Одноканальные системы сбора данных

 

На рис. 2.2 показана структурная схема типичной одноканальной системы сбора данных. Сигнал, поступающий от измерительного преобразователя, как правило, мал по амплитуде, к нему примешаны нежелательные шумы, и, кроме того, может возникнуть необходимость в согласовании его параметров (амплитуда) с цифровой частью. Формирование сигнала с оптимальными характеристиками для последующей обработки осуществляется с помощью усилителей, фильтров и других аналоговых схем (все это можно назвать блоком подготовки). В дешевых системах сбора данных иногда используется прямое преобразование, когда сигнал с выхода схем формирования (или согласования) непосредственно подается на вход АЦП. Однако в большинстве применений обязательным является наличие устройства выборки – хранения, которое описывается ниже.

 

 

Рисунок 2.2 - Блок-схема одноканальной системы сбора данных

 

Выше уже отмечалось, что устройство выборки–хранения (УВХ) предназначено для уменьшения погрешности в выходном сигнале преобразователя, связанной с неопределенностью значения входного сигнала в течение времени преобразования при очень быстром его изменении. УВХ нужны также для многоканальных систем сбора данных, где они обеспечивают хранение отсчета для выполнения преобразования по одному каналу, в то время как мультиплексор переключается на другой канал. Они иногда используются для фиксации импульсных помех во входном сигнале или в тех случаях, когда нужно выполнить отсчеты значений двух или большего числа сигналов точно в один и тот же момент времени (одновременная выборка).

На рис. 2.3 показаны упрощенная принципиальная схема и форма сигналов для типичного УВХ.

 

 

Рисунок 2.3 - Пояснение работы УВХ: а – упрощенная принципиальная схема;

б – временная диаграмма сигналов с указанием важнейших характеристик УВХ

 

Аналоговый ключ S1 замыкается при поступлении команды SAMPLE (Выборка). Конденсатор С начинает заряжаться (или разряжаться) до уровня входного сигнала. После определенной временной задержки, называемой “временем захвата”, напряжение на конденсаторе достигает границ узкой области вблизи уровня входного сигнала, ширина которого определяется установленной точностью приближения к этому уровню, и остается внутри данной области. Команда HOLD (Хранение) вызывает размыкание ключа S1, но на самом деле ключ размыкается после короткого временного интервала, называемого “апертурным временем задержки”. Типичное значение апертурного времени ta – несколько десятков наносекунд. Величина t_a определяет максимальную допустимую скорость изменения входного сигнала, при которой еще реализуется полная точность преобразования. Однако после размыкания ключа должно пройти некоторое “время установления”, прежде чем выходной сигнал УВХ стабилизируется, то есть придет к установившемуся значению и будет готов для преобразования. Однако и после стабилизации уровень этого сигнала на самом деле не остается постоянным, а медленно спадает со временем (утечка заряда). Кроме того, наличие паразитной емкости может привести к появлению на выходе УВХ выбросов напряжения, представляющих собой ослабленный отклик схемы на любые большие изменения входного сигнала. Это явление называется паразитным прохождением сигнала в режиме хранения.

Следует обратить особое внимание на выбор типа и номинала запоминающего конденсатора. При выборе конденсатора с малой емкостью уменьшается время захвата, но увеличивается спад напряжения в режиме хранения. С другой стороны, конденсатор с большой емкостью более точно хранит напряжение, но при этом может быть неприемлемо велико время захвата. При использовании УВХ в АЦП время хранения, как правило, ненамного превышает время преобразования АЦП. Поэтому для заданного номинала конденсатора мы можем оценить полный спад напряжения за время одного преобразования. Номинал конденсатора выбирается таким образом, чтобы получить наилучшее время захвата при условии, что спад напряжения за время одного преобразования не превышает величины МЗР.