Цифровой термометр
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
КАФЕДРА БМЭ
КУРСОВАЯ РАБОТА
ПО КУРСУ «ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА»
ТЕМА: «ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР»
г. Харьков 2003 г.
РЕФЕРАТ
Курсовой проект содержит: стр., рисунков, приложений.
Целью данного курсового проекта является разработка схемы электронного
термометра с цифровой индикацией.
Область применения термометра- бытового назначения, для измерения
температуры воздуха в помещении и на улице.
АНАЛОГОВО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР. СХЕМА. РАЗРАБОТКА
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
. НАЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИФРОВОГО
ТЕРМОМЕТРА
. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЦИФРОВОГО ТЕРМОМЕТРА
.1 СТАБИЛИЗАТОР ТОКА
.2 ТЕРМОДАТЧИК
.3 ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
.4 АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
.5 ЦИФРОВОЙ БЛОК ИНДИКАЦИИ
.6 ПИТАНИЕ ТЕРМОМЕТРА
. СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ
ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Уровень и направления развития электронных ЦАП и АЦП в значительной
степени определялись и продолжают определяться требованиями к техническим и
эксплуатационным характеристикам радио - электронной аппаратуры, в которой они
применяются. Эти требования могут существенно различаться в зависимости от
назначения, принципа действия, конструктивного исполнения и условий
эксплуатации радио - электронной аппаратуры.
Необходимость в приёме, обработке и передаче большого объёма информации в
реальном масштабе времени при решении задач радиолокации, телевидения,
исследования быстропротекающих процессов в различных установках привёл к
созданию быстродействующих и сверхбыстродействующих интегральных микросхем ЦАП
и АЦП. Решение проблем связи потребовало разработки многоканальных
преобразователей. Прецизионные измерения, сейсморазведка, создание автоматизированных
систем управления станками, уникального технологического и испытательного
оборудования, аппаратуры высококачественной звукозаписи и звуковоспроизведения,
многих медицинских приборов было бы невозможно без использования ИС ЦАП и АЦП с
высокой разрешающей способностью. Жёсткие требования по энергопотреблению и
массогабаритным показателям, предъявляемые к бортовой радио - электронной
аппаратуре, удовлетворяются за счёт применения микромощных и функционально
законченных преобразователей, не требующих для своей работы дополнительных
внешних дискретных элементов и ИС. Для народного хозяйства желательно иметь
номенклатуру дешёвых преобразователей, не обладающих рекордными значениями
электрических параметров и эксплуатационных характеристик. Микросхемы ЦАП и
АЦП, устойчивые к воздействию различных внешних факторов, находят применение в
радио - электронной аппаратуре специального назначения.
За последнее десятилетие в мире создано более сотни типов ИС ЦАП и АЦП,
отличающихся по функциональному составу и назначению, конструктивным,
электрическим и эксплуатационным характеристикам. Известно их применение с
микропроцессорами и микроЭВМ в составе устройств сопряжения с объектами
интерфейса, а также использование в качестве самостоятельных функциональных
элементов в узлах и блоках радио - электронной аппаратуры.
В данной курсовой работе приведён пример использования АЦП для реализации
цифрового электронного термометра.
1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИФРОВОГО ТЕРМОМЕТРА
Прибор предназначен для точного измерения в широких пределах температуры
различных объектов и может быть рекомендован для использования как в быту, так
и в технике. В этом термометре использована БИС серии К572, поэтому он содержит
относительно небольшое число элементов. Термометр готов к работе сразу после
включения питания. Но, к сожалению, отсутствие серийных датчиков с малой
температурной инерцией приводит к значительной длительности процесса измерения
(около пяти минут), что несколько ограничивает область применения термометра.
Основные
технические характеристики:
Пределы измеряемой температуры,°С ………………………………. от -50 до +99.9
Основная погрешность измерения,°С ………………………………. ±0,1
Дополнительные погрешности, °С:
от изменения температуры окружающей
среды в пределах от 0 до +40 °С ………………………………. ±0,05
Наибольшая длина экранированного кабеля
для соединения датчиков с прибором (при
сопротивлении каждого провода в кабеле
не более 5 Ом), м ……………………………… 300
Потребляемая мощность, Вт ……………………………… 3
2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЦИФРОВОГО ТЕРМОМЕТРА
Структурная схема цифрового термометра показана на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 - Структурная схема цифрового термометра
Изменение температуры объекта, в котором размещён термодатчик, вызывает
изменение сопротивления датчика, которое преобразуется в соответствующее
изменение напряжения. Термодатчик питается от стабилизатора тока. Выходной
сигнал блока термодатчика усиливается дифференциальным усилителем и поступает к
аналого-цифровому преобразователю (АЦП), на выходе которого включен цифровой
блок индикации, высвечивающий текущую температуру контролируемого объекта.
.1 СТАБИЛИЗАТОР ТОКА
Стабилизатор тока питания моста выполнен на операционном усилителе DА1.2.
Подстроечный резистор К 11 позволяет в небольших пределах изменить значение
выходного тока, что дает возможность изменить крутизну преобразования
сопротивления термодатчика в напряжение и обеспечивает установку верхней
границы измеряемой температуры Нижнюю границу устанавливают подстроечным
резистором R1.
