CAPITUL. 2 Sisteme de condiionare a semnalelor

3.1 Generaliti Prin condiionarea semnalelor se nelege n sens larg adaptarea dintre traductoare i circuitele de conversie analog-numeric. Tipul de condiionare depinde evident de senzorii care sunt utilizai. De exemplu, un semnal poate avea nivel mic i necesit o amplificare, sau poate conine componente parazite care cer realizarea unei filtrri. Anumite operaii de condiionare de semnal se realizeaz ntre circuitele de conversie numeric-analogic i elementele de execuie, precum i pe partea de intrri/ieiri numerice. Condiionarea semnalelor se realizeaz prin operaii cum ar fi: conversii de semnal (cum ar fi conversia curent/tensiune) izolare galvanic amplificare filtrare liniarizare multiplexare alimentarea senzorilor pasivi

Rolul principal al acestor circuite este conversia semnalelor analogice de la ieirea traductoarelor n semnale compatibile cu intrrile blocurilor de conversie analog-digital (tensiuni cu limite de variaie cuprinse ntre 0 +1V; 0 +5V; 0 +10V; 1V; 5V; 10V). Funciile ndeplinite de aceste circuite se pot defini astfel: conversia semnalului de ieire al unui traductor n tensiune electric; adaptarea de nivel a acestei tensiuni; separarea galvanic a sistemului pentru achiziie de date fa de sursa de semnal (dac se impune aceasta); rejecia zgomotelor de joas i nalt frecven (filtrarea semnalului); preprocesarea analogic a semnalului (liniarizare, derivare, integrare, multiplicare etc). Majoritatea firmelor de specialitate livreaz sistemele pentru achiziie de date sub form modular, iar circuitele de condiionare a semnalelor se realizeaz, de regul, pe un modul separat. Se fac asemenea module pentru termorezistene, termocupluri, traductoare tensometrice rezistive, traductoare inductive de deplasare, transformatoare difereniale, traductoare piezoelectrice etc. Dac utilizatorul nu dispune de astfel de module, circuitele de condiionare a semnalului se pot realiza pentru fiecare tip de traductor n parte. Majoritatea traductoarelor analogice utilizate pentru conversia mrimilor neelectrice n semnale electrice nu furnizeaz ia ieire tensiuni electrice. n aceast categorie se ncadreaz traductoarele parametrice rezistive, inductive, capacitive, unele traductoare generatoare (piezoelectrice, fotoelectrice), de radiaie i altele.Prima funcie a circuitelor de condiionare este conversia acestor semnale n tensiuni electrice.Structura circuitelor de condiionare a semnalelor este determinat de tipul traductoarelor utilizate. Traductoarele parametrice convertesc mrimea de msurat n variaia unui parametru electric (rezisten, inductan, capacitate). Traductoarele parametrice rezistive i modific rezistena sub aciunea mrimilor de msurat. Variaiile de rezisten nu se pot transforma n tensiune electric dect prin asocierea unei surse de tensiune sau de curent. Exist dou variante de circuite pentru conversia rezistenei n tensiune electric: n montaj poteniometric; n punte.

Montajul poteniometric este cel mai simplu, dar este sensibil la aciunea mrimilor perturbatoare i la deriva surselor de alimentare, avnd i inconvenientul datorat prezenei unei tensiuni de mod comun suprapus peste tensiunea purttoare a informaiei de msurare. Sursele de alimentare utilizate sunt de preferin n curent continuu, astfel c eventualele reactane parazite nu afecteaz lanul de msurare.

Fig. 3.1. Circuite de conversie n montaj potenpometric

Circuitul de conversie n montaj poteniometric este prezentat n fg.3.1.a. Traductorul Rt este nseriat cu o rezisten Rt i conectat la bornele unei surse de curent continuu. Considernd sursa de alimentare ideal, tensiunea de ieire a circuitului de conversie are expresia:

unde rezistena electric a traductorului este Rto (n lipsa mrimii de msurat). La o variaie a

Variaia tensiunii de ieire a circuitului de conversie este legat de variaia rezistenei traductorului prin relaia:

conducnd la o caracteristic de conversie neliniar. Dac este respectat condiia

se obine:

n cazul general, al surselor reale cu rezistena intern r, iar blocul ce urmeaz dup circuitul de conversie avnd rezistena de intrare Ri (fig. 2.1b), expresia tensiunii de ieire este:

Micorarea rezistenei Ri atrage dup sine o mrire a neliniaritii caracteristicii de conversie. n situaia optim, cnd, se ajunge la :

n cazul n care variaia tensiunii de ieire capt forma :

Pentru montajul din fig.3.2.a conversia va fi liniar numai dac Ri este un traductor de acelai tip cu Rt dar cu variaii de rezisten de semn contrar, adic :

Pentru acest tip de montaj poteniometric relaiile privind tensiunea de ieire sunt:

i

rezultnd o caracteristic de conversie liniar de forma :

Circuitul de concersie n montaj de punte de c.c.

n cazul montajului poteniometric, variaia DU a tensiunii de ieire, care poart informaia de msurare, este suprapus peste tensiunea Uo (tensiune de mod comun). Diferena de nivel ntre Uo i DU face ca obinerea informaiei dorite s fie dificil. De exemplu, dac Uo = 10V i DU = 5mV, iar msurarea se face cu un voltmetru de 3 1/2 digii, pe intervalul de msurare de 20V, variaia nici nu poate fi sesizat.

