Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс - Патрик Гёлль

Конечно, ничто не мешает использовать иные номиналы резисторов для получения других коэффициентов усиления: 2, 5 и т. д.

Для реализации коэффициента усиления 100 в цепи обратной связи операционного усилителя используется резистор с номиналом 1 МОм, для коэффициента усиления 10 — параллельное соединение резисторов 100 кОм и 1 МОм. Для реализации единичного усиления (схема повторителя) применена обычная перемычка.

Для обеспечения высокой точности устройства калибровку надо проводить при коэффициенте усиления 10, так как режим «х100» используется редко и, кроме того, в этом режиме операционный усилитель LM 358 подвержен влиянию эффекта смещения нуля (которое едва ли будет скомпенсировано полностью).

Следует обратить внимание на то, что, если не используется версия с оптронной развязкой, общий провод усилителя (в частности, входных разъемов) соединен с общим проводом АЦП, и, следовательно, с корпусом ПК. Очевидно, что непреднамеренная подача слишком большого напряжения на вход усилителя или самого АЦП может привести и к его попаданию на материнскую плату ПК.

Описываемое устройство нельзя рассматривать как защитное: оно не предназначено для этой цели. Пользователь при проведении измерений сам должен предпринять все необходимые меры предосторожности и помнить, что ПK более уязвим, нежели осциллограф или мультиметр.

Рассмотрим конструкцию усилителя. На рис. 6.2 приведена топологическая схема печатной платы, на которой размещены все элементы устройства.

Рис 6.2. Топологическая схема печатной платы входного усилителя

Монтажная схема приведена на рис. 6.3; на ней показаны также соединительные колодки для подключения проводов входных и выходных сигналов. При необходимости можно подключить внешний источник питания вместо гальванической батареи 9 В. Это может понадобиться, например, при проведении очень длительного измерительного процесса.

Рис. 6.3. Монтажная схема входного усилителя

Внешний вид платы с установленными элементами показан на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Внешний вид плоты входного усилителя

Вне платы будет смонтирован только входной конденсатор Cext, размеры которого могут быть весьма большими, если выбран номинал 1 мкФ х 400 В.

Многооборотные подстроенные потенциометры R9 и R10 могут предназначаться как для печатного монтажа, так и для монтажа на панель. Второй подход более предпочтителен, особенно для регулятора установки нуля, пользоваться которым придется довольно часто.

Выбор коэффициента усиления может осуществляться при помощи блока перемычек (при редком использовании) либо при помощи тумблера или переключателя (при регулярном использовании). Но в большинстве случаев достаточно тумблера с положениями «х1» и «х10».

Размеры платы позволяют разместить се вместе с гальванической батареей в металлическом корпусе типа ЕМ 06/03 ESM. Несколько отверстий в корпусе позволят установить все органы управления, а также, если понадобится, две приборные розетки BNC (СР50-73).

Устройство очень легко настроить, даже не подавая на нею внешний входной сигнал. При установке переключателя перемычек в положение «единичное усиление» и в режиме «открытый вход» (DC) необходимо «закоротить» вход усилителя. Простое вращение ручки регулятора «Установка нуля» должно привести к изменениям показаний виртуального вольтметра в пределах от 0 до 2,5 В (показания должны увеличиваться в десять раз при переходе на режим «х10»). В таком случае, естественно, АЦП не может обработать входное напряжение выше 5 В и будет формировать кодовую комбинацию, соответствующую максимуму шкалы.

ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ

Среди всего многообразия датчиков, которые можно подключать к АЦП для обработки с помощью виртуального измерительного комплекса, одним из самых полезных будет датчик температуры. Обладая широким рабочим диапазоном, он может применяться и для регистрации метеорологических процессов, и для анализа температурного режима аккумулятора при быстром заряде, и даже для проверки работы автоматики холодильных камер.

Широкие возможности масштабирования, закладываемые в ПО для виртуального измерительного комплекса, позволяют существенно упростить предварительную обработку сигнала или даже полностью от нее отказаться.

