Искусственное понижение разрядности до значения не более 8 означает, что вывод и передачу вырабатываемых кодов можно осуществлять за один прием, тогда как при разрядности, начиная с m = 9 и выше, для этого потребовалось бы уже два байта и это могло бы потребовать увеличения разрядности некоторых других узлов. Снижение разрядности способствует достижению более высокого быстродействия аналого-цифрового преобразования, т.е. по всем соображениям использование на входе АЦП группового усилителя УС в сочетании с УИН для ограничения сигнала является обоснованным.
Обоснование структуры построения УИН
Напомним, что назначение УИН состоит в получении на его выходе сигнала, равного показаниям термопары при t = 1400 ºС, умноженным на коэффициент усиления предварительного усилителя Уi. В последующем этот сигнал будет вычитаться из общего входного сигнала группового усилителя УС для приведения напряжения на входе АЦП к нулю при t = 1400 ºС (рис.10).
Выполним промежуточные расчеты для определения необходимых для построения УИН величин. Будем руководствоваться следующими соображениями.
1. Показания термопары изменяются от 14,34 мВ при t = 1400 ºC на 1,2 мВ на каждые 100º изменения температуры, поэтому при t = 1600 ºС сигнал на выходе датчика составит 16,74 мВ.
2. Во всех цепях обработки сигналов от входов схемы до АЦП сигналы представлены уровнями постоянного тока, поэтому усилительная часть схемы будет строиться на операционных усилителях (ОУ) с напряжением питания 15 В. Следовательно, чтобы избежать ограничения сигнала, примем, что на входе УС уровень сигнала не должен превышать 12 В.
3. Этому соответствует максимально возможный уровень термоэдс датчика при температуре t = 1600°C, т.е. 16,74 мВ, и, следовательно, можно определить коэффициент промежуточного усиления в каждом из входных каналов между датчиками и входом УС: кi = 12 / 0,01674 = 716,8. Примем кi = 700.
4. Необходимо считаться с тем, что одинаковых термопар нет, поэтому каждый экземпляр будет давать отклонения в показаниях от некоторого среднего значения. В исходных данных этот разброс задан на уровне 10 % от номинала.
Это означает, что при t = 1400 °С различные термопары могут давать показания от 14,34 –1,434 » 12,9 мВ до 14,34 + 1,434 » 15,774 мВ. При коэффициенте усиления кi = 700 эти значения пересчитаются к уровням сигнала на входе УС, которые определят диапазон изменения сигнала на выходе УИН, необходимый для выполнения ограничения (рис.13, а):
Uвых УИН мин = 12,9 мВ × 700 = 9,03 В,
Uвых УИНмакс = 15,774 мВ × 700 = 11,04 В.
Тот факт, что этот сигнал не может быть задан фиксированным значением для всех датчиков температуры, а должен подстраиваться под конкретный экземпляр термопары, объясняет необходимость выполнения его изменяемым. Реально это обеспечивается тем, что выдача кода адреса подключаемого канала от микроконтроллера МК на коммутатор К сопровождается подачей от МК на вход УИН кода, соответствующего получению требуемой величины Uвых УИН.
Поскольку УИН управляется кодом от МК, удобнее всего выполнить его с использованием цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).
Для определения структуры УИН зададим дискретность цифро-аналогового преобразования на входе вдвое меньшей дискретности АЦП, т.е.`DUЦАП = DUАЦП / 2 = 0,03 мВ. С учетом кi =700 определим шаг квантования на выходе ЦАП:
hЦАП = 0,03 мВ × 700 = 0,021 В.
Рассмотрим возможные варианты.
1. Если принять, что ЦАП будет формировать весь вычитаемый сигнал, т.е. 11,04 В, он должен иметь разрядность m, определяемую числом дискретных уровней представления Nmax = 11,04 / 0,021 = 526 и m > 9.
2. Учитывая, что требуемый уровень напряжения УИН изменяется только от 9,03 до 11,04 В, можно сделать следующее. Основную часть этого напряжения, например 8 В, получить от дополнительного нерегули-
Рис. 13
руемого стабилизированного источника (ИОН), а регулируемый остаток, изменяющийся от 9,03 – 8 = 1,03 В до 11,04 – 8 = 3,04 В, сформировать с помощью ЦАП. Суммированием затем этих двух напряжений обеспечивается выполнение управляемым источником напряжения его предназначения.
В этом случае Nmax = 3,04 / 0,021 = 145 дискрет, что соответствует возможностям восьмиразрядного ЦАП, а схема совместного включения ИОН и ЦАП в составе УИН может быть представлена в виде рис. 13, б.
В обоих случаях построения УИН в его состав обязательно входит ЦАП. Чтобы, как и для других узлов схемы, установить основные закономерности работы и характеристики ЦАП, представим его схему в виде, допускающем его моделирование. Построим схему ЦАП (рис.14) на основе усилительного каскада на операционном усилителе, выходное напряжение которого определяется как Uвых = Uоп R1 / R, где под R понимается параллельное сопротивление тех резисторов входного набора, которые соответствуют единичным разрядам действующего в данный момент на входе ЦАП кода. Нулевой выходной сигнал ЦАП получается при входном коде, содержащем во всех разрядах нули.
Минимальное ненулевое значение напряжения, численно равное шагу квантования hЦАП, соответствует коду с одной единицей в младшем разряде, т.е. 00000001, и это позволяет определить номинал самого высокоомного резистора во входном наборе по известной величине
Uвых min = hЦАП = 0,021 мВ. Пусть R1 = 1 кОм, Uоп = 10 В,
тогда Rmax = Uоп × R1 / Uвых min = 10 × 103 / 0,021 @ 500 кОм.
Примем Rmax = 512 кОм. Сопротивления всех остальных резисторов получаются последовательным уменьшением вдвое сопротивлений каждого предыдущего резистора.
 |
Рис. 14
Максимальное напряжение, которое можно получить на выходе, выделяется, когда сопротивление R создаётся одновременным и параллельным включением всех резисторов входной цепи, что примерно равно половине наименьшего сопротивления, но только в том случае, если это расчётное напряжение не превышает напряжения питания операционного усилителя.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.