2.2 ТЕРМОДАТЧИК
Термодатчик RK1 установлен на
объекте, температуру которого необходимо измерить. Датчик включен в одно из
плеч измерительного моста постоянного тока, выполненного на прецизионных
резисторах R1 - R5. Точность и линейность показаний индикатора в пределах
измеряемой температуры определяется в основном стабильностью тока, питающего
измерительный мост.
.3 ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
Напряжение с диагонали измерительного моста, пропорциональное
температуре, усиливается дифференциальным усилителем, выполненным на
операционном усилителе DА1.1,
и с его выхода подается на вход АЦП. Конденсаторы С1, С2, С4 служат для
фильтрации помех.
.4 АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Аналого-цифровой преобразователь реализован на БИС К572ПВ2А и работает по
принципу двойного интегрирования с автокорректировкой «нуля» и автоматическим
определением полярности входного сигнала.
Полупроводниковые БИС интегрирующего АЦП типа К572ПВ2 (А, Б, В) и
КР572ПВ2 (А, Б, В) предназначены для применения в измерительной аппаратуре различного
назначения. Совместно с ИОН, несколькими резисторами и конденсаторами они
выполняют функцию АЦП двойного интегрирования с автоматической коррекцией нуля
и определением полярности входного сигнала.
Микросхемы выполнены в объеме одного кристалла по КМОП технологии (с
поликремниевым затвором) и поставляются потребителям в герметичном
металлокерамическом корпусе типа 4134.48-2 с планарным расположением выводов
(К572ПВ2) и в пластмассовом прямоугольном корпусе типа 2123.40-2 с вертикальным
расположением выводов (КР572ПВ2).
Классификация микросхем К572ПВ2 и КР572ПВ2 по группам А, Б, В
производится по погрешности преобразования d.
Нумерация и назначение выводов микросхем КР572ПВ2 (К572ПВ2):
(24) - напряжение питания UСС1;
2 (25) - цифровой выход d1;
(26) -цифровой выход с1;
(27) - цифровой выход b1;
5 (28) -цифровой выход а1;
(29)- цифровой выход f1;
(30) -цифровой выход g1;
(31)- цифровой выход l1;
(32) -цифровой выход d10;
(33)- цифровой выход c10;
(34) - цифровой выход b10;
(35) -цифровой выход a10;
(36) -цифровой выход f10;
(37) -цифровой выход l10;
(38) -цифровой выход d100;
(40) - цифровой выход f100;
(41) -цифровой выход l100;
(42) -цифровой выход bc1000;
(43) -цифровой выход g1000;
(44) -цифровая земля;
(45) -цифровой выход g1000;
(46) - цифровой выход a100;
(47) - цифровой выход c100;
(48) - цифровой выход g10;
(3) - напряжение питания UCC2;
(4) - конденсатор интегратора Синт;
(5) - резистор интегратора Rинт;
(6) - конденсатор автокоррекции Сак;
(7) - аналоговый вход 1, низкопотенциальный;
(8) - аналоговый вход 2, высокопотенциальный;
(9) - общий аналоговый выход;
(10) - опорный конденсатор Соп;
(11) - опорный конденсатор Соп;
(12) - опорное напряжение uref;
(13) - опорное напряжение uref;
(20) - контрольный вход;
(21) - конденсатор генератора ТИ Ст.и.;
(22) - резистор генератора ТИ Rт.и.;
(23) -генератор ТИ;
, 2, 14-19- незадействованные выводы.
Функциональные электрические схемы аналоговой и цифровой частей БИС
показаны на рис. 2.4.1(а) ,и 2.4.2.
Результат преобразования АЦП двойного интегрирования представляется
цифровым кодом Nx, эквивалентным
среднему значению напряжения на аналоговом входе, преобразуемому за
фиксированный интервал времени Тх в соответствии с выражением
откуда
Tx=UxTo/UREF,
где То-фиксированный интервал интегрирования напряжения на аналоговом
входе; Тх - интервал интегрирования uref; Ux - среднее значение напряжения на
аналоговом входе.
Число тактовых импульсов постоянной частоты fт.п.
Рис 2.4.1 - Функциональная электрическая схема аналоговой части БИС АЦП
К572ПВ2 (а) и временная диаграмма ее работы (б)
соответствует коду Nx,
как Nx=UxTo fт.п./UREF .
Для К572ПВ2 и КР572ПВ2 No=1000.
Тогда Nx=103 Ux/UREF .
Цифровая информация на выходе микросхем представляется в специальном
коде, предназначенном для непосредственного управления 3,5-декадным цифровым
табло с 7-сегментными полупроводниковыми индикаторами. Диапазон входного
сигнала определяется значением внешнего опорного напряжения и соотношения UIRN=±1,999UREF . Текущие показания цифрового табло соответствуют
1000(UIRN/UREF). В процессе производства БИС проводится контроль
параметров при UREF=1,0 В и 0,1
В.
Под погрешностью преобразования d понимается разность между номинальным значением выходного
кода БИС и значением, установленным после преобразования постоянного напряжения
от эталонного источника.
