3.6. Принципы передачи и преобразования информации
Во многих встречающихся на практике случаях функциональный блок мехатронного устройства, являющийся потребителем информации, удален от первичного источника информации (например, датчика) на некоторое, иногда довольно значительное, расстояние. При этом наряду с задачей получения информации возникает задача передачи этой информации по каналу связи. Если, например, в ИС промышленного робота расстояние от датчиков очувствления на схвате до блока управления составляет несколько метров, то в системе «космический корабль – центр управления» это расстояние может достигать сотен миллионов километров.
Стандартными выходными сигналами датчиков являются: для датчиков с выходом по напряжении (0…10) В, с выходом по току (0…5) мА или (0…20) мА. Однако сигналы, вырабатываемые датчиками, обычно имеют весьма низкий уровень, поэтому для дальнейшей передачи их часто бывает необходимо обработать и усилить. Уровни сигналов и импедансы (значения комплексных электрических сопротивлений) выхода датчика, соединительного кабеля и входа вторичной аппаратуры должны соответствовать друг другу. Обработка сигналов для достижения указанного соответствия называется согласованием.
Другой важной практической проблемой являются наводки. Все электрические и электронные устройства при работе порождают электромагнитные помехи, а соединительные провода и кабели являются антеннами для шумов и наводок. Чтобы убедиться в этом, достаточно проделать простой эксперимент. Если к входу электронно-лучевого осциллографа подключить провод длиной около 1,5 м или просто коснуться входа рукой, можно увидеть на экране искаженную синусоиду. В этом случае провод или тело человека представляет собой антенну, которая воспринимает результирующее напряжение наводок от множества источников электромагнитных помех (электрической сети 50 Гц, коллекторных двигателей, тиристорных преобразователей, радиостанций и т. п.)
Выбор способа передачи сигнала зависит от множества требований, из которых весьма важным является степень устойчивости к наводкам и шумам.
3.6.1. Согласование датчиков с вторичной аппаратурой
При соединении датчиков с вторичной аппаратурой (а также других измерительных преобразователей между собой) в общем случае их необходимо согласовывать не только по уровню сигналов и импедансу, но и по характеру сигнала (гармонический или импульсный), способу кодирования, используемому протоколу и т. п.).
В трех встречающиеся на практике случаях согласования первичного и вторичного преобразователей по импедансу необходимо придерживаться следующих правил:
- для максимальной передачи напряжения вторичный преобразователь должен иметь возможно большее входное сопротивление;
- для максимальной передачи тока – возможно меньшее входное сопротивление;
- для максимальной передачи мощности – входное сопротивление вторичного преобразователя должно быть равно внутреннему сопротивлению первичного преобразователя (датчика).
Согласование по напряжению.
Uвых1= Uвх2=е1∙Rвх2/(Ri1+Rвх2), Rвх2>>Ri1.
Согласование по току.
I2= е1/(Ri1+Rвх2), Rвх2<<Ri1.
Согласование по мощности.
= Uвх2∙I2= е12∙Rвх2/(Ri1+Rвх2)2.
Приравняв нулю первую производную от Pвх2 по Rвх2, определим, что условием максимальной передачи мощности от датчика на вход усилителя будет Ri1=Rвх2.
Описанное правило согласования между собой источника сигнала и его нагрузки носит универсальный характер. Оно справедливо не только при соединении между собой датчиков и вторичной аппаратуры, но также при последовательном соединении любых измерительных преобразователей, каскадов электронных усилителей, любых источников электрической (и не только электрической) энергии (например, аккумуляторов, гальванических элементов, солнечных батарей, электростанций) с нагрузкой.