Методы и аппаратура для измерения вибрации и высокочастотных шумов

Рис. 3.7. Амплитудно-частотные характеристики различных фильтров нижних частот

Идеальный фильтр пропускает с одинаковым коэффициентом (равным, например, единице) колебания, частота которых лежит в диапазоне  от 0 до некоторой частоты среза Wc. Вне этого частотного диапазона идеальный фильтр имеет коэффициент передачи, равный нулю. При выборе полинома стремятся достичь наилучшего приближения реальной характеристики фильтра к идеальной. Причем чем выше порядок полинома, тем больше будет приближаться реальный фильтр к идеальному, но тем сложнее будет его реализация. Известны и широко применяются три вида активных фильтров, отличающихся друг от друга подходами к нахождению наилучшей аппроксимации. Это фильтры Баттерворта, Чебышева, и Бесселя.

Передаточные функции  фильтров верхних частот по своему виду могут отличаться от приведенной выше передаточной функции для ФНЧ только тем, что в числителе функций для ФВЧ стоит произведение Hpn . Для получения из передаточной функции ФНЧ передаточных функций ФВЧ можно подставить в исходную функцию ФНЧ вместо p соответственно выражение 1/p [6].

Для устранения взаимного  влияния ФВЧ и ФНЧ предназначен буферный каскад БК1, а буферный каскад БК2 необходим для согласования с  управляемым аттенюатором (УА). В  качестве буферного усилителя будем  использовать повторитель напряжения, представляющий собой не-инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления, равным единице. Подобный повторитель напряжения образуется путем соединения выхода ОУ с его инвертирующим входом. Входное сопротивление повторителя весьма велико, а его выходное сопротивление мало. Поэтому повторитель напряжения обычно включают между источником сигнала и нагрузкой с целью исключить влияние сопротивления нагрузки на выходное сопротивление источника, имеющее сравнимое с нагрузкой внутреннее сопротивление. При использовании в качестве буферного усилителя, повторитель напряжения обеспечивает развязку одной из схем от нагрузочного влияния следующих за ней каскадов. Эта функция повторителя находит применение в системах преобразования данных. У многих аналогово-цифровых преобразователей входное сопротивление зависит от значения аналогичного входного сигнала [7].

Для автоматического  анализа вибросигнала важно, чтобы  сигнал не выходил за динамический диапазон при уходах изолинии за допустимый предел. Для этого в схеме применяется управляемый аттенюатор, представляющий собой схему усилителя, в которой один из резисторов, например в цепи обратной связи, заменен нелинейным элементом. Сопротивление этого элемента должно зависеть от величины управляющего напряжения. Управляемый аттенюатор выполняет функцию плавной регулировки усиления. Для дискретной регулировки усиления в схему можно включить не инвертирующий масштабирующий усилитель (МУ), в котором с помощью переключателя можно устанавливать три различных коэффициента усиления [6].

Источник управляющего напряжения предназначен для электронного управления коэффициентом передачи аттенюатора. Управление осуществляется путем изменения напряжения на выходе источника, что приводит к изменению  положения рабочей точки нелинейного элемента в схеме аттенюатора.

 С блока усилителей сигнал поступает  в схему цифровой части, где производится его преобразование из аналоговой формы  в цифровую, некоторая цифровая обработка  и передача в персональный компьютер. Для защиты электрических цепей цифровой части от возможного попадания на них напряжения пробоя используется гальваническая развязка между портом компьютера и внешней аппаратурой. Рассмотрим структурную схему цифровой части (рис. 3.8).

Принцип работы схемы  можно описать следующим образом. С аналоговых выходов сигналы поступают на схему коммутатора, который в каждый конкретный момент времени, пропускает один канал на схему аналогово-цифрового преобразования. Дискретные оцифрованные значения записываются в регистр АЦП, а затем передаются по линии связи в порт компьютера. Управляет процессом обработки сигнала микросхема, условно называемая контроллер.

Рис.3.8. Структурная схема  цифровой части системы

В приведенной схеме  под контролером подразумевается  однокристальная микроЭВМ INTEL 8051. Данная микросхема выполнена по высококачественной n-МОП технологии. Потребляет 10 мА на частоте 12 МГц. Выполняет 1 миллион операций в секунду. Не содержит встроенной памяти программ, но вместе с ней могут использоваться до 64 Кбайт внешней постоянной перепрограммируемой памяти программ.

