Московский государственный открытый университет

Чебоксарский политехнический институт (филиал)

1. Исходные данные:

1) тип датчика - термометр сопротивления ТСП100П (Pt 100): W₁₀₀= 1,391;

2) диапазон температуры - от -70 до +180 °С;

3) входной сигнал - сопротивление (таблица для W₁₀₀ ГОСТ Р50353, ГОСТ 6651-84);

4) выходной сигнал - цифровой - пропорциональный температуре двоичный код;

5) класс точности - 0,25;

6) время реакции датчика на изменение температуры - не более 10 сек.;

7) гальваническое разделение между входными и выходными цепями.

Задание:

1) построить график функции R = f(t) или W_t = f(t),

где R - величина сопротивления термометра сопротивления (Ом);

W_t - отношение сопротивления при температуре T к сопротивлению при T = 0 С; T - температура (°С);

2) построить прямую, соединяющую крайние точки заданного диапазона температуры, т.е. идеальную линейную характеристику преобразования по температуре;

3) определить максимальную в заданном диапазоне температуры погрешность нелинейности характеристики и сделать вывод о необходимости линеаризации, исходя из заданного класса точности с учетом запаса по погрешности не менее 20% от заданного (0,25);

4) определить разрешающую способность (разрядность) аналого-цифрового преобразования с учетом линеаризации (для линеаризации достаточно дополнительно 2 разряда), учитывая, что максимальная погрешность преобразователя в соответствии с ГОСТ 8.009 «Метрологические характеристики средств измерения» не должна превышать ±5 квантов (единиц младшего разряда);

5) определить число участков линеаризации, обеспечивающих заданную точность преобразования, и предложить вариант линеаризации НСХ преобразователя по температуре любым способом (кусочно-линейная аппроксимация, прямое преобразование с помощью ПЗУ, другое);

6) выбрать и обосновать принцип работы узла аналого-цифрового преобразования;

7) определить время преобразования измерительного преобразователя, исходя из принципа работы узла АЦ-преобразования, фильтрации помех и времени реакции датчика;

8) разработать структурную (функциональную) схему измерительного преобразователя, указав основные функциональные узлы с учетом особенностей измерения температуры датчиком-термометром сопротивления (пассивный датчик, малый диапазон изменения сопротивления). Составить описание устройства и принципа действия измерительного преобразователя по структурной (функциональной) схеме: функциональное назначение и необходимость в составе прибора каждого узла схемы.

Введение

Преобразование между аналоговыми и цифровыми величинами - основная операция в вычислительных и управляющих системах, поскольку физические параметры, такие, как температура, перемещение и напряженность магнитного поля, являются аналоговыми, а большинство практических методов обработки, вычисления и визуального представления информации - цифровыми.

В настоящее время широко используется преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму, что связано с тем, что данные, представленные в цифровом виде легко обрабатывать с помощью существующих вычислительных устройств и реализовывать дешевые системы обработки и передачи данных. Преобразовывая в цифровую форму с помощью АЦП такие аналоговые величины, как температура, давление, скорость, звук, можно реализовать различные устройства обработки данных, отличающиеся высоким качеством работы при малой стоимости и простоте.

В связи с тем, что сейчас существует широкий выбор различных интегральных схем, сочетающих в одном кристалле все необходимые функциональные узлы для построения высококачественных и эффективных систем обработки различных физических параметров, то это позволяет ввести цифровую обработку сигналов любому разработчику, который в ней нуждается.

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

Цель курсовой работы:

- познакомиться с организацией и основными этапами проектирование ЭА;

- усвоить основные понятия и термины, относящиеся к проектированию ЭА;

- научиться анализировать техническое задание (ТЗ) на проектирование, составлять структурную и функциональную схемы, а на их основе создать рациональную принципиальную схему ЭУ;

- закрепить и углубить знание методов расчета электронных цепей (ЭЦ); цифровой преобразователь электронный температура

- познакомиться с элементной базой ЭА;

- получить навыки поиска научно-технической литературы и работы с ней, правильного составления и оформления конструкторской документации;

- убедиться, что современное проектирование ЭА базируется на системе государственных (ГОСТ) и отраслевых (ОСТ) стандартов.

