Prom Electric
СПб, Швецова, 23Б
mail@prom-electric.ru
+7 (812) 952-38-45
+7 (921) 952-38-45
Online-заявка
\/
Спасибо, мы ответим в течение 24 часов

Типы выходов датчиков

Схема типов выходов датчиков

Рис. 1. Типы выходов датчиков.

Для расчета стоимости разработки и наладки промышленной автоматики отправьте запрос на адрес mail@prom-electric.ru

В этой статье описаны основные девять типов выходных сигналов различных датчиков, а также способы их обработки. Как видно из рис. 1 каждый сенсор (чувствительный элемент) датчика изначально имеет аналоговый выход, который может быть подключен напрямую к выходу датчика или обрабатываться встроенной схемой для получения на выходе уже готовой к использованию формы сигнала. Например, в термисторах и фоторезисторах, внутреннее сопротивление чувствительного элемента непосредственно передается на выход датчика. Тем не менее существует множество датчиков, в которых встроенная электронная схема на основе полученной информации от сенсора генерирует напряжение, ток, закодированный импульсный сигнал или имеет транзисторный выход с открытым коллектором. Если датчик имеет встроенную обработку сигнала, то выход чаще всего логический(бинарный) или цифровой.


Логический(бинарный) выход имеет два устойчивых состояния: высокий уровень - логическая единица и низкий уровень - логический ноль. Состояние может передаваться непосредственно на выходной вывод датчика или обрабатываться встроенной логикой с формированием потового импульсного сигнала. Здесь под потоковым импульсным сигналом имеется в виду непрерывное изменение состояний между нулем и единицей с определенной частотой. Существуют различные методы, но наиболее распространенный метод кодирования сигнала - широтно-импульсная модуляция PWM.


Цифровой выход передает один или два байта данных, которые хранятся в регистре (ячейке памяти) внутри электронной схемы, встроенной в датчик. В то время как другие формы выходного сигнала передаются непрерывно на вывод датчика, цифровой выход доступен по запросу от внешнего устройства, такого как микроконтроллер, который должен передать команду в датчик и в качестве ответа получить данные. Такая двухсторонняя связь чаще всего осуществляется посредством I2C или SPI протокола.

 

Выходной сигнал в виде напряжения, безусловно, является наиболее распространенной формой выходного сигнала датчиков. Другие формы сигналов легко могут быть преобразованы в напряжение, используя методы, описанные ниже.

 

Датчики с аналоговым выходом в виде напряжения.


Аналоговый выход - аналоговый вход.

Схема подключения датчика с выходным напряжением

Рис. 2. Схема подключения датчика с выходом в виде напряжения через делитель.


Датчик с аналоговым выходом в виде напряжения может быть подключен напрямую к аналоговому входу, если они имеют совместимые диапазоны напряжений и датчик может обеспечить достаточную силу тока. Например, внешний аналоговый вольтметр, источник света или звука, которые меняют интенсивность, транзистор или операционный усилитель, которые усиливают выходной сигнал для других аудио\визуальных целей. Если выходное напряжение датчика выше допустимого для входа внешнего устройства, то его можно пропорционально понизить до совместимого значения с помощью схемы делителя напряжения на двух резисторах, как показано на рис. 2.

Значения R1 и R2 рассчитываются по следующей формуле: Uout = Usen*(R2/(R1+R2)), где Usen - выходное напряжение датчика, Uout - напряжение на выходе делителя.

 

Аналоговый выход - логический (бинарный, двоичный) вход.


Датчик с аналоговым выходом в виде напряжения может быть подключен к логическому входу через схему, которая преобразует сигнал в двоичную форму. В качестве такой схемы может быть использован триггер Шмидтта, стабилитрон или компаратор. Компаратор обеспечивает такие полезные функции, как регулируемая положительная обратная связь. Это может быть использовано, например, в фотореле - для преобразования медленно изменяющегося сигнала фототранзистора в высокий\низкий сигнал для включения выходного реле.

 

Аналоговый выход - цифровой вход.

 

Сигнал с датчика в виде аналогового напряжения может быть оцифрован с помощью внешней схемы АЦП, которая может быть реализована внутри микроконтроллера или на основе специализированных микросхем АЦП. Если для этой цели используются встроенные средства микроконтроллера, то датчик может быть подключен напрямую ко входу ADC микроконтроллера. Программа микроконтроллера получит доступ к оцифрованному значению аналогового сигнала и выполнит его обработку в соответствии с заданным пользователем алгоритмом или отправит сигнал на цифровой дисплей. При использовании специализированных микросхем АЦП существует множество вариантов их исполнения:

Количество бит на выходе АЦП должно быть достаточным для оцифровки всего диапазона входных напряжений с требуемой точностью. Так как диапазон напряжений может содержать неожиданные выбросы, лучшая стратегия при оцифровке - использовать больше бит, чем необходимо по расчетам. Однако, это означает, что большую часть времени только несколько бит могут быть использованы для измерения значений вблизи нижнего предела диапазона входных напряжений и точность измерений будет снижена.