Рисунок 2.4.2 - Функциональная электрическая схема цифровой части БИС
АЦП К572ПВ2
Основные электрические параметры микросхем БИС К572ПВ2 и КР572ПВ2 при
температуре окружающей среды 25±10°С и нестабильности uref за время их измерения ±0,2 %:
Не
менее
Не более
Число десятичных разрядов g
………………………... 3,5 -
Токи потребления Icc1,
Iсс2, мА ...………………………. - 1,8
Выходной ток разрядов в Io1, мА ..…………………... 5 -
Выходной ток старшего разряда I02, мА . …………...…. 10 -
Коэффициент ослабления синфазного сигнала СМР, дБ 100 -
Погрешность преобразования d, ед. счета:
группа А ..........…………………………………………..... - 1
группа Б .........………………………………………….... - 3
группа В ..........…………………………………………….. - 6
Значение СМР подтверждается измерением при синфазном напряжении на входе
не более ±1 В.
Микросхемы К572ПВ2 и КР572ПВ2 работают при подаче напряжения от
источников питания UCC1=5 B±5% и UCC2=-5%.
Рисунок 2.4.3 - Типовые зависимости погрешности преобразования БИС АЦП
К572ПВ2 от температуры (а), напряжений источников питания (б) и токов
потребления от температуры (в)
Предельно допустимые значения электрических режимов эксплуатации
Не менее Не более
Входное напряжение UI,
В………………………….………… -2 2
Опорное напряжение UREF,
В………………………….……… 0.1 1
В предельном режиме эксплуатации должны выполняться следующие условия:
3.5 В≤UCC1≤5.5 B ; -9 B≤UCC2≤ -3.5 B; UCC2≤U1≤UCC1; UCC2≤UREF≤UCC1 .
Типовые зависимости электрических параметров БИС АЦП от внешних
воздействующих факторов представлены на рисунке 1.3.
Микросхемы имеют дифференциальные входы для аналогового сигнала и ИОН.
Это позволяет измерять напряжения, «плавающие» относительно источника питания,
и устранять синфазные помехи в цепях входного сигнала и опорного источника.
Коэффициент ослабления синфазного напряжения БИС не менее 50 мкВ/В.
Входное
сопротивление 20 МОм АЦП для дифференциального и синфазного сигналов
определяется практически только токами утечки по элементам монтажа и корпуса.
Длительность цикла преобразования может изменяться выбором внешних
времязадающих элементов ТГИ или изменением внешней тактовой частоты. Период
циклов преобразования связан с тактовой частотой 
fт.п. соотношением Тс=16×103fт.п.
Выходной ток, приходящийся на сегмент полупроводникового индикатора, в
БИС не ниже 5 МА. При работе с цифровыми жидкокристаллическими индикаторами ЖКИ
(в модификационном варианте БИС-ЖКИ) выходными каскадами вырабатывается сигнал
меандра с частотой 100 Гц и амплитудой не менее 4 В.
Без использования внешнего делителя АЦП обеспечивают преобразование в
диапазоне входных напряжений ±200 мВ либо ±2,0 В. Выбор uirn производится изменением значения Uref и постоянной времени интегрирования,
равной То.
Токи утечки по входу БИС составляют порядка 10Х10-12 А, а частота
преобразования 3-12 преобразований в 1 с.
Особенностью АЦП является наличие внутреннего источника опорного
потенциала, который используется во всех проводимых аналоговых операциях.
Источник выведен через вывод Общий и предназначен для подключения к общей шине
источника входного сигнала. Относительно этого потенциала производится отсчет
синфазной составляющей дифференциального входного сигнала. При питании
преобразователя от батарей или вторичных источников питания, не соединенных с
общей шиной (когда не предъявляются жесткие требования к точности измерения),
источник внутреннего опорного потенциала может быть использован в качестве ИОН.
Цикл измерения состоит из трех фаз: интегрирования сигнала (ИНТ), разряда
интегрирующего конденсатора (РИ) и автоматической коррекции нуля (ак). Каждой
фазе соответствует определенная коммутация элементов микросхемы, выполняемая с
помощью ключей на КМОП транзисторах. На функциональной схеме рис. 2.4.1(а), эти
ключи упрощенно обозначены кружками. Надпись около кружка обозначает фазу, в
течение которой ключ замкнут. Длительность фазы пропорциональна периоду
тактовой частоты и точно задается цифровым счетчиком, входящим в состав
цифровой части кристалла (см. рис. 2.4.2).
В течение фазы ИНТ, длящейся 4×103 периодов тактовой частоты, входной сигнал через ключи и
буферный ОУ подается на вход интегратора. Это вызывает на конденсаторе Синт
накопление заряда, пропорционального по значению и соответствующего по знаку
приложенному входному напряжению. Напряжение на выходе ОУ интегратора
изменяется с постоянной скоростью, пропорциональной входному сигналу.
Предположим, что к моменту начала фазы ИНТ заряды на конденсаторах Синт и Сак и
напряжения смещения нуля усилителей и компараторов напряжения равны нулю. Так
как входной ток ОУ интегратора мал, то изменения заряда на конденсаторе Сак не
происходит, и он фактически не оказывает влияния на процесс интегрирования.
