Разработка структурной схемы измерительного преобразователя

где

– значение разрешающей способности аналого-цифрового преобразования;

– полезное значение разрешающей способности;

 – максимальная погрешность  преобразователя (±5 квантов).

Таким образом, разрешающая способность аналого-цифрового преобразования должна быть не хуже 12 разрядов (2¹² = 4096 > 2500).

При необходимости линеаризации, на нее надо дополнительно 2 разряда, тогда  значение разрешающей способности  аналого-цифрового преобразования будет:

Таким образом, разрешающая способность  аналого-цифрового преобразования должна быть не менее 14 разрядов.

4. Линеаризация НСХ преобразователя по температуре

Для достижения требуемой  точности преобразования используют линеаризацию НСХ термопреобразователя. На практике широкое распространение получил метод линеаризации с помощью кусочно-линейной аппроксимации. В этом методе исходную функцию представляют ломанной кривой, уменьшая тем самым число точек характеристики, значение которых необходимо держать в памяти вычислительного устройства, соответственно при этом уменьшаются требования к вычислительному устройству, что удешевляет стоимость всей системы и упрощает ее.

Мы также будем использовать метод кусочно-линейной аппроксимации. Для этого разделим исходную НСХ термопреобразователя на несколько участков, в каждом из которых НСХ представляется прямым отрезком, соединяющим крайние точки характеристики НСХ.

В первом приближении число необходимых участков линеаризации можно определить по формуле (5)

,        (5)

где

 – число участков линеаризации;

 – максимальная погрешность линеаризации (%)

 – требуемая точность преобразования (0,2)

Итак,

= 0,787/0,2 = 3,9354 участка.

Таким образом, в первом приближении, для соответствия преобразователя  классу точности 0,25, исходную НСХ термопреобразователя необходимо разделить на 4 участка.

5. Выбор АЦ – преобразователя и время преобразования

По существу аналого-цифровые преобразователи либо преобразуют  аналоговый входной сигнал (напряжение или ток) в частоту или последовательность импульсов, длительность которой измеряют для обеспечения отображающего цифрового сигнала, либо, чтобы получить цифровой выходной сигнал, сравнивают входной сигнал с переменным опорным сигналом, используя внутренний ЦАП.

В основном находят применение 2 основных типа АЦП: двухтактный интегрирующий АЦП и АЦП последовательного приближения. Каждый из них преобразовывает входное напряжение в цифровой код, пропорциональный входному напряжению.

При выборе принципа работы узла аналого-цифрового преобразования будем учитывать следующие факторы:

• точность  преобразования;
• скорость преобразования;
• стабильность точностных характеристик преобразователя во времени;
• энергопотребление
• стоимость
• сложность
• гальваническое разделение входных и выходных цепей.

Рассмотрим все эти факторы:

1. требования к точности преобразования – 14 разрядный АЦП;
2. из задания известно, что время реакции датчика на изменение температуры составляет более 10 секунд – можем применить низкоскоростной АЦП;
3. стабильность точностных характеристик преобразователя во времени – с течением времени преобразователь должен обеспечивать высокое качество преобразования без необходимости частой калибровки потребителем;
4. низкое энергопотребление
5. низкая стоимость
6. малая степень сложности
7. гальваническое разделение между входными и выходными цепями - различия будут лишь в технической реализации и стоимости выбранного решения.

Когда необходимо разрешение 12, 14 или 16 разрядов и не требуется  высокая скорость преобразования, а  определяющими факторами являются невысокая цена и низкое энергопотребление, то обычно применяют АЦП последовательного приближения. Последовательный АЦП работает по принципу последовательного приближения значения сигнала.  Этот тип АЦП чаще всего используется в разнообразных измерительных приборах и в системах сбора данных. В настоящий момент АЦП последовательного приближения позволяют измерять напряжение с точностью до 16 разрядов с частотой дискретизации от 100К (1х103) до 1М отсчетов/сек.