Например, предположим, что диапазон входных напряжений от 0 до 2В, при этом возможны короткие выбросы до 8В. 8-разрядные АЦП могут обеспечить 256 цифровых значений для всего диапазона входных напряжений. Если измеряемые значения равномерно распределены на протяжении всего диапазона от 0 до 8В, наименьший значащий бит может измерить 1\32 Вольта, или около 31 мВ. Пульсации с меньшим значением будут игнорироваться. С другой стороны, если все 256 значений используются для измерения диапазона от 0 до 2В, наименьший значащий бит может измерить 1\128 Вольта, или чуть меньше 8 мВ, но напряжения выше 2В не будут измерены. Для работы АЦП, как правило, требуется источник опорного напряжения, величина напряжения которого и будет соответствовать верхнему пределу измерения входных значений. Опорное напряжение должно выбираться, исходя из необходимого диапазона и точности измерения напряжения. Микроконтроллер может поддерживать автоматическое масштабирование аналогового входа в пределах значения переменной, заданной в программном коде. Это производится путем сравнения входного напряжения с уровнем выбранного напряжения, такого как непосредственно источник питания МК, внешний или встроенный источник опорного напряжения. Хотя АЦП микроконтроллера по умолчанию оцифровывает значения от 0В до напряжения питания для данного МК, специальные инструкции в коде позволяют использовать все разряды (обычно, 10) для оцифровки диапазона от 0 до 1В. Для более высокой частоты дискретизации специализированная микросхема АЦП может быть подключена к микроконтроллеру через интерфейс I2C или SPI.

 

Датчики с аналоговым выходом в виде сопротивления.

Схема подключения датчика с выходнм сопротивлением

Рис. 3. Схема подключения датчика с выходом в виде сопротивления.

 

Преобразование сопротивления в напряжение. В результате реакции на окружающую среду чувствительный элемент таких датчиков изменяет сопротивление. Для дальнейшего преобразования сопротивления в напряжение может быть использован простой резистивный делитель, как показано на рис. 3. Оптимальное значение резистора Rs для использования с датчиком, который изменяет свое сопротивление от Rmin до Rmax, вычисляется по следующей формуле: Rs = sqrt(Rmin*Rmax). Когда датчик подключен таким образом, дальнейшая обработка выходного сигнала может выполняться теми же способами, как и в случае применения датчиков с выходом в виде аналогового напряжения. Необходимо изучить Datasheet на датчик, чтобы убедиться, что ток через датчик и резистор Rs не превысит допустимый для данного датчика и не выведет его из строя.

 

Датчики с аналоговым выходом в виде открытого коллектора.

Схема подключения датчика с выходом виде открытого коллектора при закрытом транзисторе

Рис. 4. Схема подключения датчика с выходом в виде открытого коллектора (транзистор закрыт).

Схема подключения датчика с выходом виде открытого коллектора при открытом транзисторе

Рис. 5. Схема подключения датчика с выходом в виде открытого коллектора (транзистор открыт).

 

Многие модульные датчики в качестве выхода включают в себя биполярный транзистор с открытым коллектором или mosfet транзистор с открытым стоком. Этот транзистор может быть также частью встроенного операционного усилителя.
На рис. 4 показано закрытое состояние транзисторного выхода датчика, когда выход находится в высокоимпедансном состоянии, а на рис. 5 отображено открытое состояние того же выхода. Транзисторный выход позволяет напрямую подключать датчик ко входу микроконтроллера или к нагрузке в виде светодиода с небольшим током потребления в 20 мА. Величина подтягивающего резистора зависит от входного сопротивления устройства, подключенного к транзисторному выходу датчика. Например, подтягивающий резистор сопротивлением 10 кОм может использоваться для подключения к микроконтроллеру, имеющему большое входное сопротивление.

 

Датчики с аналоговым выходом в виде переменного тока.

Схема подключения датчика с токовым выходом

Рис. 6. Схема подключения датчика с выходом в виде переменного тока.

 

Относительно небольшое количество датчиков имеют выход в виде переменного тока. Например, некоторые полупроводниковые датчики температуры работают по такому принципу. Выходной переменный ток может быть преобразован в переменное напряжение путем подключения добавочных резисторов, после чего сигнал может обрабатываться также, как и в случае с датчиками с аналоговым выходом в виде напряжения. Номинал таких резисторов указан в паспорте или Datasheet на конкретный датчик. Схема подключения таких датчиков показана на рис. 6.

 

Датчики с двоичным выходом (логический 0\1).

 

Датчик с двоичным выходом может быть подключен непосредственно ко входу микроконтроллера, если они имеют совместимый диапазон напряжений. Программа микроконтроллера проверяет состояние входа и таким образом производится регистрация срабатывания датчика. Следует иметь в виду, что микроконтроллер может иметь напряжение питания 3.3В, в то же время выход датчика часто формирует сигнал с высоким логическим уровнем в 5В. Двоичный выход также может использоваться для прямого управления твердотельными реле или электромеханическими, если используется дополнительный каскад на транзисторе для усиления выхода.

 

Датчики с импульсным выходом в виде ШИМ (PWM) сигнала.