Конденсатор Cоп заряжается от ИОН до его
напряжения. В конце фазы ИНТ с помощью компаратора напряжения определяется знак
входного напряжения по знаку напряжения на выходе ОУ интегратора.
Чувствительность компаратора напряжения такова, что обеспечивает правильное
определение полярности входного сигнала, даже если сигнал составляет долю
единицы отсчета. Приращение напряжения на выходе ОУ интегратора за время интегрирования
составит:
где uirn-напряжение, приложенное к выводам 31
(8) и 30 (7); Nинт - число периодов тактовой частоты
в фазе ИНТ.
где Ua-напряжение аналогового выхода 32
(9), замеренное относительно положительного источника питания микросхемы.
Минимальное значение сопротивления Rинт определяется нагрузочной способностью ОУ и составляет ориентировочно
40 кОм. Максимальное значение выбирается приблизительно равным 500 кОм, чтобы
можно было пренебречь токами утечки по печатной плате.
При равенстве напряжения на выходе интегратора в конце фазы ИНТ входному
напряжению ее длительность определяется произведением СинтRинт.
Для устранения влияния синфазных напряжений первый аналоговый вход 30 (7)
БИС рекомендуется объединить со входом первого опорного напряжения 35 (12} и
общим аналоговым низкопотенциальным выходом 32 (9).
При переходе схемы в фазу разряда интегрирующего конденсатора входной
сигнал на интегратор не подается. К нему подключается конденсатор. Соп,
заряженный до значения опорного напряжения и ориентированный по полярности
таким образом, чтобы происходил разряд конденсатора Синт. Разряд длится до тех
пор, пока конденсатор Синт не разрядится полностью, т. е. напряжение на выходе
ОУ интегратора не станет равным нулю. В этот момент подключенный параллельно
конденсатору Синт компаратор напряжения срабатывает и прекращает фазу РИ.
Изменения зарядов конденсаторов Сак и Соп практически не происходит. Время
разряда конденсатора Синт. выраженное через число периодов тактовой частоты,
составит:
Задание длительности фазы ИНТ и подсчет длительности фазы РИ производятся
цифровым счетчиком, фиксирующим периоды тактовой частоты с предварительным
делением ее на 4. Соответственно длительность фазы ИНТ составляет 103 тактов
счета, т.е. Nинт==1000, а длительность фазы РИ
может изменяться от нуля до 1999 тактов счета.
Переключение БИС в режим автоматической коррекции нуля происходит по
заполнению счетчика длительности фазы РИ в ее цифровой части, если до этого не
произошло срабатывание компаратора напряжения. В течение фазы ак аналоговые
входы микросхем отключены от внешних цепей и подсоединены к внутреннему
источнику опорного потенциала. Одновременно выход компаратора напряжения
переключается на вход ОУ интегратора. Образованная таким образом следящая
система заряжает конденсаторы Сак и Синт до зарядов, компенсирующих смещение
нуля аналоговых устройств. Данную систему можно рассматривать как единый
операционный усилитель A3 с коэффициентом K1K2 (см. рис.
2.4.1). При замыкании переключателя АКоос усилительная система охватывается
единичной отрицательной обратной связью (ООС). В результате этого после
завершения переходных процессов напряжения во всех точках системы должны
установиться равными нулю (если предположить, что усилители и компаратор
напряжения не имеют напряжения смещения нуля). В действительности это не так.
Поэтому конденсаторы Сак и Синт к моменту включения фазы АК могут быть
заряжены. Схема позволяет устранить влияние этого фактора.
Предположим, что КН имеет некоторое напряжение смещения нуля Uсм.к. В результате компаратор
напряжения прервет фазу РИ не в момент времени, когда выходное напряжение
интегратора Uвых.инт.=0, а когда Uвых.инт/=Uсм.к. При отсутствии схемы
ак это привело бы к ошибке в определении входного напряжения на Uсм.к. или на
2000 Uсм.к./Uинт. единиц счета. В
рассматриваемой схеме благодаря ООС в течение фазы АК происходит заряд
конденсатора Ситн до напряжения, равного Uсм.к. Этот компенсирующий заряд сохраняется неизменным в
течение фаз ИНТ и РИ. В результате погрешность за счет Uсм.к. полностью устраняется. Аналогично устраняется влияние
напряжения смещения нуля усилителей. В этом случае компенсирующий заряд
накапливается на конденсаторах Сак, Синт. Погрешность за счет напряжения
смещения нуля и его температурного дрейфа, приведенная к входу, не превышает
для БИС К572ПВ2 (КР572ПВ2) 10 мкВ.
Более сложно происходит автокомпенсация заряда на конденсаторе Синт. если
к моменту начала фазы АК на нем имеется неустановившийся заряд. Это может быть
следствием задержки в срабатывании компаратора напряжения, задержки в
восприятии выходного сигнала КН цифровыми схемами, связанной с ожиданием
очередного тактового импульса, значительного заряда конденсатора Синт в фазе
ИНТ из-за перегрузки АЦП входным сигналом. Задержка срабатывания компаратора
напряжения постоянная и невелика по сравнению с длительностью тактов счета. Задержка
в восприятии сигнала КН может иметь значение от 0 до 1 ед. счета. Поэтому
нескомпенсированное напряжение на Синт не превышает, как правило, 1-2 ед.
