Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс - Патрик Гёлль

Принципиальная схема, приведенная на рис. 4.1, построена на основе схемы промышленных АЦП ADC 10 и ADC 12 (рис. 3.3).

Рис. 4.1. Принципиальная схема интерфейса для последовательного порта

В частности, применен аналогичный входной каскад с делителем напряжения. При использовании тех же номиналов резисторов R4 и R5 (100 кОм для 8-разрядного ADC 10 и 33 кОм для 12-разрядного ADC 12) можно обеспечить автоматическую совместимость этого устройства со всеми приставками, которые будут описаны в главе 6 — устройствами нормирования сигналов, датчиками и т. п.

И наоборот, совершенно очевидно, что с данным устройством нельзя использовать программы, предназначенные для ADC 10 и ADC 12, можно применять только те программы, которые написаны именно для него и приведены на сервере www.dnik.ru. Также допускается использование собственных разработок, основанных на драйверах, о которых пойдет речь в главе 5.

Номиналы резисторов входного делителя в любом случае нуждаются в пояснениях, а их подбор требует определенной аккуратности.

Надо учитывать, что входное сопротивление микросхемы АЦП последовательного приближения (вывод 2) имеет, по крайней мере, во время выполнения преобразования, почти только емкостный характер. При напряжении питания 5 В ток утечки в пределах 1 мкА соответствует активной составляющей сопротивления 5 МОм, что значительно больше входного сопротивления обычного осциллографа. Емкостная же составляющая может достигать 30 пФ у микросхемы TLC 1549 и 100 пФ у LTC 1292. Это опять же не сильно отличается от того, что свойственно входу классического осциллографа, но случай, который нас интересует, совершенно особый.

Входная емкость образована элементами устройства выборки-хранения, и она постоянно изменяется. Согласно рис. 4.2, интегрирующий фильтр, образуемый этой емкостью С и всяким сопротивлением R, включенным последовательно с входом, определяет время нарастания сигнала, пропорциональное произведению RC.

Рис. 4.2. К пояснению эффекта интегрирующего фильтра но входе АЦП

Если частота дискретизации слишком велика относительно частоты среза интегрирующего фильтра, то преобразование начнется в тот момент, когда эквивалентный конденсатор с емкостью С будет заряжен еще не полностью, и, следовательно, результат измерения будет неверным.

Величины резисторов, выбранные для входных цепей ADC 10 и ADC 12 (рис. 3.1), разумеется, были рассчитаны так, чтобы гарантировать желаемую точность на высоких частотах дискретизации, на которых могут работать эти приборы (около 20 кГц). Но номиналы резисторов можно увеличивать, если потребителя устраивают не столь высокие скорости измерений. При использовании изделий в комплекте с программами, написанными на языке BASIC с интерпретатором и выполняемыми на не очень быстром процессоре, номиналы можно увеличить до 500 кОм, так чтобы получить стандартное входное сопротивление 1 МОм. В обычных случаях прекрасно подойдет номинал 100 кОм (с допуском 1 % или меньше).

Подключение линий управления и линии данных АЦП к порту RS 232 более сложное, чем к параллельному порту. Действительно, рабочие уровни напряжений на выводах последовательного порта обычно составляют около 12 В, тогда как АЦП формирует напряжения от 0 до 5 В.

Для решения этой проблемы в схеме установлены три стабилитрона VD5 — VD7 на напряжение 4,7 В и два резистора R1 и R2. Кроме того, перед интегральным стабилизатором 78L05, формирующим напряжение 5 В из сигнала линии TXD, должен быть включен импульсный диод VD8.

Предусмотрен также вход для внешнего источника питания, расположенный рядом с аналоговым входом, на тот случай, когда ПК не сможет обеспечить достаточный уровень напряжения. Это может случаться, хотя крайне редко, при использовании некоторых моделей ноутбуков. В таком случае простая 9-вольтовая гальваническая батарейка сможет надолго обеспечить работу устройства.

Все устройство смонтировано на печатной плате (рис. 4.3), размеры которой невелики, но которая все же не претендует на размещение в корпусе разъема DB9, подключаемого к ПК.

