Разработка устройства регистрации сигналов с датчиков (стр. 2 из 3)
| Интегральная нелинейность | -0.5…+0.5 EMP |
| Изменение интегральной нелинейности от температуры | 10-3 ЕМР/°С |
| Дифференциальная нелинейность | -0.5…+0.5 EMP |
| Изменение дифферинциальной нелинейности от температуры | 10-3 ЕМР/°С |
| Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы | -1…+1 ЕМР |
| Время преобразования | < 30 мкс на частоте 1,6МГц |
| Диапазон входных сигналов | –2.5…+2.5В |
| Напряжение смещения нуля на входе | -30…+30мВ |
| Изменение смещения нуля от температуры | не более 6мкВ/°С |
| Напряжение источника питания | 4.5…6.5В |
| Опорное наряжение | -2.5…2.5В |
| Потребляемый ток | 400мкА. |
4.2. Измерительный преобразователь
4.2.1. Усилитель заряда
Усилитель заряда строится на операционном усилителе. В измерительных устройствах необходимо усиливать без искажения слабые электрические сигналы с датчиков, сопровождаемые значительным уровнем синфазных, температурных и других помех. Для этих целей используют прецензионные усилители, которые обладают большим значением усиления, подавляют синфазный сигнал, малым напряжением смещения нуля, малым уровнем шумов и большим входным сопротивлением. Поэтому выбираем ОУ КР140УД17А.
Характеристики КР140УД17А:
| Коэффициент усиления | 200×103 |
| Напряжение смещения нуля на входе | 75мкВ |
| Напряжение источника питания | -15…+15В |
| Напряжение входное макс | 15В |
| Входной ток | 3.8нА. |
| Потребляемый ток | 2мА |
К
ак известно:
, где Сд – импеданс датчика (у нас 1.5 нФ)На РИС 3 показан усилитель заряда. Усилитель заряда представляет собою фильтр высоких частот (ФВЧ) со своей частотой среза, которая должна равняться нижней частоте нашего сигнала. Тогда выбор резистора R0 и конденсатора C0 осуществляется из следующего соотношения:
,При этом должно выполняться условие fcp £fн=2 Гц. Возьмём fcp=1Гц с целью уменьшить искажения АЧХ в области низких частот.
С помощью усилителя заряда достигается передача сигнала с коэффициентом передачи:
Если Кп = 1, то С0 = 1.5 нФ, следовательно, R0 = 100 MОм.
В качестве С0 возьмем К10-43А-МП0-1.5 нФ. Максимальная амплитуда сигнала на выходе УЗ составляет 0.4*Кп = 0.4В.
4.2.2. Масштабный усилитель
М
асштабный усилитель служит для согласования амплитуды сигнала с выхода УЗ с входным диапазоном АЦП. Построим его на операционном усилителе К140УД17А в следующем включении (РИС 4).
Т.к. мы подаем на АЦП опорные потенциалы –2,5В и 2,5В , для удобства выберем следующие диапазоны:
1.-0,5 В до +0,5 В (максимальная погрешность)
2.-0,75 В до +0,75 В
3.-1 В до +1 В
4.-1,25 В до +1,25 В
5.-1,5 В до +1,5 В
6.-1,75 В до +1,75 В
7.-2 В до +2 В
8.-2,5 В до +2,5 В (минимальная погрешность)
Коэффициент усиления задаётся резисторами R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8 и R9:
Т.о.: Кп1=1,25; Кп2=1,875; Кп3=2,5; Кп4=3,125; Кп5=4,375; Кп6=5; Кп7=5,625; Кп8=6,25
Т.е.: R9/R1=0,25; R9/R2=0,875; R9/R3=1,5; R9/R4=2,125; R9/R5=3,375; R9/R6=4; R9/R7=4,625; R9/R8=5,25;
Учитывая, что R3>Rнагр.ОУ = 2КОм, возьмем R9=10КОм, то
R1=40 КОм; R2=11,5 КОм; R3=6,7 КОм; R4=4,7 КОм; R5=3 КОм; R6=2,5 КОм; R7=2,2 КОм; R8=1,9 КОм.
4.2.3. Интегрирующий усилитель
Интегрирование аналоговых сигналов осуществляется ОУ с емкостной ОС. В этом случае выходное напряжение описывается выражением:
, где U0=UВЫХ(t=0)–исходное выходное напряжение интегратора.
Основные составляющие ошибок интегрирования обусловлены напряжением смещения нуля UСМ и входными токами ОУ. При UВХ=0 входные токи протекают через конденсатор C2, заряжая его. Это приводит к появлению линейно изменяющейся составляющей выходного напряжения. Кроме того, UСМ добавляется к напряжению на конденсаторе, и, поскольку это напряжение равно UВЫХ, такая прибавка вносит в результат ошибку, равную UСДВ.