счета. Нескомпенсированное напряжение, возникающее в результате перегрузки
преобразователя выходным сигналом, может иметь значение, эквивалентное сотням
единиц счета, и сопровождается длительным переходным процессом.
Предположим, что к моменту перехода схемы в фазу АК на конденсаторе Синт
имеется некоторое нескомпенсированное напряжение Uнк. При замыкании переключателя Ако.о.с (см. рисунок 2.4.1,
а) это напряжение окажется приложенным ко входу ОУ интегратора (напряжение на
входе КН в системе с ООС не может значительно отличаться от нуля, а конденсатор
Сак не заряжен), и система окажется в разбалансированном состоянии. Это вызовет
ток с выхода КН через конденсаторы Сак и Синт. Перезаряд этих конденсаторов
будет происходить до тех пор, пока напряжение на выходе ОУ интегратора не
станет равным нулю и система войдет в равновесное состояние.
Далее происходит разряд конденсаторов до напряжений, соответствующих
смещению нуля усилительных устройств. Разряд осуществляется через резистор Rинт с постоянной времени tр=Rинт(Cинт.+Cак). Так как длительность фазы ИНТ tинт=RинтCинт,
то по окончании фазы АК на конденсатор Синт остается часть Uнк. Остаточное
напряжение в случае перегрузки преобразователя по входу определится из
соотношения:
Для уменьшения погрешности, вызываемой нескомпенсированным напряжением,
желательно выбирать Сак>Синт. В частности, при Сак/Синт==2 остаток
напряжения будет менее 0,1Uнк.
При работе преобразователя в линейной области остаточное напряжение на Синт не
может быть больше 0,2 ед.счета.
Если на преобразователь подается входное напряжение, изменяющееся
скачкообразно от значения, выходящего за пределы линейного участка шкалы, до
значения, соответствующего этому участку, то в течение нескольких первых циклов
преобразования остаточное напряжение на конденсаторе Синт может вносить
значительную погрешность в измерение. Влияние перегрузки полностью устранится
только через 4-5 периодов преобразования. Это свойство схемы АК
преобразователей К572ПВ2 и КР572ПВ2 необходимо учитывать при использовании их в
автоматизированных системах, если выходной код используется для записи информации
в ЭВМ.
При эксплуатации микросхем К572ПВ2 и КР572ПВ2 могут наблюдаться некоторые
другие погрешности, связанные с их схемотехническими особенностями. Эти
погрешности образуются при увеличенных значениях паразитных емкостей монтажа
относительно выводов Соп, Сак, Ссинт. На рисунке 2.4.1(а), критичные паразитные
емкости монтажа показаны штриховой линией.
Наличие паразитных емкостей Cп1 и Сп2 может вызвать несимметрию показаний результата измерений равных,
но разнополярных напряжений на аналоговом входе. Этот эффект проявляется в
большей степени, если между выводами 35 {12} и 32 (9) приложено синфазное
напряжение. Его механизм сводится к перераспределению зарядов между Соп, Cп1 и
Сп2, из-за чего напряжение на Соп либо возрастает, либо уменьшается на некоторое
значение в зависимости от полярности подключения конденсатора.
Несимметрия показаний преобразователя для напряжений вблизи конечной
точки диапазона входных напряжений определяется соотношением:
где U’-синфазное напряжение (согласно
рисунку 2.4.1, а). Эта погрешность особенно ощутима, если ИОН не соединен
соответствующим образом с общей шиной. При соединении одного из выходов ИОН с
выводом Общий и при Соп=0,1 мкф суммарная паразитная емкость Cп1+Сп2=5 пФ вызывает дополнительную
погрешность за счет несимметрии показаний преобразователя не более 0,1 ед.
счета.
Наличие синфазного входного напряжения между выводами 80 (7) и 32 (9) БИС
приводит к появлению эффекта, подобного смещению нуля или пропуску кода вблизи
нулевого значения характеристики преобразования. Его причиной становится
наличие паразитных емкостей Спз и Сп4 при постановке АЦП на плату. Паразитная
емкость в 10 пФ при Сак=0,47 мкф создает смещение нуля около 40 мкф. Этот
эффект не проявляется, если вывод 21 (44) Общий соединен с выводом
низкопотенциального аналогового входа 30 (7).
Влияние паразитных емкостей проявляется и в возникновении дополнительного
заряда на конденсаторе Сак. Этот заряд становится источником погрешности
преобразования, определяемой из соотношения:
где Uoинт-напряжение на выходе интегратора,
соответствующее конечному значению диапазона преобразуемого входного сигнала; U-синфазное входное напряжение.
Эта же паразитная емкость может привести к неправильному определению
полярности входного напряжения при малых (несколько единиц счета) его
значениях. При переходе напряжения из отрицательной полярности в положительную
наблюдается «скачок» отсчета. Если Синт=0,22 мкф, Сак=0,047 мкф, UIRN=2,0 В и Сп4==10 пФ, то эта
погрешность может достичь 0,5 ед. счета. Аналогичный эффект создает паразитная
емкость между выводами резистора Rинт.
Для уменьшения этой погрешности необходимо применять элементы с минимальными
размерами и оптимизировать их расположение.
