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:

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 f_{cp £} f_н=2 Гц. Возьмём f_cp=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.: К_п1=1,25; К_п2=1,875; К_п3=2,5; К_п4=3,125; К_п5=4,375; К_п6=5; К_п7=5,625; К_п8=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>R_{нагр.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=U_ВЫХ(t=0)–исходное выходное напряжение интегратора.

Основные составляющие ошибок интегрирования обусловлены напряжением смещения нуля U_СМ и входными токами ОУ. При U_ВХ=0 входные токи протекают через конденсатор C2, заряжая его. Это приводит к появлению линейно изменяющейся составляющей выходного напряжения. Кроме того, U_СМ добавляется к напряжению на конденсаторе, и, поскольку это напряжение равно U_ВЫХ, такая прибавка вносит в результат ошибку, равную U_СДВ.

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 f_Н=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.

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

C_k = L*100пФ/м - емкость кабеля (L - длина линии связи). При расстоянии 20м: C_k=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 R_3кбо

I_кбо»0,1мА, тогда R_3кбо=0.1В/0.1мА=1кОм. Возьмем R₃=500Ом

Е₂ = 5В. Тогда R₄=E2/Iтп=5В/20мА=250 Ом.

E₂=U_R4+U_R5+U_D4.

I₂=10мА, U_D4=1.5В.

E₂=I₂*R₅+I₂*R₄+U_D4, тогда R₅=(E₂-I₂*R₄-U_D4)/I₂,

R₅=(5В-10мА*250Ом-1.5В)/10мА=100Ом.

R₂=U_R2/I₁. I₁=10мА.

U_R2=E₁-(0.5+U_D), U_D=1.5B. E₁ возьмем 5В, тогда

U_R2=5-(0.5+1.5)=3B. Тогда R₂=3.1B/10мА=300 Ом.

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.

Программирование УРС.