Разработка подсистем сбора аналоговой информации

Введение

В процессе работы технических систем, при решении задач автоматизации контроля и управления, возникает необходимость сбора и обработки информации, представленной в виде аналоговых электрических сигналов. Источником информации при этом служат первичные преобразователи (датчики), преобразующие физические параметры системы (например, температуру, давление и т. д.) в электрический сигнал. Однако современные ЭВМ работают с информацией, представленной в цифровом виде. Возникает необходимость преобразования и обработки аналоговой информации.

Существуют различные системы сбора информации в зависимости от того, какой способ применяется для получения сведений:

— сканирующие;

— многоточечные (мультиплексные);

— параллельные;

— типовые и другие комплексные решения.

Практическое применение сканирующего принципа систем сбора данных является наиболее распространенным в современное время. Он используется, когда возникает необходимость измерения полей распределения параметров. Например, в телевизоре, в аппаратах УЗИ, томографах и т. д.

Параллельной называется система сбора данных, работающая на основе так называемых интеллектуальных датчиков. По технологии эта система является наиболее современной, так как еще недавно процесс сбора и обработки данных осуществлялся при помощи многопроцессорного ЭВМ. Сейчас же с функцией сбора и обработки данных вполне справляется обычный ЭВМ. Недостаток такой системы обработки данных заключается в следующем: очень большая степень избыточности аппаратуры.

Мультиплексные (многоточечные) системы сбора данных оснащены для каждого измерительного канала индивидуальными средствами обработки поступающего сигнала. Общим элементом является блок цифрового преобразования. Типовой системой сбора данных является мультикомплексная система, которая может содержать различные составляющие из нижеперечисленных узлов:

— датчик;

— коммутатор;

— измерительные усилители;

— аналого-цифровые преобразователи.

В данной работе будет рассмотрена типовая мультиплексная система сбора данных, так как именно они получили наибольшее распространение среди всех аналогичных систем.

1. Разработка структурной схемы проектируемого модуля, ее теоретическое обоснование Согласно заданию необходимо спроектировать подсистему сбора информации на 5 каналов. Структурная схема такой системы будет иметь вид ПИП — первичный измерительный прибор ИУ — измерительный усилитель

G — генератор опорной частоты ДЧ — делитель частоты

MS — аналоговый мультиплексор У — усилитель (буфер) Опишем механизм работы такой системы. ПИП, установленные в каждом из каналов сбора информации, представляют собой в простейшем случае измерительные мосты Уитстона. Напряжение, пропорциональное измеряемой температуре, усиливается ИУ, установленными в каждом из каналов, и передается на сигнальные входы MS. Частота и последовательность подключения каналов к выходу мультиплексора определяется последовательностью кодов, поступающих на управляющие входы мультиплексора. Коды управления формируются на выходе делителя частоты с коэффициентом деления 5. На вход данного делителя поступает частоты, формируемая делителем частоты ДЧ из частоты опорного генератора G.

При применении данной схемы следует учитывать, что сопротивление аналоговых ключей в открытом состоянии в ней достигает значения 500 Ом, а диапазон коммутируемых ею напряжений 5 В.

Для того, чтобы выдержать нагрузочную способность системы сбора информации на выходе мультиплексора включен усилитель У, выполненной на ОУ.

2. Практические расчеты и выбор элементной базы

2.1 Генератор опорной частоты Рассмотрим следующую схему генератора опорной частоты

DD1.1 — DD1.3 — К155ЛН1 — инвертор — шесть элементов НЕ Для нормальной работы DD1.1 величину сопротивления R1 следует выбирать из диапазона 180 Ом — 470 Ом.

Значение генерируемой данной схемой частоты можно рассчитать по следующей формуле Выберем величину сопротивления R1, равной 220 Ом. Рассчитаем значение емкости при заданном сопротивлении Значение емкости должно соответствовать одному из стандартного набор (шкалы емкостей). Выберем подходящие нам емкости. Возьмем два резистора номиналом С1=360 пф и один номиналом С2=20 пф и соединим параллельно. Тогда общая емкость такой цепи будет равна С1+С2 =380 пф. Рассчитаем частоту, который будет выдавать генератор при выбранных значениях резисторов и емкостей Рассчитаем относительную погрешность формирования опорной частоты

2.2 Общие сведения о датчиках. Расчет выбранной схемы включения датчиков — моста Уитстона. Разработка принципиальной схемы преобразователя температура-напряжение Датчики температуры изменяют электрическое сопротивление под ее воздействием. В зависимости от того, возрастает или понижается сопротивление датчика при повышении температуры окружающей среды, различают датчики с положительным или отрицательным коэффициентами сопротивления (ТКС).

Для измерения температуры датчик нужно подключить к измерительной схеме, на выходе которой формируется напряжение, пропорциональное температуре. Разновидностью такой схемы является измерительный мост (или мост Уитстона).

Gизмерительный прибор

R_Th — сопротивление датчика температуры

R_V — сопротивление уравновешивающего резистора

R_1M, R_2M — сопротивления резистивного делителя,

I_S — ток питания моста, I_Th — ток, протекающий через датчик.