АЦП последовательных приближений  или АЦП с поразрядным уравновешиванием, в настоящее время является наиболее распространенным вариантом последовательных АЦП, поскольку он сочетает в себе высокую точность и высокую скорость преобразования.

“Поразрядное уравновешивание” – наиболее распространенный способ преобразования в АЦП со средним и высоким быстродействием. В отличие от АЦП с динамической компенсацией здесь выходной сигнал ЦАП нарастает до уровня входного сигнала точно за n тактов (для n-разрядного преобразователя). В результате процесс преобразования занимает гораздо меньше времени и время преобразования не зависит от уровня входного сигнала.

Данный способ построения АЦП имеет по сравнению с интегрирующими  и параллельными АЦП среднее  быстродействие - типичное значение времени  преобразования - 1...10 мкс, и среднюю точность - 10...14 двоичных разрядов. К нелостаткам данного метода относится большая чувствительность к импульсным помехам, к достоинствам - хорошее согласование по времени измерения с типичными микропроцессорными системами, невысокая стоимость и сложность.

Время преобразования n- разрядного АЦП определяется:

 

где N – разрядность АЦП

              fCLK – частота импульса, равная 1МГц

Следовательно, у 14-разрядного АЦП последовательных приближений время преобразования будет 16383 мкс.

 

 

6. Структурная схема и принцип работы АЦ-преобразователя

В основе работы этого  класса преобразователей лежит принцип  дихтомии, т.е. последовательного сравнения  измеряемой величины с 1/2,1/4,1/8 и т. д. от ее возможного максимального значения. Это позволяет для N-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов вместо при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии. В то же время статическая погрешность этого типа преобразователей, определяемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способность до 18 двоичных разрядов при частоте дискретизации до 200 кГц.

Рассмотрим принципы построения и работы АЦП последовательного приближения на примере классической структуры (рис. 5а) 4-разрядного преобразователя, состоящего из трех основных узлов: компаратора, регистра последовательного приближения (РПП) и ЦАП.

Рис. 3 АЦП последовательного приближения:

а)структурная схема;  б)временные диаграммы

 

После подачи команды "Пуск" с приходом первого тактового  импульса РПП принудительно задает на вход ЦАП код, равный половине его  шкалы. Благодаря этому напряжение на выходе ЦАП:

где h - квант выходного напряжения ЦАП, соответствующий единице младшего разряда (МЗР). Эта величина составляет половину возможного диапазона преобразуемых сигналов. Если входное напряжение больше, чем эта величина, то на выходе компаратора устанавливается 1, если меньше, то 0. В этом последнем случае схема управления должна переключить старший разряд d3 обратно в состояние нуля. Непосредственно вслед за этим остаток

 

таким же образом сравнивается с ближайшим младшим разрядом и т.д. После четырех подобных выравнивающих шагов в регистре последовательного приближения (РПП) оказывается двоичное число, из которого после цифро-аналогового преобразования получается напряжение, соответствующее с точностью до 1 МЗР. Выходное число может быть считано с РПП в виде параллельного двоичного кода по N линиям. Кроме того, в процессе преобразования на выходе компаратора формируется выходное число в виде последовательного кода старшими разрядами вперед.

Быстродействие АЦП  данного типа определяется суммой времени  установления tс ЦАП до установившегося значения с погрешностью, не превышающей 0,5 МЗР, времени переключения компаратора tк и задержки распространения сигнала в регистре последовательного приближения tз. Сумма tк + tз является величиной постоянной, а tс уменьшается с уменьшением веса разряда. Следовательно для определения младших разрядов может быть использована более высокая тактовая частота. При поразрядной вариации (fтакт) возможно уменьшение времени преобразования tпр на 40%. Для этого в состав АЦП может быть включен контроллер.