Эта микросхема содержит ОЗУ памяти емкостью 128 байт. С возможностью расширения внешнего объема памяти до 64 Кбайт, за счет использования внешних  микросхем памяти. Общий объем  памяти ОМЭВМ равен 128 Кбайт: 64 Кбайт на память данных [8].

МикроЭВМ может взаимодействовать  с аналоговым сигналом через АЦП, задача которого состоит в преобразовании входного напряжения в пропорциональное ему число. Существует несколько  методов аналого-цифрового преобразования. Рассмотрим принцип действия преобразователя последовательного приближения (рис.2.9). Аналоговый входной сигнал, аппроксимируется двоичным кодом с последующей проверкой каждого бита в этом коде до тех пор, пока не будет достигнуто наилучшее приближение. Значение  аналогового сигнала в двоичном коде сохраняется в регистре последовательного приближения (РгПП). Поразрядно РгПП соединен с выходным буферным устройством, обеспечивающим цифровой выход АЦП с необходимым уровнем выходного сигнала.

    

Рис. 3.9. Структурная схема  АЦП

 

Вся работа АЦП тактируется тактовым генератором (ТГ). После N-тактов сравнения Iвх и Iцап на входе ЦАП получается N-разрядный двоичный код, который является эквивалентном аналогового сигнала. Преобразование происходит за N-тактов, поэтому скорость формирования N-разрядного слова всегда одинакова. Установка РгПП в исходное состояние и запуск его в режим преобразования производится по внешнему логическому сигналу «Гашение/Преобразование». По окончании преобразования АЦП вырабатывает сигнал «Готовность данных» (КП-конец преобразования).

 

 

3.3. Параметры и погрешности преобразователей

 

Число разрядов b - количество разрядов кода, которое может воспринимать ЦАП или вырабатывать АЦП.

Коэффициент преобразования Кпр - отношение приращения выходного сигнала к приращению входного сигнала для линейной  характеристики преобразования.

Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы δп.ш. - отклонение значения входного для АЦП и выходного для ЦАП напряжения (тока) от номинального значения, соответствующее конечной точке характеристики преобразования. Измеряется δп.ш. в единицах младшего разряда (МР).

Напряжение смещения нуля на входе  Uвх0 - приведенное ко входу напряжение, характеризующее отклонение начала характеристики АЦП от нулевого значения. Измеряется в единицах МР или мВ.

Напряжение смещения нуля на выходе Uвых0 - напряжение постоянного тока на выходе ЦАП при входном коде, соответствующем нулевому значению выходного напряжения.

Нелинейность АЦП δл - отклонение от заданной прямой линии точек, делящих пополам расстояние между средними значениями уровней квантования. Нелинейность определяется в процентах от значения диапазона выходного сигнала или в единицах МР.

Время преобразования tпр - интервал времени от момента заданного изменения сигнала на входе АЦП до появления на его выходе устойчивого кода.

Для аналого-цифрового преобразования сигнала с достаточной точностью (~1%) нам достаточно 8-ми разрядное  представление сигнала в цифровой форме. Время преобразования должно быть меньше времени доступа tк1 к одному каналу.

Определим время доступа по формуле:

,

где fд=500Гц - частота дискретизации по одному каналу,

1 - количество каналов.

Получаем tk1=0,002. Этим требованиям отвечает аналого-цифровой преобразователь К1113ПВ1А: δл = ± 0,1%, δп.ш. = ± 20 МР для биполярного тока, Uвх0 = ± 30 мВ, время преобразования tпр ≤30 мкс [9].

С выхода АЦП сигнал поступает через  буферы на микроконтроллер.

Буферы данных обеспечивают связь центрального процессора с  внешними шинами данных. Буферные микросхемы не выполняют логических функций, а  формируют цифровые сигналы и  усиливают импульсы по току. Они  обслуживают шины данных, выполняя системные функции, т.е. отключают от шины неиспользуемые в данный момент приемники и передатчики цифровых слов. Особенность буферов состоит в том, что в каждом разряде они используют логические элементы с тремя состояниями. В них кроме состояний лог.0 и лог.1, предусмотрено еще третье состояние, в котором они имеют практически бесконечное выходное сопротивление и оказываются отключенными от соответствующих шин. Использование таких буферов позволяет процессору отключаться от внешних шин, предоставляя их в распоряжение внешних устройств, а также позволяет использовать одну и ту же шину данных как для приема данных (т.е. в качестве входной шины), так и для выдачи данных (т.е. в качестве выходной шины). Такое использование шины данных позволяет сократить число выводов микросхемы [10].