При равенстве R_1M=R_2M=R_V=R_Th ток через измерительный прибор протекать не будет, то есть мост будет сбалансирован. Измерительный прибор должен быть высокоомным, чтобы ток I_G, протекающий между точками 1 и 2, был незначительным по сравнению с током I_Th, протекающим через температурный датчик.

Заданный диапазон температур 10 — 50 ^о С. Сбалансируем мост под начальную температуру 10 ^о С. Используемый тип датчиков — терморезисторы Pt-1000, которые при температуре в 0^оС имеют сопротивление 1000 Ом. Изменение сопротивления датчиков описывается формулой (1)

— температурный коэффициент, который для платины () равен

Соответственно, при температуре 20^оС сопротивление датчика будет равняться 1.078 кОм. По шкале емкостей выберем подходящие номиналы — 1кОм, 75 Ом и 3 Ом. Относительная погрешность равна Рассчитаем ток на термодатчике при сбалансированном мосте.

[A]

где ЕК — коэффициент самонагрева материала, равный

4mВ/C, ДТ — допустимая погрешность измерения температуры, равная по заданию 0.75⁰С Ток I разветвляется на две составляющие, протекающие через равноценные по сопротивлению ветви моста. Соответственно, через добавочное сопротивление R_z будет протекать ток, равный 2I = 3.336 mA. Зная этот ток, можно рассчитать сопротивление R_z

R_z=U_v / 2I — 1078=2.557*10³ Ом,

где U_v= 12 V, — напряжение питания моста.

Подберем ближайшие по номиналу резисторы на 680 и 22 Ом и соединим последовательно. Относительная погрешность равна Изменение температуры приведет к разбалансу моста. То есть между точками 1 и 2 возникнет разность потенциалов Рассчитаем сопротивление термодатчика при максимальной температуре по формуле (1).

R_th2 = 1195 Ом Рассчитаем эквивалентное сопротивление моста при конечной температуре Ом Найдем ток I_s при максимальной температуре А

Найдем напряжение на ветвях моста В

Рассчитаем разность потенциалов при максимальной температуре, ток на термодатчике В

А Напряжение на термодатчике равно В

Резисторы R₁, R₂, R₃, R₄ выберем такими, чтобы ток, протекающий через R₁ и R₃ составлял от тока, протекающего через температурный датчик R_Th

Найдем R_us = R1+R3=R2+R4

Oм Коэффициент усиления напряжения в ОУ выберем таким, чтобы при нижней измеряемой температуре диапазона на выходе ОУ оно равнялось 0 вольт, а на верхней температуре не выходило из допустимого диапазона выходного напряжения ОУ. Согласно заданию оно равняется U₀ = 4 В.

К_у = R3/R1 = U₀/U_m=4/0.125 = 32

R3=32*R1 R3+R1 = 141.9 кОм Отсюда получим R1 = 4.3 кОм R3 = 137.6 кОм Возьмем R3=R4 = 137.6 кОм R2=R1=4.3 кОм Подберем ближайшие по номиналу резисторы по шкале. Сопротивления R1 и R2 реализуем с помощью резисторов номиналом 130 кОм, 7.5 кОм, 100 Ом соединенных последовательно. Сопротивления R3и R4реализуем с помощью резисторов номиналом 3.9 кОм, 200 Ом, 200 Ом, соединенных последовательно. Относительная погрешность тогда будет равна 0.

Для первого канала выберем минимальную температуру из диапазона — 10^оС. Сопротивление термодатчика было рассчитано выше. Для второго канала выберем температуру 25^оС и рассчитаем с противление датчика по формуле (1) — 1078 Ом. По шкале резисторов выберем подходящие номиналы 1000 Ом, 75 Ом, 3 Ом и соединим их последовательно. Ошибка в данном случае равна 0, сопротивления подобраны точно. Для третьего канала выберем температуру 30^оС, соответствующее сопротивление равно 1117 Ом, которое можно реализовать на следующих номиналах 1100 Ом, 16 Ом, 1 Ом. Для четвертого канала выберем температуру 40^оС, соответствующее сопротивление равно 1156 Ом, которое можно реализовать на следующих номиналах 1100 Ом 56 Ом. Для пятого канала возьмем максимальную температуру из диапазона — 50^оС, сопротивления для которой рассчитаны выше.

Рассчитаем напряжения, соответствующие выбранным температурам Для температуры 20^оС Ом — эквивалентное сопротивление моста А

В

U_m= U₃₄(0.5 — 1191(1191+1254)) = 0.092 В — разность потенциалов между точками 1 и 2

В — напряжение, соответствующее температуре 20^оС Аналогично рассчитаем напряжения для других температур. Для температуры 30^оС оно будет равным 2.062 В, для 40^оС оно будет равным 3.052 В.

Операционный усилитель (ОУ).