Circuitul de conversie n montaj de punte de curent continuu (punte Wheatstone n regim neechilibrat fig. 2.2.) asigur eliminarea deficienelor prezentate anterior. Traductorul rezistiv, avnd rezistena nominal Rto se conecteaz ntr-o latur a punii, n celelalte laturi fiind rezistene de precizie, dintre care unele reglabile. Puntea este iniial adus la echilibru, prin reglarea rezistenelor variabile, pentru valoarea nominal Rto a rezistenei traductorului.Datorit variaiei mrimii neelectrice, rezistena traductorului se modific cu DRt iar puntea se dezechilibreaz, rezultnd la ieire o tensiune de dezechilibru DU.

Dac, atunci

Aceast relaie indic o dependen neliniar ntre tensiunea de ieire DU a punii i variaia rezistenei traductorului. Simultan cu creterea variaiei neliniaritatea se accentueaz.

De exemplu, pentru neliniaritatea este de 0,5%. Pentru variaii mici DRt (ex. traductoarele tensometrice rezistive), cnd se obine o liniaritate suficient a caracteristicii de transfer:

Pentru mrirea sensibilitii punii de dou ori se pot utiliza dou traductoare identice montate n dou laturi opuse ale punii, iar pentru mrirea sensibilitii de patru ori, se folosesc patru traductoare conectate n patru laturi ale punii, cu condiia ca perechile de traductoare din laturile opuse ale punii s aib variaii inverse sub efectul mrimii de msurat. ntruct tensiunea de dezechilibru a punii depinde de tensiunea de alimentare Ue (rel.2.10) pentru a elimina erorile de msurare datorate variaiilor acestei tensiuni (dei aceste erori sunt relativ mici) se folosesc surse stabilizate de tensiune. De exemplu, se poate utiliza sursa de referin AD581 (Analog Devices) cu tensiunea de ieire de 10V, urmat de un amplificator operaional n montaj repetor, ce asigur o rezisten mare de intrare.Pentru realizarea circuitelor de conversie n cazul traductoarelor parametrice inductive sau capacitive se folosesc foarte rar montaje poteniometrice. Soluia optim const n utilizarea unor puni de inductane sau capaciti, alimentate cu tensiune alternativ sinusoidal, avnd frecvena mult mai mare dect frecvena maxim cu care variaz mrimea de msurat, pentru a putea extrage cu uurin informaia de msurare din tensiunea de ieire a punii, modulat n amplitudine de variaia reactanei traductorului.Schemele utilizate sunt reprezentate n figurile 3.3; 3.4., respectiv puntea Maxwell pentru traductoare inductive i puntea Sauty pentru cele capacitive.

Fig. 3.3. Puntea Maxwell pentru traductoare inductiveFig. 2.4.Puntea Sautypentru traductoarecapacitive

Dac punile sunt iniial echilibrate, prin reglarea parametrilor Re i Ce la puntea Maxwell, respectiv Ce la puntea Sauty, o variaie ulterioar a inductanei, respectiv a capacitii traductonilui, conduce la apariia unor tensiuni de dezechilibru, avnd expresiile n complex:

n situaiile n care variaiile de impedan , respectiv de capacitate sunt mici n raport cu sau expresiile tensiunilor de dezechilibru devin:

adic variaz liniar cu , respectiv . Avnd n vedere c aceste tensiuni depind, de regul, neliniar de variaia impedanei traductorului, o soluie mult mai bun const n utilizarea unor traductoare difereniale, cele dou impedane iniial identice ale traductorului fiind conectate n laturi alturate (fig.3.5.)

Fig. 3.5. Punte pentru traductoare difereniale

n acest caz tensiunea de dezechilibru a punii are expresia:

Se arat c att n cazul traductoarelor rezistive ct i al celor inductive i capacitive, tensiunea de dezechilibru variaz practic liniar cu variaia mrimii neelectrice de msurat. n plus, faza tensiunii DU este dependent de semnul variaiei acestei mrimi, fiind posibil detectarea sensului de variaie a mrimii msurate. Aplicaiile tipice pentru acest mod de condiionare sunt montajele pentru traductoare de deplasare inductive i capacitive.