Тщательная разработка конфигурации проводников на печатной плате
позволяет уменьшить значения паразитных емкостей и ослабить их влияние на
процесс преобразования. Одной из эффективных мер представляется защита выводов
микросхемы дорожкой на печатной плате (рисунок 2.4.4)
цифровой термометр схема индикация
Рисунок 2.4.4 - Внешний вид защитной дорожки при постановке БИС АЦП
К572ПВ2 на печатной плате
Рисунок 2.4.5 - Способы подачи тактовых импульсов на БИС АЦП К572ПВ2 I-от внешнего генератора; II - с
использованием кварцевого резонатора, III - с помощью RC цепочки
При преобразовании сигналов, измеряемых относительно земли, выводы 30
(7), 32 (9) и 35 (12) микросхемы необходимо подключить к общей шине 21 (44).
При измерении сигналов, «плавающих» относительно земли, вывод 32 (9)
следует присоединять к точке измеряемой схемы, обладающей максимальной емкостью
относительно земли, при этом напряжение на дифференциальных входах не должно
превышать допустимого значения.
Для достижения максимального подавления сетевой помехи тактовая частота
должна выбираться кратной частоте сети: 40, 50, 100, 200 кГц. Конденсаторы Синт
и Сак необходимо выбирать с низкой абсорбцией в диэлектрике. Рекомендуются
конденсаторы типов К71-5, К72-9, К73-16, К73-17 и т.п. При работе с
микросхемами необходимо соблюдать правила подачи электрических режимов и меры
защиты, рекомендованные для других ИС серии К572. Не следует превышать
предельные значения допустимых режимов: Ucc1=5,5 В, Ucc2=-8 В. Для проверки работоспособности выходных каскадов микросхемы
предусмотрен контрольный вывод 37 (20). При подсоединении его к источнику
питания Ucc1 на цифровом табло должно появиться
значение -1888.
Максимальное число единиц счета преобразователя составляет ±1999. При
превышении этого значения в эквиваленте входного преобразуемого сигнала три
младшие цифры гаснут, а в старшем разряде остается единица.
Нагрузочная способность вывода 32 (9) БИС позволяет подключать его к
точкам с более низким потенциалом, например к выводу Общий 21 (44); это может
быть использовано во многих применениях, в том числе при наличии общих цепей
питания БИС, источников входного и опорного напряжения.
Временные характеристики БИС АЦП К572ПВ2 и КР572ПВ2 задаются генератором
тактовых импульсов и декадным счетчиком на 4000.
На практике рекомендуется ТИ подавать на вход 40 (23) одним из способов,
показанных на рисунке 2.4.5.
При работе от внешнего ГТИ импульсы подаются на вывод 40 (23), а выводы
38 (21) и 39 (22) не используются. Амплитуда импульсов не превышает 5 В.
Для повышения стабильности частоты следования ТИ применяется кварцевый
резонатор BQ, подключенный между выводами 39 (22)
и 40 (23). Тогда элементы R3 и С5 не используются.
Тактовые импульсы с фиксированной частотой следования fт.и могут задаваться и с помощью RС -
цепочки (R3 и С5). В этом случае номиналы R3 и С5 выбираются из соотношения
RзС5 @
0,45/fт.и, причем для всех частот рекомендуется применять резистор R3 с
сопротивлением, равным 100 кОм.
Как следует из рисунка 2.4.1(б), полный цикл преобразования микросхемы
длится 4000 периодов счетных импульсов, или 16000 периодов ТИ. Интервал
интегрирования входного сигнала постоянен и равен 1000 периодам счетных
тактовых импульсов (СТИ). Интервал интегрирования uref в зависимости от значения напряжения на аналоговом входе
изменяется в интервале от нуля до 2000 периодов ГТИ. Оставшийся интервал
времени от 1000 до 3000 периодов ГТИ необходим для автокоррекции
преобразователя.
Емкость конденсатора Сак оказывает существенное влияние на шумы
преобразователя. Поэтому следует стремиться к выбору ее максимального значения
в диапазоне 0,047-1,0 мкф. Однако произвольно выбранное значение Сак может
повлиять на увеличение инерционности АЦП. В связи с этим для входных напряжений
до 2 В рекомендуется использовать Сак = 0,47 мкФ, а для напряжений до 0,2 В Сак
= 0,047 мкФ.
Конечное значение Uirn
преобразователя связано с UREF
соотношением Uirn =2Uref. Исходя из значений UIRN =0,2 В и UIRN =2 В, выбираются и значения UREF = 0,1 В и UREF = 1 B соответственно. Разрешающая
способность АЦП в этих режимах составит 0,1 и 1 мВ. ,
Преобразователи способны работать с различными датчиками и значениями uref, отличными от указанных выше. Тогда
выходной код АЦП будет соответствовать напряжению на аналоговом входе,
умноженному на определённый коэффициент: Nx=K×103Ux, где k=1/urep.
