Проектирование устройства измерения тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Сравнительный анализ методов измерения тока

1.1 Резистивный метод

1.2 Метод, основанный на основе эффекта Холла

1.3 Метод на основе трансформатора тока

1.4 Метод на основе магниторезистивных датчиков

1.5 Метод на основе магнитооптических датчиков

1.6 Метод на основе катушки Роговского

2. Выбор и обоснование типа датчика

3. Разработка структурной схемы высокочастотного амперметра

4. Разработка функциональной схемы высокочастотного амперметра

5. Выбор и расчёт основных узлов

5.1 Выбор измерительного усилителя

5.2 Расчёт интегратора

5.3 Выбор аналого-цифрового преобразователя

5.4 Выбор и обоснование микропроцессора

5.5 Выбор и обоснование интерфейса к ПЭВМ

5.6 Выбор энергонезависимой памяти

5.7 Выбор и обоснование типа отсчетного устройства

5.8 Устройство и работа блока питания

6. Расчет погрешностей

Список литературы



Введение

В эпоху научно-технической революции темпы развития науки и техники в значительной степени определяются научным и техническим уровнем измерения. В свою очередь уровень развития измерительной техники является одним из важнейших показателей прогресса науки и техники. Это особенно справедливо для электрорадиоизмерений, поскольку исследования в области физики, радиотехники, электроники, космонавтики, медицины, биологии и других отраслей человеческой деятельности базируются на измерениях электромагнитных величин.

Основными направлениями качественной стороны развития измерительной техники являются:

повышение точности измерения;

автоматизация процессов измерения;

повышение быстродействия и надежности измерительных приборов;

уменьшение потребляемой мощности питания и габаритов всех средств измерительной техники.

Достоверное измерение токов в энергетическом и управляющем оборудовании является важным аспектом обеспечения высокой надёжности и безопасности промышленных систем и электронных приборов. Существует целый ряд измерительных приборов, в состав которых входят датчики для определения разбаланса токов, мониторинга и диагностики цепей, запуска схем защиты, обнаружения отказов электрооборудования и аварийных состояний различных типов нагрузки.

При измерении тока в высоковольтных установках, как правило, приходится иметь дело с большими значениями измеряемой величины. Не всегда удается измерить такой ток с помощью обычных измерительных приборов. В таких случаях пытаются различными способами уменьшить ток, текущий через измерительный прибор, либо измерить его по косвенным признакам. С этой целью обычно используют шунты, измерительные трансформаторы и датчики Холла. Зная зависимость между измеренным и протекающим в проводнике током, определяют величину последнего.



1. Сравнительный анализ методов измерения тока

Существует множество методов измерения тока, однако в промышленности наиболее широко применяются шесть:

- резистивный (где в качестве датчика тока применяется резистивный элемент высокой точности, последовательно включенный в цепь, где необходимо выполнить измерение);

- на основе эффекта Холла (где в качестве первичного датчика используется элемент Холла);

- на основе трансформатора тока;

- на основе катушки Роговского;

- на основе магниторезистивных датчиков;

- на основе магнитооптических датчиков.

Датчики тока, реализованные на базе указанных методов, имеют свои достоинства и недостатки, определяющие области их применения. В таблице 1 представлены основные достоинства и недостатки каждого из типов датчиков

Рассмотрим каждый из методов более подробно.

Таблица 1

Внешний вид датчика	Тип датчика	Достоинства	Недостатки
	Резистивный шунт	Низкая стоимость, хорошая линейность	Отсутствие гальванической развязки, ограниченный диапазон преобразуемых токов, паразитная индуктивность, смещение по постоянному току
	Трансформатор тока	Возможность преобразования больших токов, малая собственная потребляемая мощность	Насыщение, гистерезис, фазовый сдвиг, невозможность преобразования пост, тока, относительно большие весогабаритные показатели
	Датчики на основе эффекта Холла	Широкий динамический диапазон	Гистерезис, насыщение, температурный дрейф, высокая стоимость
	Катушка Роговского	Низкая стоимость, нет ограничений по насыщению, малая потребляемая мощность, очень низкая температурная зависимость, невосприимчивость к смещению по пост, току	Выходной сигнал требует использования аппаратного интегратора, чувствительность к внешним магнитным полям
	Магниторезистивные датчики	Высокая надежность, высокая чувствительность, широкий диапазон рабочих частот (от 0 Гц до МГц) и широкий диапазон рабочих температур	Нелинейность, чувствительность к внешним магнитным полям
	Магнитооптические датчики	Высокая точность, широкий диапазон измеряемых токов (от мА до МА)	Высокая цена. Выигрыш в точности, размерах и весе проявляется только при измерении сверхбольших токов