1. График функции R = f(T)

Для построения НСХ термометра сопротивления ТСП100П используем данные из таблицы ГОСТ 6616-94, ГОСТ Р50353-92, ГОСТ 6651-84.

По известным значениям W(t), пользуясь программой Microsoft Excel, построим график НСХ для термометра сопротивления ТСП100П для диапазона температур от -70 до +180 С^о с шагом 10°С .

Данные представлены в таблице 1. Для нахождения значения сопротивления воспользуемся формулой

R_t = W_t R_0.

Для нахождения уравнения идеальной прямой воспользуемся формулой для нахождения прямой по известным 2 координатам точек принадлежащих данной прямой, тогда имеем:

(1.1) =>

=>

Зная уравнение прямой можно найти значение функции при любом значении аргумента. На общем графике соединяем 2 крайние точки (или строим прямую по данному уравнению) в программе Microsoft Excel или другом редакторе.

Для нахождения значений сопротивления по прямой вводим уравнение прямой и получаем значения в соответствующих точках. Данные по прямой, а также погрешность по графику представлены в таблице

По данным таблицы строятся график НСХ термосопротивления и линейной характеристики рис.1.

Из таблицы видно, что максимальное отклонение от прямой наблюдается в точке 0, что соответствует -200°С при этом погрешность отклонения составляет 1,89.

Для наглядности наблюдения изменения значения погрешности на всем диапазоне температур построим график представленный на рис. 2. Из графика (рис.2) видно, что максимальная погрешность нелинейности в диапазоне температур от -200 до -70°С будет равна 1,89 Ом.

Такое же значение подтверждают математические вычисления в программе Microsoft Excel (из значений НСХ датчика ТСП100П вычитаются значения идеальной линейной характеристики).

Рис.1. График зависимости сопротивления от температуры для термометра сопротивления ТСП100П

Рис. 2. Зависимость значения погрешности от температуры

2. Точность преобразования и линейность

Точность учитывает погрешности квантования, нелинейности входных цепей и формирователей, погрешности производственной настройки, шум и кратковременный дрейф параметров. Существуют две разновидности определения точности: абсолютная и относительная точность.

Абсолютная точность - это отношение действительного выходного напряжения преобразователя, соответствующего полной шкале, к его расчетному выходному значению.

В АЦП абсолютная точность определяется тремя видами погрешностей: внутренне присущей преобразователям дискретной погрешностью (±Ѕ единицы младшего разряда) или погрешностью квантования, аналоговой погрешностью, обусловленной низким качеством элементов схемы (она обычно определяется в виде отношения полной погрешности в процентах ко всему суммарному входному сигналу), и апертурной погрешностью.

Относительная точность и линейность являются синонимами. Погрешность линейности или нелинейность можно определить как максимальное отклонение любой из этих дискретных точек от прямой линии, проведенной через крайние точки характеристики преобразования. Эти крайние точки устанавливаются потребителем в процессе калибровочной настройки.

Относительная погрешность в АЦП - это максимальное отклонение выходных цифровых кодов от прямой линии, проведенной через нуль и точку, соответствующую полной шкале.

По расчетам в Excel и из графика видно, что максимальное отклонение характеристики датчика от прямой появляется в значении шкалы 180°С и составляет 1,89.

Для расчета погрешности нелинейности характеристики (в %) применим формулу:

- - диапазон значений термоЭДС НСХ термопары для крайних точек характеристики преобразования (-70єС и 180єС).

Измерительный преобразователь должен обеспечивать класс точности 0,25. Также измерительный преобразователь должен обеспечивать запас по погрешности, который должен быть не менее 20%.

20% от 0,25 составляют 0,05 и тогда точность преобразования должна быть лучше 0,2 (0,25 - 0,05= 0,2).

В нашем случае максимальная погрешность нелинейности составляет 3,46 %, что больше требуемой (0,2%), поэтому необходима линеаризация характеристики преобразователя по температуре.

