДНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ ИИС ОТ ПОМЕХ

Под помехоустойчивостью ИИС понимается их способность противостоять вредному влиянию помех. Основные пути повышения помехоустойчивости ИИС связаны с улучшением защиты от помех аналоговых измерительных цепей систем и с уменьшением влияния помех на результат измерения, главным образом, путем соответствующей обработки измерительной информации в ИИС.

Учитывая, что помехоустойчивость ИИС в значительной степени определяется защитой от помех аналоговых входных измерительных цепей, далее в сжатом виде рассматриваются основные способы такой защиты. Более подробно этот материал изложен в [7.12].

Виды и источники помех

Помехи могут вызываться процессами, происходящими внутри ИИС, а также влиянием внешних источников помех.

Причинами внутренних помех могут служить тепловые шумы в резисторах, термо-ЭДС, изменение сопротивления изоляции, перекрестные влияния измерительных цепей, связи измерительных цепей с цепями питания. К внутренним помехам могут быть также отнесены изменения напряжения источников питания, превышающие допустимые: не считается помехой только кратковременное (от 1 до 30 периодов частоты сети) понижение напряжения сети питания до 30% номинального, полный перерыв в питании может быть до 5 периодов частоты сети (100 мс). Кроме того, через сеть питания могут проникать им-

пульсные высокочастотные возмущения (до 20 МГц) с повышенной амплитудой и длительностью до нескольких микросекунд.

Внешние атмосферные помехи возникают в результате разрядов молний, возникающих в большом количестве (до сотен разрядов в секунду) на Земле, а также от электризации частиц (пыли, снега и т. п.) в атмосфере Земли.

К другому виду внешних электрических помех относятся индустриальные помехи, создающиеся промышленными установками, радиостанциями, электрооборудованием автотранспорта и т. п.

Расположенные вблизи измерительных цепей электроэнергетические установки и силовая проводка питания являются основными источниками так называемых наведенных, или поперечных, помех. Эти помехи являются следствием воздействия внешних электромагнитных полей, а также реактивных связей измерительных цепей с источниками помех. В свою очередь такие факторы, как изменение сопротивления изоляции (например, от влияния повышенной температуры), появление разности потенциалов в разных точках заземления аналоговой измерительной цепи, тепловые шумы могут явиться источниками помех другого вида, которые носят название продольных.

Приведем пример [7.13J, показывающий возможный уровень помех от электрической нагревательной печи, имеющей общую потребляемую мощность 60 кВт. В непосредственной близости от печи максимальное значение напряженности магнитного поля в нашем эксперименте было равно 520 А/м, а на расстоянии 2 м -примерно 40-70 А/м, причем напряженность магнитного поля довольно существенно изменялась по высоте. Напряженность электрического поля достигала 500 В/м. На проводах длиной 5 м при расстоянии между проводами 2 мм и расположении проводов вблизи печи на частоте 50 Гц может наводиться напряжение помехи порядка 2-10-s В. Если учесть, что чувствительность термопар лежит в пределах от 0,5-10- до 7-10-= В/°С, то становится понятной настоятельная необходимость защиты цепей от поперечных помех.

При длине соединительной линии около 30 м и расстоянии между проводами 2 мм на частоте 50 Гц в условиях промышленных помещений напряжение поперечной помехи может принимать значения от нескольких микровольт до десятков милливольт.

Если параллельно измерительным проводам проходят силовые провода, то из-за наличия взаимной индуктивности ЭДС, наводимая на измерительных проводах, может быть найдена из выражения

e=-Mdildt=-2-10+7 / In(0,2021/0:11022) (dijdt),

где I - длина проводов; Af - коэффициент взаимной индуктивности; t -ток в проводах; а - расстояние между проводами.

Нужно учитывать и емкостные связи между проводами. Так, при длине соединительных линий 30 м, погонной емкости 150-Ю- ф/м и сопротивлении линии 100 Ом может быть получено напряжение помехи порядка 15,5-10- В при напряжении на силовых проводах 220 В.