Рис. 4.3. Топологическая схема печатной плоты устройства

Подключение через кабель DB9 (вилка/розетка) с одноименной распайкой (удлинитель, а не нуль-модем) более предпочтительно, чем прямое подключение к разъему ПК. В таком случае АЦП будет расположен в непосредственной близости от источника сигнала, а не от ПК, что дает больше преимуществ, чем недостатков, на тех частотах, на которых предполагается работать.

Монтажная схема и фотография, приведенные на рис. 4.4 и 4.5, соответствуют всем трем вариантам устройства, которые можно собрать самостоятельно:

• 8-разрядный АЦП с TLC 549;

• 10-разрядный АЦП с TLC 1549;

• 12-разрядный АЦП с LTC 1286 или ADS 1286.

Рис. 4.4. Монтажная схема устройства

Рис. 4.5. Внешний вид печатной платы устройства

Соединительная колодка с четырьмя контактами (или двумя, если не предполагается использовать внешний источник питания) предназначена для подключения входного сигнала. Подобный способ межблочных соединений представляется более удобным, нежели коаксильные разъемы BNC или RCA («тюльпан»), для предполагаемых областей применения — в частности, при использовании приставок, описанных в главе 6.

ВЕРСИЯ ИНТЕРФЕЙСА КОМПАНИИ MAXIM

Представляется полезной в практическом применении версия устройства, разработанная на основе микросхем ЛЦП МАХ 1241 и МАХ 1243, имеющих отличные характеристики и рассмотренных выше в главе 2.

Основное отличие от предыдущего варианта заключается только в компоновке печатной платы (рис. 4.6) по причине того, что расположение выводов этих компонентов совершенно иное.

Рис. 4.6. Топологическая схема печатной платы устройства для версии компании MAXIM

Для микросхем МАХ 1241 (12-разрядный АЦП) и МАХ 1243 (10-разрядный АЦП) можно использовать одни и те же элементы и одинаковое их размещение на плате (рис. 4.4 и 4.7).

Рис. 4.7. Внешний вид печатной платы устройства для версии компании MAXIM

Учитывая малую входную емкость этих микросхем (16 пФ), можно попробовать как минимум удвоить величины резисторов входного делителя для той же частоты дискретизации. Из соображений унификации и совместимости в схеме целесообразно применить источник опорного напряжения производства компании MAXIM, параметры которого адаптированы к параметрам описываемых АЦП.

Хотя в этом семействе АЦП существуют модели со встроенным источником опорного напряжения, зачастую лучшие результаты получаются при использовании специализированного и оптимизированного отдельного компонента.

Источник опорного напряжения (ИОН) типа МАХ 6125, расположение выводов которого приведено на рис. 4.8, выпускается в корпусе SO для поверхностного монтажа (SMD).

Рис 4.8. Расположение выводов ИОН МАХ 6125

Это не «улучшенный стабилитрон», а эквивалент высокоточного (1 %) трехвыводного интегрального стабилизатора. Он включает в себя и двухвыводный источник опорного напряжения, и необходимый последнему резистор, вследствие чего потребление тока устройством существенно снижается (75 мкА на ИОН и менее 2,5 мА на АЦП).

Для монтажа ИОН в схему рассматриваемого устройства необходимо добавить небольшую печатную плату (ее топологическая схема приведена на рис. 4.9). Она монтируется на основную плату при помощи трех металлических штырьков, изготовленных из выводов резисторов. Штырьки вставляются в отверстия, предназначенные для резистора R3 и положительного вывода VD4 REF 25 Z (рис. 4.1).

Рис. 4.9. Топологическая схема печатной платы для источника опорного напряжения версии MAXIM

Монтаж ИОН МЛХ 6125 непосредственно на контактные площадки этой небольшой платы (рис. 4.10 и 4.11) не представляет проблем, если использовать паяльник с тонким жалом, не набирать много припоя и сначала припаять два диаметрально противоположных вывода (например, 4 и 8). Заметим, что припаивать неиспользуемые выводы N.C. необязательно.

Выбор варианта будет зависеть от доступности компонентов и от возможностей пользователя, но было бы интересно собрать два разных устройства и сравнить получаемые в разных приложениях результаты.