3. Разрешающая способность аналого-цифрового преобразователя

Наименьший уровень входного аналогового сигнала (для АЦП), для которого вырабатывается выходной цифровой код, и наименьший входной цифровой код (для ЦАП), для которого образуется уровень выходного аналогового сигнала, есть разрешающая способность преобразователя.

В реальных же условиях полезная разрешающая способность преобразователя оказывается меньше, причина наличие дополнительных источников влияния на полезный сигнал (шума, температурной нестабильности режима работы и т.д.).

Используем формулу для определения требуемой разрешающей способности преобразователя:

,

где Nп - полезная разрешающая способность преобразователя;

и - требуемое значение класса точности преобразователя (0,2).

По расчетам можно сказать, что полезная разрешающая способность преобразователя не должна быть меньше 500 единиц (квантов).

В соответствии с ГОСТ 8.009 «Метрологические характеристики средств измерения» максимальная погрешность преобразователя не должна превышать 5 квантов (единиц младшего разряда), тогда можем определить требуемую разрешающую способность преобразователя по формуле :

,

где N - значение разрешающей способности аналого-цифрового преобразования;

Nп - полезное значение разрешающей способности;

д_п - максимальная погрешность преобразователя (±5 квантов).

Для примера, если взять 11-разрядный АЦП, тогда полное значение разрешающей способности будет равно 2¹¹=2048, по нашим значениям этого недостаточно (2500). Значит можно сделать вывод, что разрешающая способность аналого-цифрового преобразователя с учетом линеаризации, должна быть не менее 2500 единиц (квантов) или разрядность преобразователя должна быть не ниже 12-ти разрядов (т.е. 2¹²=4096).

Для возможности линеаризации необходимо дополнительно 2 разряда, тогда значение разрешающей способности АЦП будет: .

Можно сделать вывод, что для выполнения условий необходимо не менее 14 разрядов в АЦП.

4. Линеаризация НСХ преобразователя

Для достижения требуемой точности преобразования используют линеаризацию НСХ термопреобразователя. Существует несколько методов линеаризации: с помощью кусочно-линейной аппроксимации - исходную функцию представляют ломанной кривой, уменьшая тем самым число точек характеристики, значения хранятся в памяти вычислительного устройства, а также метод прямого преобразования с помощью ПЗУ - использование ПЗУ для прямого преобразования выходного кода АЦП в значение температуры позволяет просто реализовать соответствие преобразователя классу точности 0,25 для диапазона температур от -200 до -70°С.

Для нахождения числа участков в методе кусочно-линейной аппроксимации, в каждом из которых НСХ представляется прямым отрезком, можно определить по формуле:

,

где

Nуч - число участков линеаризации;

д- максимальная погрешность линеаризации (3,46%);

и - требуемая точность преобразования (0,2).

Для нашего случая с учетом точности преобразования имеем:

Таким образом, для соответствия преобразователя классу точности 0,25, исходную НСХ термопреобразователя необходимо разделить на 17 участков.

При таком числе участков кусочно-линейная аппроксимация неэффективна, а использование ПЗУ для прямого преобразования выходного кода АЦП в значение температуры позволяет просто реализовать соответствие преобразователя классу точности 0,25 для диапазона температур от -200 до -70°С.

Значение требуемой емкости ПЗУ найдем по формуле:

где

2^N - число входных значений для ПЗУ;

N - разрядность входных данных с АЦП;

d - длина кода АЦП (в байтах).

В нашем случае N=14 разрядов, длина выходного кода d=2байта (14бит/8бит).

Остановимся на выборе метода линеаризации с использованием ПЗУ для прямого преобразования выходного кода АЦП. Для входного сигнала ПЗУ используется 14 разрядов, которые выводятся с АЦП. После этого при проведении линеаризации в ПЗУ исчезают 2 младших разряда. Соответственно на выходе ПЗУ будет 12 разрядов линеаризованного сигнала.