По форме помехи любого происхождения разделяются на импульсные, флук-туационные и регулярные.

Импульсные помехи - это случайно появляющиеся импульсы (но обычно с интервалом не менее длительности импульса) произвольной формы. При независимости времени и амплитуды импульсов помех вероятность появления К

импульсов в течение времени t будет равна р, (t) = c-Kat (дде^ь ]

среднее число импульсов в единицу времени), а плотность распределения вероятностей логарифмов амплитуд импульсов

Весьма часто форма импульсов имеет экспоненциальный характер:

y(t) = A{\-e-*ly, y{t)=A (]-e-/Vosco 0. Флуктуационные помехи - непрерывный случайный процесс, распределение вероятностей которого близко к нормальному:

f(f/) = (l/]A2;.a)e-V2=. Корреляционные функции помехи часто описываются выражениями

(х) = а2е ~°- 1 I или R (т) = о^й^ 1 cos СО(Х.

Регулярные помехи наиболее часто проявляются в виде наведенных помех с частотой сети и ее гармоник:

f/(0 = o+2 ycos(co/-l-¥y).

Весьма широко используется разделение помех на аддитивные, независимые от полезного сигнала, и мультипликативные. Аддитивные помехи y(t) могут суммироваться с полезным сигналом x(t), а мультипликативные помехи служат множителем этого сигнала.

Основные способы защиты от помех

Для оценки эффективности защиты от помех далее используется коэффициент ослабления помех 20 log Цп.вх/Ип.вых, дБ.

К общим мерам уменьшения влияния помех следует отнести использование вида модуляции сигналов, обеспечивающего нужную помехоустойчивость, и повышение уровня полезного сигнала. Рациональный выбор вида модуляции сигналов MOJKeT быть сделан, если известен характер помех. При таком выборе должен быть использован соответствующий материал [7.1].

Для повышения уровня полезного сигнала используется переход к импульсной модуляции. Предполагается, что при переходе от АМ- к АИМ-сигналу удае ся сокращением длительности импульса повысить его амплитуду. Предел такому повышению сигнала ставят тепловые, временные ограничения, а в некоторых случаях - электрическая прочность элементов измерительной цепи. При использовании импульсного питания измерительных цепей с тензорезисторами, закрепленными на поверхности металлической детали с достаточной теплоемкостью, удается повысить полезный сигнал более чем на порядок и ослабить влияние помех до 20 дБ. Нужно отметить, что длительность импульса, постоянные времени измерительной и тепловой цепей должны быть такими, чтобы за время измерения тепловой режим изменился незначительно.

Для уменьшения влияния продольных помех используется ряд мер. Одна из них - гальваническое разделение частей цепи, в которых имеются места за-емления. Гальваническое разделение производится преимущественно с помощью трансформаторов и разделительных конденсаторов. Принцип их действия ясен из рис. 7.22 и 7.23. Ключи могут быть как контактными, так и бесконтактными. Гальваническое разделение измерительных цепей с помощью оптронов пока находится в исследовательской стадии.

Рис. 7.22. Измерительные схемы для уменьшения продольных помех с разделительным и компенсирующим трансформаторами:

Э], Sj -экраны; г^, г^, - сопротивления генераторного датчика и проводов; Е^д -ЭДС продольной помехи; L, L3 - обмотки компенсирующего трансформатора

AT -С

и

>

Рис. 7.23. Измерительные схемы для уменьшения продольных и поперечных помех:

ТП - термопара; КТ - компенсирующий трансформатор; С - разделительный конденсатор

И'И

А

т

Рис. 7.24. Симметрирование входной цепи

Другая мера - симметрирование входной измерительной цепи (рис. 7.24). Напряжение от продольной помехи пд на входе АВ: uab=Enn[RBxil{Rxi + -1-и-1-Гл)-/?ех2/(/?вх2-1-Гл)] при Лвх1=/?ех2>и+Гл стремится к нулю. Если соединить точку между Rbxi и /?вх2 с землей через высокоомное сопротивление Ro, то можно добиться дополнительного уменьшения (пд)ав.