 

На выходе таких датчиков формируется сигнал прямоугольной формы с постоянной частотой, но с шириной импульса, которая изменяется в соответствии с внешним воздействием на чувствительный элемент. Участок сигнала между началом одного импульса и началом следующего называется рабочим циклом. Рабочий цикл 0% означает, что импульсы отсутствуют, а рабочий цикл 100% - что сигнал без пауз и постоянно установлен уровень логической 1. При рабочем цикле 50% - длительность импульса на уровне логической единице равна длительности паузы на уровне логического нуля. Микроконтроллеры обеспечивают различные методы декодирования потокового ШИМ сигнала. Самый простой из них - цикл проверки состояния входа с как можно большей скоростью до появления логической 1. Микроконтроллер копирует значение внутренних часов в переменную, затем продолжает опрашивать вход до тех пор, пока импульс не закончится и состояние входа не изменится. Ширина импульса вычисляется как разница во времени между состояниями входа. Подобный метод не рекомендуется, так как микроконтроллер может пропустить следующий импульс, пока преобразует значение уже считанного. Для решения этой проблемы в языке микроконтроллера может использоваться функция, блокирующая выполнение кода во время ожидания импульса. Например, для оболочки Arduino это функция pulseIn (pin, value, timeout). Однако ожидание импульса соответственно замедляет выполнение остальных частей кода. Лучшее решение - использование аппаратных прерываний. Другим методом декодирования ШИМ сигнала является использование низкочастотного фильтра, который преобразует импульсы в аналоговое напряжение. Также сигнал ШИМ может использоваться непосредственно для питания светодиода или двигателя постоянного тока с предварительным усилением на транзисторах. Скорость вращения двигателя и яркость светодиода будет зависеть от рабочего цикла.

 

Датчик выходом в виде сигнала с изменяющейся частотой.

 

На выходе таких датчиков также формируется сигнал прямоугольной формы, но с постоянным рабочим циклом и с частотой, которая изменяется в соответствии с внешним воздействием на чувствительный элемент. Для обработки могут применяться те же методы, что и для ШИМ сигнала.

 

Датчик с цифровым выходом I2C.

 

В цифровой электронике обмен данными между компонентами устройства производится по шине связи. Наибольшее распространение получила шина I2C (inter-integrated curcuit bus) разработанная компанией Philips в 1982 г. Стандарт I2C определяет протокол обмена данными, который ограничен частотой 400 kHz(за некоторыми исключениями) и предназначен для работы в пределах одного устройства, чаще всего на одной печатной плате. Протокол прост в разработке, так как данные передаются последовательно по двум проводам и компоненты могут подключаться параллельно к одной шине. Как правило, на шине есть одно ведущее устройство (master) и некоторое количество ведомых (slave). Ведомые и ведущее устройства могут передавать и принимать данные, но инициатором связи всегда является ведущее. Также ведущее устройство генерирует тактовый сигнал для синхронизации данных. Датчик с таким интерфейсом является ведомым устройством, которое может быть опрошено микроконтроллером. Поскольку к одной шине может быть подключено много устройств, каждому присваивается уникальный адрес для точной идентификации. Часто ведомые устройства позволяют изменять пользователю последние два бита адреса, поэтому можно использовать до четырех идентичных устройств на одной шине. Библиотеки для протокола I2C доступны для большинства микроконтроллеров, поэтому для настройки связи достаточно в программе указать адрес датчика. Однако специальные регистры датчика могут быть сложно устроены, поэтому необходимо изучить Datasheet производителя. Например, различные два байта команды могут использоваться для считывания данных с датчика о температуре, времени, а также GPS координат местоположения.

 

Датчики с цифровым выходом SPI.

 

Стандарт SPI (serial peripherals interface) был разработан компанией Motorola для аналогичных задач, что и стандарт I2C. Тем не менее протокол SPI немного сложнее, обеспечивает дуплексный способ связи и более высокую скорость передачи данных. Однако для реализации SPI необходимо уже минимум три провода для подключения всех устройств на шине, а также дополнительную линию выбора для каждого ведомого устройства. Преимущество дополнительной линии заключается в более простом выборе устройства, чем адресация по шине I2C и соответственно меньше программных операторов для установления обмена. Также, как и в случае I2C, для протокола SPI существуют библиотеки для большинства микроконтроллеров.

 

Узнайте условия проведения наладки промышленной автоматики, отправив запрос на mail@prom-electric.ru


Наши услуги:
 Ремонт частотных преобразователей Разработка промышленной электроники
 Ремонт частотных преобразователей Siemens Ремонт частотных преобразователей ABB
 Ремонт частотных преобразователей Hyundai Ремонт частотных преобразователей Веспер
 Ремонт устройств плавного пуска Ремонт контроллеров
 Ремонт АИД-70 Ремонт РТ-2048
 Ремонт СНЧ-25 Ремонт УПУ-10
 Ремонт Тангенс-3М Ремонт БМРЗ-100
 Ремонт Ретом-21 Ремонт Ретом-51
 Ремонт контрольно-измерительных приборов и автоматики Разработка шкафов управления
 Наладка систем телемеханики и диспетчеризации Ремонт промышленных ИБП
 Ремонт электроники станков Ремонт серводрайверов и сервоусилителей