При работе без устройства выборки-хранения апертурное время  равно времени между началом  и фактическим окончанием преобразования, которое так же, как и у АЦП  последовательного счета, по сути зависит  от входного сигнала, т.е. является переменным. Возникающие при этом апертурные погрешности носят также нелинейный характер. Поэтому для эффективного использования АЦП последовательного приближения, между его входом и источником преобразуемого сигнала следует включать УВХ. Большинство выпускаемых в настоящее время ИМС АЦП последовательного приближения (например, 12-разрядный МАХ191, 16-разрядный AD7882 и др.), имеет встроенные устройства выборки-хранения или, чаще, устройства слежения-хранения (track-hold), управляемые сигналом запуска АЦП. Устройство слежения-хранения отличается тем, что постоянно находится в режиме выборки, переходя в режим хранения только на время преобразования сигнала.

Данный класс АЦП  занимает промежуточное положение  по быстродействию, стоимости и разрешающей  способности между последовательно-параллельными и интегрирующими АЦП и находит широкое применение в системах управления, контроля и цифровой обработки сигналов.

7. Структурная схема измерительного преобразователя

Структурная схема измерительного преобразователя приведена на рисунке 4

Первичным измерительным  преобразователем является датчик температуры  Д – термопара ТХА(К). Термопара - пассивный датчик, поэтому для  получения информации об измеряемом параметре , необходимо пропустить через  него ток.

Для линеаризации сигнала датчика используется узел линеаризации. В качестве узла линеаризации возьмем операционный усилитель. Напряжение Uл на выходе узла линеаризации изменяется практически линейно в зависимости от температуры.

Рис 4.  Структурная  схема преобразователя

 

Д - датчик (термопара)

У - усилитель

ГР - гальванический разделитель

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

Ф - фильтр

ИП1, ИП2 -источники питания

Т - температура

U_д - напряжение, снимаемое с датчика и пропорциональное его сопротивлению

I₀ - ток, пропускаемый через пассивный датчик

U_л - линеаризованное напряжение на выходе узла линеаризации

U_ОП1 , U_ОП2 - опорные напряжения питания

N - двоичный код на  выходе АЦП, пропорциональный  температуре

N_Ф  -  двоичный код на выходе цифрового фильтра, пропорциональный температуре

Функцией  АЦП является преобразования входного напряжения в выходной двоичный код N.

Гальваническое  разделение входных и выходных цепей:

Датчик, линия  связи и ближайшие к ней  входные узлы измерительного преобразователя наиболее подвержены воздействию помех из-за низкого уровня полезного сигнала, протекающего через эти цепи. Один из наиболее распространенных механизмов проникновения помех в измерительный преобразователь - образование контуров заземления. При достаточно длинной линии связи точки заземления могут быть разнесены друг от друга на значительные расстояния, и между ними могут возникать значительные напряжения, порядка десятков вольт.

Гальваническое  разделение входных и выходных цепей, выполняет функцию размыкания контуров заземления. В этом случае продольная помеха может проникнуть в систему только активные и реактивные составляющие сопротивления изоляции, и по амплитуде будет на несколько порядков меньше, чем в системах без гальванического разделения.

В данной схеме  гальваническое разделение реализовано  с помощью оптопары. Для гальванического  разделения применяется оптоэлектронный  преобразователь, состоящий из светодиода и фототранзистора. Входной ток  протекает через светодиод и  вызывает пропорциональный световой поток. Фототранзистор под действием светового потока вырабатывает фототок, пропорциональный величине светового потока, а значит и величине тока, протекающего в цепи светодиода.

Заключение

В данной курсовой работе представлен процесс создания измерительного преобразователя для датчика температуры - термопара.

Построен график зависимости  термо-э.д.с. от температуры для датчика  ТХА(К). Построена идеальная линейная характеристика преобразования по температуре. Определена максимальная в заданном диапазоне температуры погрешность нелинейности характеристики и сделан вывод о необходимости линеаризации. Определена разрядность АЦ-преобразователя с учетом линеаризации.