Informatics Point

Информатика и проектирование

Входное устройство

Как уже было сказано выше, входное устройство должно обеспечивать следующие функции:

- делить входной сигнал так, чтобы его уровень по абсолютному значению, по крайней мере, не превосходил питающее напряжение ±5 В;

- защищать входные цепи от перегрузок в случае подключения высокого напряжения к входу вольтметра;

фильтровать входной сигнал, то есть выступать в качестве фильтра нижних частот;

смещать входной сигнал в область положительных напряжений так, чтобы весь диапазон изменения входного напряжения ±10 В укладывался в диапазон рабочих напряжений АЦП: 0 …4,096 В.

Устройство, обеспечивающее все эти функции, может быть реализовано по схеме, изображенной на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема входного устройства

Каскад на операционном усилителе DA1 построен по схеме инвертирующего усилителя. Известно, что коэффициент передачи такой схемы определяется как K=-R3/R1, а ее входное сопротивление равно R1. Если выполняется условие R1>R3, то коэффициент передачи становится меньше 1. Таким образом, можно получить входной делитель напряжения с высоким входным сопротивлением и очень малым выходным. Кроме того, ОУ в схеме инвертирующего усилителя работает без синфазной составляющей напряжения на его входах, что дает возможность преобразовывать входное напряжение U1, значительно превышающее напряжение питания ОУ.

В том случае, если ток инвертирующего входа ОУ, протекающий через высокоомные резисторы R1 и R3, вызывает заметное падение напряжения, необходимо компенсировать это смещение с помощью резистора R2, равного сопротивлению параллельно соединенных резисторов R1 и R3.

Диоды VD1 и VD2 служат для защиты входа от перегрузки высоким входным напряжением. В том случае, если входное напряжение находится в штатном диапазоне, операционный усилитель DA1 работает в активном режиме, отрицательная обратная связь замкнута, поэтому потенциал инвертирующего входа практически равен нулю. Поэтому диоды заперты, и их присутствие не влияют на работу схемы. Если высокое напряжение U1 выводит DA1 в режим насыщения, обратная связь не поддерживается, и напряжение на инвертирующем входе ОУ начинает расти. Однако при достижении значения примерно 0.7 В (порог открытия кремневых диодов) это напряжение стабилизируется, что предотвращает опасную ситуацию увеличения напряжения на входе усилителя сверх напряжения питания.

Конденсатор, включенный в обратную связь ОУ, ограничивает частоту пропускания каскада на уровне F=1/2πR1C3, таким образом, все устройство приобретает свойства фильтра нижних частот.

Схема сдвига уровня реализована на резисторах R4 и R5. Выходное напряжение устройства U3 можно определить по формуле

U3=(U2*R5+Vref*R4)/(R5+R4),

где Vref - опорное напряжение АЦП.

Если выполнить условие R4=R5, это выражение примет вид:

U3=(U2+Vref)/2.

Таким образом, если напряжение U2 будет меняться в пределах от -Vref до +Vref, это вызовет изменение U3 в пределах от 0 до +Vref, что и требуется для согласования выходного двуполярного сигнала U3 с диапазоном входных напряжений АЦП.

Заданная в исходных данных погрешность измерения вольтметра, равная 1%, практически полностью определяется использованием 10-битного АЦП, поэтому входной аналоговый тракт должен вносить погрешность во много раз меньшую. Для этого в схеме необходимо использовать прецизионный операционный усилитель и точные резисторы. В качестве операционного усилителя здесь может быть использована микросхема ОР177 фирмы Analog Devices. Этот усилитель обладает отличными точностными характеристиками [4]: сверхнизким напряжением смещения нуля <25 мкВ, малым входным током < 1.5 нA, очень высоким коэффициентом усиления >107, низкой стоимостью.

Так как входное сопротивление по условию должно быть ≥ 1 МОм, а входное сопротивление каскада равно R1, зададим R1=1 МОм. Выбор большего номинала R1 приведет к возрастанию выходного смещения DA1 за счет протекания входного тока ОУ через резисторы R1 и R3.

Зададим требование, чтобы при максимальном значении входного напряжения, равного 10 В, напряжение U2 было бы близким к опорному напряжению Vref=4.096 В, но несколько меньше этого значения. Примем эту величину, равной 4.09 В. Тогда коэффициент передачи каскада будет равен К=4.09/10=0.409.

Отсюда отношение резисторов R1/R3 должно быть равно 2.445. Следовательно, R3=K*R1=409 кОм. Резисторы R1 и R3 должны быть прецизионными, поэтому их значения необходимо выбирать из ряда номиналов E192. Тогда R1=1МОм, а R3=407 кОм.

Перейти на страницу: 1 2

Лучшие статьи по информатике

Подтверждение соответствия сотового телефона марки Nokia n97
В настоящее время тяжело представить человека без сотового или как его еще называют мобильного телефона. У кого-то смартфон, кому то по нраву КПК, кто-т ...

Сравнительный анализ социальных сетей
Мы живем в 21 веке в эпоху бурного развития информационных технологий. Мобильные устройства, интернет и «умная» бытовая техника присутствуют в каждом ...

Разработка контура регулирования давления смешанного газа на ГСС блока воздухонагревателей
Главным средством технического процесса, без которого невозможны высокие темпы дальнейшего роста производительности труда, является комплексная механизация ...

Меню сайта