5. Выбор и основание принципа работы аналого-цифрового преобразователя

Назначение АЦП заключается в преобразовании аналогового входного сигнала (напряжение или ток) в частоту или последовательность импульсов. Для выбора разновидности АЦП будем брать за основу требования для эффективной работы преобразователя в целом. Различают несколько способов преобразования, основанных на принципе измерения временного интервала: преобразование напряжения в частоту, метод с пилообразным напряжением и метод линейного интегрирования. Двухтактный интегрирующий АЦП нашел широкое применение в измерительной технике, где измеряемая величина изменяется с небольшой скоростью (различные мультиметры). Остановимся на выборе данного АЦП. Как и любой АЦП он преобразовывает входное напряжение в цифровой код, пропорциональный входному напряжению. К достоинствам данного типа АЦП можно отнести минимальное число необходимых точных компонентов, высокую помехоустойчивость (возможность привязки времени интегрирования к частоте питающей сети), отсутствие дифференциальной нелинейности, небольшую стоимость.

Рис. 3.Функциональная схема работы двухтактного интегрирующего АЦП

Рассмотрим принцип работы данного АЦП. Графики, поясняющие временную работу, изображены на рис. 4 и 5.

В первом такте цикла преобразования t1(T1) производится интегрирование - накопление интеграла от некоторого входного сигнала, далее по истечении времени во втором такте t2(T2) выполняется операция - считывание накопленного интеграла путем подачи на вход интегратора другого входного сигнала (опорного). Диаграмма изменения напряжения Uи (при подаче Uвх) показывает, что наклон интегральной прямой будет зависеть от уровня входного сигнала.

В первом такте длительностью t1(T1) напряжение Uи изменяется от некоторого начального уровня (в частном случае от нуля) до значения Uм. Во втором такте длительностью t2(T2) происходит обратное изменение Uи - от Uм до исходного уровня.

Нарастание значения интеграла в течение t1(T1) происходит при подаче на вход интегратора напряжения Uвх.и = U₁, а снятие значения t2(T2) - при подаче напряжения Uвх.и = U₂₌Uоп.

Выбор длительности t1(T1), при котором происходит интегрирование входного сигнала Uвх надо выбрать из условия подавления высокочастотных помех и исключением влияние сетевых помех на точность преобразования (период интегрирования должен быть кратным периоду или нескольким периодам сетевой частоты, т.к. должно выполняться условие 0-го интегрирования синусоидального напряжения помехи, иначе происходит внесение дополнительного значения уровня напряжения в основной сигнал).

Рис. 4. Диаграмма изменения интеграла при реализации принципа интегрирования

Из графика видно, что напряжения U₁ и U₂ должны иметь различную полярность, а соотношение длительностей тактов определяется равенством

T₂/T₁ = - U₁/U₂.

Рис. 5. Пояснение выбора времени интегрирования для борьбы с помехой в сети

Для формирования кода производят подсчет импульсов известной частоты, заполняющих измеряемый промежуток времени. В интегрирующем преобразователе этого типа не важны стабильность частоты генератора импульсов, если исходить из того, что она остается постоянной за время преобразования, и стабильность «постоянной времени» интегратора. Интегрирующий АЦП применяется до 14-разрядной точности и обеспечивает высокое подавление помех и превосходную стабильность, как во времени, так и по температуре.

6. Время преобразования АЦП

В двухтактном интегрирующем АЦП соотношение длительностей тактов определяется равенством:

Тогда время разряда , и общее время преобразования АЦП:

Время интегрирования входного напряжения Uвх установим кратным периоду сетевой помехи и равным t₁ = 640 мс.

Таким образом, максимальное время преобразования измерительного преобразователя будет равно:

Время реакции датчика на изменение температуры - не более 10 секунд, в нашем случае максимальное время преобразования равно 1,53 секунд, что меньше.

7. Структурная схема измерительного преобразователя

Термопреобразователь сопротивления - пассивный датчик, поэтому для получения информации об измеряемом параметре - температуре, необходимо пропустить через него ток и измерить на нем падение напряжения. Напряжение будет пропорционально сопротивлению датчика R(t). Как и сопротивление датчика, напряжение на нем будет изменяться нелинейно в зависимости от температуры.

Структурная схема измерительного преобразователя состоит из измерительного моста, источника стабильного тока, масштабирующего усилителя (ОУ), АЦП с источником опорного напряжения, гальванической развязки и блока ПЗУ.