Ошибку, вносимую входным током ОУ, можно уменьшить, если использовать ОУ с полевыми транзисторами на входе и зашунтировать конденсатор в обратной связи резистором R2.
Частота среза интегратора
. Нижняя граница интегрирования составляет 
. Таким образом, полоса частот, в которой возможно интегрирование, 
.Найдем R1, R2, C2. Выберем C2=0.01 мкФ (К10-47А-МП0-0.01мкФ±5%), тогда
(для уменьшения погрешности возьмем fН=1Гц). Будем использовать резистор С2-29В-0.25-16МОм±0.5%. На частоте 6кГц 
Будем использовать резистор С2-29В-0.25-2.7кОм±0.5%. Чтобы убрать постоянную составляющую, введем разделительный конденсатор C1. Т.к. входное сопротивление равно R1, то 
, откуда 
. Для 1Гц C1=50мкФ. Будем использовать К50-16-16В-100мкФ.5. Интерфейс передачи данных.
На выбор способа передачи влияют в основном два фактора. Это необходимая дальность и скорость передачи. Дальность определена в задании – 20м. Тогда как скорость передачи выбирается нами по собственному усмотрению. Так как 20м – это расстояние на 5м превышающее предельно допустимую дистанцию соединения ПЭВМ напрямую через COM порты, необходимо выбрать другой способ передачи нежели стандартный. Наиболее простой и то же время легко реализуемый – это интерфейс радиальный последовательный (ИРПС) , который осуществляет к тому же гальваническую развязку компьютера от объекта управления (см РИС 6.).
РИС 6.
Реализацию интерфейса облегчает наличие серийно выпускаемых микросхем гальванической развязки. Это микросхемы АОТ 127 и 249ЛП1. Рассчитаем параметры “навесных” элементов:
Ток передачи рассчитывается как:
,
где U=5B
Ck = L*100пФ/м - емкость кабеля (L - длина линии связи). При расстоянии 20м: Ck=20м*100пФ/м=2нФ.
Длительность фронта t=T/10, где T длительность импульса.
При скорости передачи в 19200 бит/сек: T=1/19200=52мкс,
тогда t=52мкс/10=5.2мкс. Рассчитаем Iтп:
Наиболее близким стандартным значением
тока в интерфейсе ИРПС является Iтп=20мА.
Выберем R1=200 Ом
Далее, для того чтобы транзистор не вошел в насыщение R3 должен быть R3кбо
Iкбо»0,1мА, тогда R3кбо=0.1В/0.1мА=1кОм. Возьмем R3=500Ом
Е2 = 5В. Тогда R4=E2/Iтп=5В/20мА=250 Ом.
E2=UR4+UR5+UD4.
I2=10мА, UD4=1.5В.
E2=I2*R5+I2*R4+UD4, тогда R5=(E2-I2*R4-UD4)/I2,
R5=(5В-10мА*250Ом-1.5В)/10мА=100Ом.
R2=UR2/I1. I1=10мА.
UR2=E1-(0.5+UD), UD=1.5B. E1 возьмем 5В, тогда
UR2=5-(0.5+1.5)=3B. Тогда R2=3.1B/10мА=300 Ом.
5.1. Последовательный порт QSM
Для передачи данных мы будем использовать асинхронный последовательный порт (АПП). Как только мы получим управляющее слово, это будет для нас сигналом пользователя о начале работы. Когда пользователю вздумается завершить работу, он пошлет пакет со всеми единицами во время передачи данных от УРС в ЭВМ, когда связь ЭВМ®УРС запрещена. В АПП микроконтроллера установится флаг прекращения обмена ТС и выполнится программное прерывание, прекращающее работу устройства.
Управление портом производится с помощью регистров SCCR0, SCCR1, SCSR, а данные считываются из SCDR. Нам нужно обеспечить следующие характеристики передачи:
1.Передача производится на скорости 19.2 Кбит/с. В регистр SCCR0 при этом записывается период следования синхроимпульсов (один синхроимпульс – один бит) Tt = 32´Ks/Ft в виде коэффициента Ks. Частота Ft =25,17МГц, тогда Ks будет равно 41.
2.Разрешаются прерывания при поступлении сигнала прекращения обмена
3.Устанавливается контроль четности
4.Размерность данных – 8 бит
5.Активизация приемника, находящегося в режиме холостого хода, при поступлении управляющего слова.
После записи информации в регистры, приемник автоматически переводится в режим «холостого хода» и ждет команды пользователя.
6. Программирование УРС.
6.1. Основная блок-схема программы
6.2. Формат данных
Назовем данные, которые будем передавать в ЭВМ – кадром. Так как очередь у нас общая, а в ЭВМ необходимо установить принадлежность данных к конкретному каналу, то в кадре должен присутствовать номер канала. Мы имеем шестнадцать каналов, поэтому потребуется четыре бита Так как интерфейс передачи - RS232C, то за один сеанс связи мы можем передать максимум 8 бит информации.