Наконец, используются мостовые цепи, сбалансированные по напряжению продольной помехи, и компенсирующие трансформаторы.

На рис. 7.22,6 представлен трехобмоточный (Lj, L, L3) трансформатор, в обмотках Lt и L2 которого наводятся напряжения, компенсирующие влияние помехи пд.

Имеются трансформаторы (фирма Philips), у которых индуктивность обмоток равна 400 Гн, а активьюе сопротивление - 240 Ом; в такой схеме происходит уменьшение продольной помехи 50 Гц примерно в 500 раз.

Защита измерительных цепей от внешних наведенных (поперечных) помех достигается рядом мер, к числу которых относятся уменьшение длины проводов за счет приближения к датчикам аналого-цифровых измерительных устройств, а также сближение и скрутка проводов, идущих к датчикам. При скрутке проводов ЭДС, наводимые в отдельных элементарных контурах, вычи-

таются, и благодаря этому удается уменьшить влияние поперечных помех на измерительные провода на несколько порядков.

Применяют также магнитное и электростатическое экранирование входных цепей от низкочастотных и высокочастотных магнитных полей. Экраны должны иметь замкнутую поверхность, охватывающую измерительную цепь и отдельно источники переменного тока. Части систем с разными потенциалами или имеющие гальванические развязки должны иметь свои экраны. Экранировка проводов может ослабить наведенные помехи 50 Гц до 30 дБ.

Компенсировать наведенные помехи можно путем организации специальных контуров. Типичные решения при этом связаны с трехпроводными схемами подключения датчиков (см. предыдущий параграф), применением компенсирующего трансформатора и др. При использовании параметрических датчиков можно изменять полярность питания измерительной цепи и брать среднее из суммы и разности полезного сигнала Uc и помехи u:[(Uu + Ue) + (Uu-Ыс)]/2.

При синусоидальной наведенной помехе возможно вьтолнение измерений в моменты, когда помеха принимает допустимо малый размер. При таком методе удается получить значительное ослабление помехи.

Для уменьшения внутренних помех целесообразно провода питания прокладывать и экранировать отдельно от измерительных проводов с низким уровнем полезного сигнала, коммутация сигналов высокого и низкого уровней должна проводиться отдельными коммутаторами. В необходимых случаях следует использовать специальные средства защиты от перерывов питания.

Должны быть продуманы места заземления измерительных цепей. Некоторые из таких мест определяются правилами электробезопасности или технологическими приемами монтажа элементов измерительной цепи (например, присоединением спая термопар к металлической поверхности). Некоторые точки заземления могут появиться в процессе измерительного эксперимента, например, из-за нарушения сопротивления изоляции, что может привести к организации контуров, вызывающих дополнительные погрешности. Такие контуры образуются, если заземлять экраны в нескольких точках. При проектировании системы рекомендуется составить и проанализировать схему заземления, а при наладке - уточнить ее.

Дальнейшее повышение помехоустойчивости может быть достигнуто обработкой суммы сигнала с помехой, имеющей случайный характер, в аналоговом или цифровом виде. Наиболее часто встречающиеся здесь виды обработки - это фильтрация и накопление сигналов, в течение которого происходит усреднение.

В интегрирующих аналого-цифровых преобразователях ослабление влияния помех может достигать 100 дБ.

Индивидуальные фильтры, как правило, просты (обычно однозвенные 7?С-фильтры). Их частотная характеристика выбирается, исходя из спектральных характеристик сигналов и помехи. Удобные номограммы для расчета RC-фшът-ров приведены в [7.14, 7.15]. Ослабление сигнала и внесение запаздывания - наибольшие недостатки фильтрации. На практике при фильтрации и избирательном усилении удается ослабить помехи на 40 дБ, а при методе накопления- иа 120 дБ.

При проектировании аналоговых измерительных цепей выбирается такой комплекс средств защиты, при котором действие помехи не превышает заданного уровня.