В некоторых схемах применения UREF является переменной величиной, a UIRN = const. В. этом случае мгновенные значения
выходного кода будут обратно пропорциональны переменным значениям uref: Nx=f(1/UREF). :
В БИС К572ПВ2 и КР572ПВ2 имеется возможность смещения нулевой точки шкалы
преобразования на некоторое значение. Для этого достаточно между
низкопотенциальным аналоговым входом 30 (7) и аналоговым выходом 32 (9)
включить источник смещающего напряжения, а источник UIRN подключить между
высокопотенциальным входом 31 (8) и аналоговым выходом 32 (9). При этом
результат преобразования Nx
будет связан с значениями Ux(среднее)
и Uв соотношением:
В случае необходимости одно из напряжений питания может быть получено с
вывода 38 (21) самой же БИС. Источник напряжения питания Uсс2 может не использоваться, когда
существуют жесткие ограничения на амплитуду UIRN, находящуюся в пределах ±l,5 В, а рабочая точка преобразования
установлена вблизи центра линейного участка характеристики АЦП.
Порядок подачи электрических режимов на БИС К572ПВ2 и КР572ПВ2 следующий:
потенциал земли-напряжения питания Ucc1 и Ucc2 - опорное напряжение uref - напряжение на аналоговом входе
UIRN. Порядок снятия напряжений обратный.
Схема включения АЦП показана на рисунке 2.4.7 на примере использования
БИС КР572ПВ2 в 3,5-декадном цифровом вольтметре. В целях ослабления шумовых
помех резистор R2 выбирается типа МЛТ-0,125 с номиналом 1 кОм, а конденсатор СЗ
типа КМ5 (КМ6) с номиналом 0,01 мкФ.
Рисунок 2.4.6 - Схема включения БИС АЦП К572ПВ2 с одним положительным
источником напряжения питания: ПУ - преобразователь уровня на ИС К561ПУ4, VD1 и VD2 - диоды КД521
При необходимости работы с другой тактовой частотой значение емкости
конденсатора С5 изменяют, исходя из соотношения C5= (0,45/R3)/fт.и.
Рекомендуемые номиналы элементов в схеме при fт.и. =50 к Гц
UREF =100 мB UREF =1,0 В
C1
…………………………………………0,22 мкФ±6% 0,22 мкф±5 %
С2………………………………………….0,47 м*Ф±5% 0,047 мкф±5 %
С3……………………………………..…0,01 мкФ=Ь20% 0,01 мкФ±20%
С4…………………………………………….1,0 мкФ±5% 0,1 мкф±5 %
С5………………………………………….100 пФ=Ь5 % 100 пФ=Ь5 %
R1………………………………………….47
кОм=Ь5 % 470 к0м±5 %……………………………………………1 М0м±20 % 1 М0м±20
%…………………………………………...100 к0м±5 % 103 к0м±5 %
Преобразование входного напряжения, «плавающего» : относительно
источников напряжения питания, обеспечивается отсоединением выводов 30 (7), 32
(9), 35 (12) БИС от шины заземления.
Таким образом, БИС АЦП К572ПВ2 и КР572ПВ2 удобны для применения в
различной малогабаритной аппаратуре. Высокая чувствительность и большое входное
сопротивление легко позволяют дополнить АЦП различными преобразующими и
масштабирующими устройствами для измерения постоянных, переменных токов и
напряжений в широком диапазоне амплитуд. Наличие дифференциального входа и
высокая степень ослабления синфазных сигналов позволяют проводить измерения в
условиях действия помех при значительном удалении преобразователя и при его работе
от автономных источников питания.
.5 ЦИФРОВОЙ БЛОК ИНДИКАЦИИ
Сигнал, несущий информацию о текущей температуре выбранного объекта,
представлен на выходе АЦП в виде, удобном для отображения семиэлементными
индикаторами. Он поступает на табло, состоящее из трех светодиодных индикаторов
НG1 - НGЗ и светодиода HL1. Светодиод загорается при
отрицательной температуре измеряемого объекта. Для разделения целых и десятых
долей градуса на индикаторе НG2
высвечивается запятая.
АЛС324А, АЛС324Б. Цифровые одноразрядные индикаторы,
арсенид-фосфид-галлиевые красного цвета свечения Корпуса пластмассовые.
Предназначены для отображения цифровой информации.
Индикатор имеет семь сегментов и децимальную точку, излучающие свет при
прохождении прямого тока. Комбинации сегментов, осуществляемые внешней
коммутацией, позволяют воспроизводить цифры от 0 до 9 децимальную точку.
Сегменты индикаторов АЛС324А имеют общий катод, АЛС324Б-общий анод. Высота
цифры 7,5 мм. Масса индикатора не более 2 г.
Основные параметры:
Сила света (при прямом токе 20 мА через каждый сегмент), мккд, не менее:
для децимальной точки…………………………………………....0,05
Отношение силы света двух любых сегментов индикатора, не
более……………………………………………………………..3
Постоянное прямое напряжение (на каждом сегменте или децимальной точке
при прямом токе 20 мА), В, не более…………………………………………………..…………...2,5
Предельно допустимые эксплуатационные данные:
Обратное напряжение любой формы и периодичности (Т<343 К),
В……………………………………………………..………..5
Постоянный прямой ток через сегмент, мА
Т<308 К ……………………………………………...…………….25
T-308
/343 К ...…………………………………..... 25-0,5 (Т-308)
Импульсный прямой ток (при tи<10 мс и Iпр.ср.=
=25 мА), мА …………………………………...…………………300
Рассеиваемая индикатором мощность, мВт
Т=213... 308К………………………..…………………...500
Т=308…343 К …………………………….……… 500-10 (Т-308)
Рисунок 2.5.1 - Цифровые одноразрядные индикаторы
Для АЛС324А: 1 - анод F, 2 -
анод G, 4,12 - катод общий, 6 - анод E, 7 - анод D, 8 - анод C, 9-
анод H, 13 - анод B, 14 - анод A.