С учетом исключительной простоты схемотехники предлагаемых АЦП логично использовать такой же простой датчик температуры. Не может быть и речи о платиновой проволоке, поскольку ее низкая чувствительность и нелинейность параметров потребуют применения нескольких операционных усилителей; не подойдут и термопары, так как их компенсатор «холодного спая» сложен по конструкции и требует очень серьезной настройки.

Терморезисторы с положительным или отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) очень чувствительны к изменениям температуры. Они очень просто подключаются, но их характеристики нелинейны, так что их чрезвычайно сложно калибровать.

В температурном диапазоне от -50 °C до +150 °C большие преимущества имеют кремниевые датчики. Достаточно чувствительные и часто обладающие хорошей линейностью характеристик, они, ко всему прочему, дешевы и доступны. Надо ли искать им замену, если известно, что по точности они сравнимы с АЦП, которые описываются в этой книге?

Складывается впечатление, что микросхема LM 335 (или ее варианты LM 135 и LM 235) создана специально для решения данной проблемы! Эта микросхема выпускается многими производителями, в том числе, компаниями National Semiconductor и SGS-Thomson. Она имеет корпус транзисторного типа и может рассматриваться как стабилитрон с температурным коэффициентом напряжения (ТКН), равным 10 мВ/°К. Рабочий диапазон температур микросхемы LM 335 лежит в границах от -40 °C до +100 °C (для варианта LM 135 он составляет от -50 °C до +150 °C). При этом нулевое выходное напряжение соответствует температуре абсолютного нуля 0 °К (-273,15 °C).

По характеристике, приведенной на рис. 6.5, видно, что выходное напряжение меняется от 2,23 В при -50 °C (223 °К) до 4,23 В при + 150 °C (423 °К). Эти параметры удачно соотносятся с рабочим диапазоном описываемых АЦП — от 0 до 5 В.

Рис. 6.5. Температурная характеристика микросхемы LM 335

Если не ввести в схему элементы калибровки, то несоответствие между температурой и выходным напряжением в наихудшем случае может достигать 9 °К. Следовательно, для выполнения задач, рассматриваемых в книге, требуется предусмотреть подстроечный резистор для калибровки. С учетом этого получается, как и предполагалось, исключительно простая схема, приведенная на рис. 6.6.

Рис 6.6. Принципиальная схема датчика температуры

Надо заметить, что для обеспечения нормальной работы этого датчика достаточно одного резистора и небольшой гальванической батареи 9 В, тогда как для большинства изделий других производителей потребовался бы источник стабильного тока.

После калибровки (обычно при температуре +25 °C) точность получаемых результатов в зависимости от группы датчика оказывается лучше чем ±(1–2) °С. Самой точной является группа «А». Это хорошо соотносится с точностью 1 % и разрешением 20 мВ (то есть 2 °C) 8-разрядного АЦП.

При использовании 10- или 12-разрядных АЦП необходимо использовать микросхему датчика группы «А» и уделить особое внимание калибровке.

Печатная плата датчика имеет примерно такие же размеры, как девятивольтовая гальваническая батарея. Топологическая схема печатной платы приведена на рис. 6.7.

Рис. 6.7. Топологическая схема печатной платы датчика температуры

Для сборки схемы датчика следует руководствоваться монтажной схемой (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Монтажная схема датчика температуры

Стоит обратить внимание на то, что на плате установлены практически все компоненты, а также разъем гальванической батареи и соединительная колодка, подключение к которым может осуществляться самыми разными способами. Внешний вид платы датчика с установленными элементами показан на рис. 6.9.

Рис. 6.9. Внешний вид платы датчика температуры

Через соединительную колодку с помощью одной пары проводов датчик температуры подключается к АЦП, а с помощью другой пары на плату можно подать напряжение питания от 9 до 12 В, заменив гальваническую батарею на внешний источник. Эта же соединительная колодка позволит, при необходимости, с помощью трех проводов длиной до одного метра вынести датчик на микросхеме LM 335 на безопасное расстояние, чтобы не подвергать остальные устройства измерительного комплекса вредному воздействию.