В измерительных устройствах необходимо усиливать без искажения слабые электрические сигналы датчиков, сопровождаемые значительным уровнем температурных и других помех. Операционный усилитель (ОУ) типа К140УД7 — операционный усилитель с внутренней коррекцией амплитудно-частотной характеристики, защитой входа и выхода от короткого замыкания и установкой нуля.

Рис. Корпус К140УД7

2.3 Делители частоты В многоканальных системах сбора информации с временным разделением каналов каждый канал на определенное время подключается к общей схеме сбора. Заданная частота опроса каналов — 200 Гц. Соответственно, интервал времени опроса каналов будет равенt = 1/200 = 5 mc. Изобразим схематично этот процесс для 5 каналов Частота, выдаваемая опорным генератором, равна 4 МГц. Необходимо поделить опорную частоту до частоты опроса каналов. Для этого используют счетчики — делители частоты Коэффициент деления вычисляется по формуле К = F_оп/F_прив = (4 * 10⁶)/ (2*10²) = 20 000 = 2*10 *10 *10 * 10

Указанное деление частоты можно получить, если последовательно соединить четыре счетчика с коэффициентами пересчета 2, 10, 10, 10, 10.

Деление частоты и на 2, и на 10 можно осуществить одним счетчиком — микросхемой К155 ИЕ2.

датчик делитель частота сигнал Рис. Микросхема К155ИЕ 2

Рис. Функциональная схема микросхемы К155ИЕ2

Рис. Реализация делителя на 10

Рис. Реализация делителя на 2

После того, как опорная частота поделена до частоты опроса каналов, необходимо определить порядок их опроса. Частота и последовательность подключения каналов к выходу мультиплексора определяется последовательностью кодов, поступающих на управляющие входы мультиплексора. Коды управления формируются на выходе делителя частоты с коэффициентом деления 5. Для этого можно использовать микросхему К155ИЕ2, описанную выше

2.4 Мультиплексор

В качестве схемы мультиплексора можно выбрать схему 8-канального мультиплексора КР590КН1.

Коммутатор предназначен для подключения одного из вибродатчиков на вход аналого-цифрового преобразователя. Управление коммутатором осуществляется микропроцессорной системой, которая передаёт на него код с номером коммутируемого канала.

Выберем микросхему КР590КН1, представляющая собой 8-канальный коммутатор с дешифратором на МОП-транзисторах для коммутации напряжений от -5 до +5 В Мультиплексор состоит из общей схемы управления (дешифратор 2 на 4, составленный из логических схем «НЕ» и «И») и двух синхронно работающих групп ключей по 4 ключа в каждой. CON (преобразователь уровня) преобразует одноуровневый входной адрес A, B в двухполярные управляющие сигналы (сигнал в котором высокому уровню соответствует +5 В, а низкому — 0 В преобразуется в сигнал с высоким уровнем +7.5 В и низким уровнем -7.5 В), которые дешифрируются дешифратором и управляют одновременно двумя коммутаторами C и D.

E — вход разрешения. Если на нем присутствует высокий уровень, то все каналы разомкнуты. При низком уровне на входе Е замкнут один из каналов, адрес которого установлен на управляющих входах, А и В.

Приведем функциональную схему мультиплексора Микросхема КР590КН1 имеет следующие параметры:

2.5 Общая погрешность коммутации сигналов Мультиплексор КР590КН1 имеет внутреннее сопротивление 500 Ом, соответственно, сигналы с коммутатора неизбежно будут передаваться с погрешностью. По заданию не более 0.3%. Расчет произведем с помощью буфера — операционного усилителя К140УД7. Его внутреннее сопротивление 400 кОм.

Найдем напряжения на мультиплексоре по формуле

U_Rвн=U_вых*R_вн /(R_вн + R_вх)

Сопоставим напряжения на мультиплексоре и выходные напряжения, рассчитаем ошибку передачи сигнала. Как видно из расчетов, сигналы передаются с допустимой ошибкой коммутации.

4. Моделирование в эмуляторе ElectronicsWorkbench

4.1 Моделирование работы счетчиков — делителей Покажем работу делителя частоты на 2 в среде ElectronicsWorkbench. Соберем счетчик, состоящий из одного D-триггера. Подключим осциллограф и снимем соответствующие осциллограммы работы. Черным цветом обозначим входной тактовый сигнал, синим — выходные импульсы Рис. Модель делителя частоты на 2

Рис. Осциллограммы работы делителя на 2

Построим модель счетчика — делителя частоты на 4 D-триггерах. Параметры генератора зададим аналогично. Подключим осциллограф и снимем соответствующие осциллограммы работы. Черным цветом обозначим входной тактовый сигнал, синим — выходные импульсы Рис. Модель делителя частоты на 10

Рис. Осциллограммы работы делителя на 10

Заключение

В данной курсовой работе был изучен принцип овладение методикой и навыками инженерного расчета, согласно которому удалось разработать подсистему сбора аналоговой информации. Было проведено моделирование работы системы сбора в среде Electronics Workbench 5.12 .

Результаты моделирования совпали со всеми произведенными в практической части работы расчетами.