Для линеаризации сигнала датчика используется узел линеаризации, принципиальная схема которого показана на рисунке 6. Напряжение на выходе узла линеаризации изменяется практически линейно в зависимости от температуры.

При протекании стабильного тока через термосопротивление происходит формирование падения напряжения, которое снимается и подается на ОУ, где э.д.с. низкого уровня усиливается до необходимого значения. Значение стабильного тока установлено и нормируется в ГОСТ. Выбор малого значения опорного тока связано с исключением возможности разогрева термосопротивления, что может повлиять на результат измерения температуры.

Рис.6. Структурная схема измерительного преобразователя

Далее после усиления сигнал поступает на АЦП, где аналоговая величина преобразуется в цифровой код. Для работы данного типа АЦП необходим источник опорного напряжения. Выбор значения напряжения, как было показано ранее, задает соотношение между постоянными времени интегрирования и измерения. Также за счет использования данного типа АЦП снижается влияние сетевой помехи (50 Гц) за счет выбора кратности времени интегрирования периоду сетевой частоты. Далее сигнал с выхода АЦП поступает на вход гальванической развязки.

В настоящее время в связи с развитием технологии полупроводниковых устройств расширяются возможности по использованию оптоэлектронных развязывающих устройств, оптических вентилей (оптронов). Принцип работы оптрона проиллюстрирован на рис. 7

Рис.7. Принцип работы оптрона

Светоизлучающий диод, p-n-переход которого смещён в прямом направлении, излучает свет, воспринимаемый фототранзистором. Таким образом, осуществляется гальваническая развязка цепей, связанных со светодиодом, с одной стороны, и с фототранзистором, с другой.

К достоинствам оптоэлектронных развязывающих устройств можно отнести:

- способность осуществлять развязку в широком диапазоне напряжений, в том числе до величины 500 В, что является значением, принятым при реализации систем ввода;

- возможность передавать сигналы на высокой частоте (до десятков МГц);

- малые габаритные размеры.

В общем случае оптопара используется для обеспечения необходимой помехозащищённости. Эта проблема актуальна при построении измерительных прецизионных систем. Это важно при эксплуатации оборудования в условиях, связанных с возможным влиянием на него несанкционированных электромагнитных воздействий, с невозможностью обеспечения качественного заземления и т. п., например, в цехах промышленных предприятий, на транспорте, а также в условиях, где возможно возникновение субъективного фактора “человеческой” ошибки, приводящей к выводу дорогостоящего оборудования из строя.

Для того, чтобы выходное значение прибора было линейно температуре необходимо ПЗУ, которое будет осуществлять прямое преобразование сигнала, и позволит снизить погрешность нелинейности характеристики (дополнительно отбрасываются 2 разряда после проведения линеаризации в ПЗУ).

Список используемой литературы

1. Ноткин Ю.А. и др. Многоканальные измерительные преобразователи.

2. - СПб.; Энергоатомиздат. СПб отделение, 1992 г.

3. Гнатек Ю.Р. Справочник по цифроаналоговым и аналогоцифровым преобразователям: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1982.-552с.

4. ГОСТ 6616-94 (ГОСТ Р50353-92, ГОСТ6651-84) Преобразователи термоэлектрические. Общие технические требования и методы испытаний.

5. Б.Г. Федорков, В.А.Телец «Микросхемы ЦАП и АЦП: Функционирование, параметры, применение» Справочник.-М.: «Энергоатомиздат», 1990.

6. .С.В.Якубовский, Л.И.Ниссельсон и др. «Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы» Справочник. М.: «Радио и связь», 1990.

7. .В.Н.Вениаминов, О.Н.Лебедев, А.И.Мирошниченко «Микросхемы и их применение» Справочник. М.: «Радио и связь», 1989.

8. .А.К.Адабашьян, К.А.Алексеев, А.С.Клюев «Монтаж приборов и средств автоматизации» Справочник. М.: «Энергия», 1972.

9. .Гнатек. Юджин. Справочник по цифровым преобразователям АЦП и ЦАП. М.: «Радио и связь», 1982.

Размещено на Allbest.ru