Для АЛС324Б: 1 - катод A, 2 -
катод F, 3,9,14 - анод общий, 6 - катод Н, 7
- катод Е, 8 - катод D, 10
- катод С, 11 - катод G, 13
- катод В.
.6 ПИТАНИЕ ТЕРМОМЕТРА
Питается термометр от сети переменного тока напряжением 220 В через
трансформатор Т1. Для стабилизации питающего двуполярного напряжения
предусмотрены параметрические стабилизаторы VD1R18 и VD2R19. Образцовое напряжение для АЦП и
стабилизатора тока снято с делителя напряжения на резисторах R16, R17. Оно дополнительно фильтровано конденсатором С12.
3. СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ
Схема электрическая принципиальная представлена в приложении А.
Все элементы цифрового термометра можно разместить на двух печатных
платах, соединенных между собой уголками. В приборе использованы постоянные
резисторы К2 - К5 - С2-29В-0.125, К18, К19 - МЛТ-0,5, подстроечные - СПЗ-38,
остальные - МЛТ-0,125 Конденсаторы С1 - С5, С9 - К73-17-С7, С10, С11 - КТ-1;
С6, С8 - К10-7-С12-С 14 - К50-6.
В качестве термодатчика использован серийно выпускаемый
термопреобразователь сопротивления ТСМ-6114 ГОСТ 6651-72 с номинальной
статической характеристикой гр. 23. При отсутствии стандартных датчиков можно
изготовить их самостоятельно. Для этого необходимо отмерить 619 см провода ПЭТВ
диаметром 0,05 мм, намотать его бифилярно на изоляционную оправку, к одному
концу провода датчика припаять один гибкий вывод, ко второму - два таких же
вывода.
Можно припаять датчик прямо к проводникам подводящего кабеля На каждый
датчик потребуется три проводника в кабеле. Такое подключение позволяет
скомпенсировать температурную погрешность, вносимую проводниками кабеля.
Далее изготовляют корпус, способный работать в той среде, где будет
установлен датчик, закрепляют в нем оправку с обмоткой и заливают эпоксидной
смолой. Сопротивление датчика при температуре 20 °С должно быть 57, 52 Ом.
Трансформатор питания для уменьшения габаритов выполнен из четырех
магнитопроводов ПЛ6,5Х 12,5Х 16 (сечение около 3 см2). Обмотка I содержит 3000
витков провода ПЭВ-2 0,08, II - 2Х130 витков провода ПЭВ-2 0,18, III - 70
витков провода ПЭВ-2 0,4. В трансформаторе питания возможно применение иного
магнитопровода, однако высоту корпуса термометра при этом придется увеличить.
Микросхему К157УД2 можно заменить на К140УД20 с соответствующими цепями
коррекции, К572ПВ2А - на КР572ПВ2А, но придется изменить рисунок проводников
печатной платы, а при увеличении допустимой погрешности до ±0,3 °С можно
использовать и К572ПВ2 с любым буквенным индексом.
Безошибочно собранный из заведомо исправных элементов термометр
налаживания не требует, необходимо лишь установить границы измеряемого
диапазона Для этого вместо датчика включают его эквивалент (магазин резисторов
или точный резистор). Вначале включают резистор сопротивлением 41,7 0м, и резистором
К1 устанавливают на табло показание минус 50 °С; затем заменяют резистор на
другой, с номиналом 75,59 Ом, и резистором К11 устанавливают показание плюс
99,9 °С. Операцию калибровки следует повторить дважды.
При необходимости расширить интервал измеряемой температуры до 180 °С
нужно подключить к АЦП еще один цифровой индикатор АЛС324Б Остальные
технические характеристики термометра при этом сохраняются.
ВЫВОДЫ
Прибор предназначен для точного измерения в широких пределах температуры
различных объектов и может быть рекомендован для использования как в быту, так
и в технике. В этом термометре использована БИС серии К572, поэтому он содержит
относительно небольшое число элементов. Термометр готов к работе сразу после
включения питания. Но, к сожалению, отсутствие серийных датчиков с малой
температурной инерцией приводит к значительной длительности процесса измерения
(около пяти минут), что несколько ограничивает область применения термометра.
СПИСОК
ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Федорков Б.Г.,
Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М.:
Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.: ил.
2.
Пароль Н.В.,
Кайдалов С.А. Знакосинтезирующие индикаторы и их применение: Справочник. - М.:
Радио и связь, 1989. - 128 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1122).
3.
Рябчинская Г.И.
Радиотехнические материалы. - М. - Л., Госэнергоиздат,1950.
4.
Радио. Вып. № 1.
1985.
ПРИЛОЖЕНИЕ А
СХЕМА
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ЦИФРОВОГО ТЕРМОМЕТРА