3.2 Amplificatoare

Prin amplificator se nelege procesul de mrire a valorilor instantanee ale unei puteri sau ale altei mrimi , fr a modifica modul de variaie a mrimii n timp i folosind energie unor surse de alimentare .

Amplificatoare de msurare Extinderea gamei de msurare, n special spre valorile mici ale mrimilor msurate, nu se poate concepe fr folosirea unor amplificatoare cu performan deosebite; creterea acuratei presupune utilizarea unor circuite speciale care s mbunteasc raportul semnal -zgomot, ca de exemplu, filtrele sau detecia sincron. Folosirea pe scar tot mai larg a sistemelor complexe de msurare, conducerea proceselor industriale asistat de calculator, nu poate fi realizat fr utilizarea unor circuite electronice adecvate cu care s se asigure interfaa acestora n punctele de intrare si iesire, precum si prelucrarea optim a semnalelor.Avnd n vedere cele de mai sus, n continuare, vor fi prezentate principalele circuite electronice ce se folosesc n construcia aparatelor electronice de msurat.

Nivelul semnalelor electrice obinute la iesirea traductoarelor si a circuitelor de msurare este de ordinul (10-2...10-12)W sau chiar mai mic, ceea ce face necesar amplificarea acestora pentru a putea fi folosite n procesul de msurare. Dispozitivul care realizeaz cresterea nivelului energetic al semnalului, fr a modifica forma sau structura acestuia se numeste amplificator. Principalul parametru al amplificatoarelor este amplificarea (sau cstigul), definit ca raportul dintre mrimea de iesire si mrimea de intrare. Deoarece mrimile de intrare/iesire pot fi tensiuni, cureni sau puteri rezult c se pot defini: amplificarea n tensiune, amplificarea n curent, amplificarea n putere. n practic se foloseste, de obicei, amplificarea n tensiune, care n continuare, va fi numit amplificare. Dac tensiunea de intrare este U1, iar tensiunea de iesire este U2, amplificarea va fi: A = sau A = 20 log [dB] Amplificarea este o caracteristic de transfer a amplificatorului. Considernd mrimile U1 si U2 complexe, rezult c si amplificarea este o mrimecomplex, ceea ce se traduce, din punct de vedere electric, prin existena unui defazaj ntretensiunea de iesire si tensiunea de intrare. Exprimarea amplificrii n decibeli este avantajoasla calculul amplificrii totale a unui set de amplificatoare legate n cascad, amplificarea totalfiind n acest caz, egal cu suma amplificrilor exprimate n dB. n funcie de natura fiecrei aplicaii, de caracterul semnalului, de forma si nivelul perturbaiilor, se alege tipul amplificatorului, condiiile impuse amplificatoarelor de msurare fiind, n general, mai severe dect cele impuse altor tipuri de amplificatoare.

3.2.1 Caracteristici de baz ale amplificatoarelor

O prim caracteristic, pe baza creia se stabileste corespon-dena ntre semnalul de intrare si semnalul de iesire din amplificator, este caracteristica de transfer static, care n cazul ideal este o dreapt ce trece prin origine (figura 3.6 ). n realitate, aceast caracteristic nu este o dreapt, ci o curb, n cadrul creia se disting trei regiuni: - regiunea I-a, corespunztoare nivelului mic al semnalului de intrare, secaracterizeaz prin faptul c tensiunea de iesire depinde foarte puin de tensiunea de intrare,valoarea ei fiind dat n primul rnd de tensiunea de zgomot propriu a amplificatorului sitensiunea de deriv de zero (pentru amplificatoarele de curent continuu); - regiunea a II-a este o regiune util de lucru a amplificatorului, pentru care exist orelaie de proporionalitate ntre tensiunea de iesire si tensiunea aplicat la intrare. Abaterea dela caracteristica ideal liniar se apreciaz cu ajutorul erorii de neliniaritate, de definit ca fiindraportul dintre abaterea maxim a tensiunii de iesire DUmax si valoarea maxim a acestei

= * 100% Pentru amplificatoarele de msurare aceast eroare de neliniaritate este cuprins ntre0,01 si 1%;

- n regiunea a III-a, caracteristic pentru semnale de nivel mare, apare o aplatizare a caracteristicii de transfer statice, ceea ce se manifest printr-o cretere uoar sau nul a tensiunii de ieire la creterea tensiunii de intrare. Aplatisarea caracteristicii apare ca urmare a limitrii semnalului de iesire din cauza caracteristicilor dispozitivelor electronice i/sau a tensiuniilor finite de alimentare si se manifest prin apariia distorsiunilor de neliniaritate ca urmare a limitrii semnalului de ieire.