С буфера данных сигнал через  микроконтроллер, описанный нами выше, поступает на микроЭВМ или на жидкокристаллический индикатор (PG 12864-F). Этот индикатор содержит в своем корпусе: микросхему (T6963C), выполняющую преобразования, связанные с представлением информации в алфавитно-цифровом или графическом виде; жидкокристаллический индикатор, на который выводится информация и устройство подсветки [11].

Выбранная структурная  схема виброизмерительного комплекса  приведена на рисунке 3.9 и на чертеже ЦТРК 1902.013990.000 Э1

 

 

 

Рис. 3.9 Структурная схема  виброизмерительного комплекса

 

4. Разработка электрической принципиальной схемы блока усиления

4.1. Описание электрической  принципиальной схемы

 

На основе рассмотренной  раннее структурной схемы разработаем электрическую принципиальную схему блока усиления. Возьмем наиболее часто используемую схему активного фильтра. Ниже приведена структурная схема фильтра с многоконтурной обратной связью, позволяющая реализовать фильтры нижних и верхних частот второго порядка (n= 40 дБ/дек). Каждый пассивный двухполюсный элемент в этой схеме может быть либо резистором, либо конденсатором.

 

Рис. 4.1. Структурная схема  активного фильтра.

 

Фильтр второго порядка  получается путем каскадного соединения двух RC фильтров и введением положительной обратной связи для увеличения коэффициента передачи фильтра на ограниченной частоте.

Далее рассмотрим схему  полученного фильтра нижних частот (рис. 4.2).

 

Рис. 4.2. Фильтр нижних частот.

Если поменять местами  емкости и сопротивления в  схеме, представленной выше, то получим  фильтр верхних частот (рис. 4.3):

Рис. 4.3. Фильтр верхних  частот.

После прохождения фильтров верхних и нижних частот сигнал поступает на управляемый аттенюатор.Используя логарифмическую зависимость между напряжением на затворе и сопротивлением сток-исток полевого транзистора можно построить управляемый напряжением аттенюатор с линейным изменением выходного   напряжения от величины управляющего сигнала.

Для получения широкого диапазона  изменения коэффициента передачи в  зависимости от приложенного управляющего напряжения можно использовать схему  усилителя с управлением коэффициента усиления аналогового сигнала

(рис. 4.4).

Рис. 4.4 Усилитель с  управлением коэффициента усиления аналогового сигнала

Потенциал на инвертирующем  входе ОУ поддерживается на уровне искусственной земли, в результате чего напряжение между стоком и истоком  полевого транзистора изменяется в небольших пределах даже при широком диапазоне изменения входного сигнала. При этом напряжение сток-исток изменяется в диапазоне, ограниченном величиной запирания полевого транзистора VT1.

Для устранения взаимного  влияния ФВЧ и ФНЧ и для согласования схемы ФНЧ с управляемым аттенюатором будем использовать буферные каскады, собранные на основе схемы повторителя напряжения на операционных усилителях  DA1, DA2. Данный повторитель напряжения представляет собой не инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления, равным единице.

Схема повторителя напряжения, осуществленного на операционном усилителе и показана на рис.4.5

Рис. 4.5 Схема повторителя  напряжения.

С выхода аттенюатора  сигнал поступает на вход усилителя с дискретной регулировкой усиления, который построен на основе масштабирующего усилителя.

Данная схема реализована  путем коммутации резисторов в цепи обратной связи. Для коммутации сигнала  можно применить мультиплексор  К561КП2 (DD1), который позволяет при использовании двухполярного питания пропускать симметричный двухполярный аналоговый сигнал, амплитуда которого от пика может достигать ± .

Мультиплексор подключает одну из входных линий к единственной выходной линии с помощью цифровой команды, называемой адресом. Микросхема К561КП2 имеет 8 входов и один выход. Таким образом, применение этой микросхемы дает возможность устанавливать 8 различных значений коэффициента усиления.