1.1 Резистивный метод

Резистивные датчики тока - самые дешёвые, линейные и точные и обладают преимуществами, с возможностью измерять как переменный, так и постоянный токи. Однако им присущи потери, вносимые в цепь измерения, отсутствие гальванической развязки, ограничение полосы пропускания, обусловленное паразитной индуктивностью большинства мощных резисторов, а также саморазогрев и термоЭДС при больших токах, снижающие их точность измерения. Низкоиндуктивные измерительные резисторы существенно дороже, но могут быть использованы для измерения токов в диапазоне частот до нескольких мегагерц. Главным недостатком резистивного датчика тока является необходимость подключать датчик непосредственно в цепь измерения.

1.2 Метод, основанный на основе эффекта Холла

Первые промышленные датчики тока на основе эффекта, открытого в 1897 г. американским физиком Эдвином Холлом (Edwin H. Hall, 1855-1938), были разработаны в конце 1960-х. Однако широкое использование интегральных и гибридных датчиков тока на основе эффекта Холла долгое время сдерживалось их высокой стоимостью. К началу 1990-х были разработаны новые технологии, позволившие значительно снизить себестоимость производства самих ячеек Холла и интегральных схем на их основе. Это обусловило бурный рост предложения промышленных датчиков тока и других магниточувствительных полупроводниковых приборов.

Эффект Холла заключается в появлении напряжения на концах полоски проводника или полупроводника, помещённого перпендикулярно силовым линиям магнитного поля (рисунок 1.1). Для меди напряжение Холла составляет ±24 мкВ/кГс, для полупроводника - свыше ±110 мВ/кГс (с учётом направлений магнитного поля и тока), что вполне достаточно для построения промышленных датчиков тока, главными преимуществами которых является отсутствие вносимых потерь и "естественная" гальваническая развязка. В линейных датчиках Холла выходное напряжение пропорционально приложенному магнитному полю, за исключением режимов симметричного насыщения. По сравнению с резистивными датчиками тока, приборы на основе ячейки Холла имеют более узкий частотный диапазон, паразитное напряжение смещения (в некоторых конструкциях), низкую точность, высокую стоимость и требуют для работы внешний источник питания.

Рисунок 1.1 - Возникновение ЭДС Холла

На рисунках 1.2 и 1.3 схематически представлены две основные разновидности датчиков тока на основе эффекта Холла - разомкнутого и замкнутого типов соответственно, где I_primary - ток в первичной цепи, I_seсondary - ток во вторичной цепи, V_out - выходное напряжение усилителя, пропорциональное току в первичной цепи.

Рисунок 1.2 - Датчик тока Холла разомкнутого типа

Рисунок 1.3 - Датчик Холла тока замкнутого типа

Датчики замкнутого типа (с компенсирующей обмоткой) обеспечивают высокую точность, в несколько раз более широкую полосу пропускания и, как правило, не имеют выходного смещения при нулевом токе. Их чувствительность прямо пропорциональна числу витков компенсирующей обмотки. Однако по (стоимости) они приближаются к трансформаторам тока.

1.3 Метод на основе трансформатора тока

Датчики на базе трансформаторов тока (ТТ) обычно работают на сетевой частоте (50, 60 или 400 Гц). Их стоимость превышает стоимость датчиков на основе эффекта Холла. К преимуществам трансформаторных датчиков следует отнести отсутствие вносимых потерь и напряжения смещения при нулевом токе, а также гальваническую развязку с высоким пробивным напряжением. Они не нуждаются в дополнительном источнике питания. Недостатком ТТ является насыщение сердечника при наличии в первичном токе постоянной составляющей, что приводит к необратимому ухудшению точности преобразования и низкой рабочей частоте.

1.4 Метод на основе магниторезистивных датчиков

Магниторезистивные (МР) датчики тока строятся на базе анизотропного МР-эффекта, и обеспечивают точность и линейность до 0,1...0,2 % при измерении постоянных и переменных (до 500 кГц) токов до 200 А не внося потерь. Однако для работы им требуется внешний источник питания и отсутствие внешних магнитных полей. Последняя проблема в значительной мере снимается применением пар магниторезисторов, расположенных последовательно для магнитного поля проводника и встречно для магнитного поля внешней помехи. Для получения приемлемой температурной стабильности и высокой помехоустойчивости магниторезисторы ИС датчика, как правило, соединяются по мостовой схеме, а МР датчики замкнутого типа снабжаются компенсаторами (Рисунок 1.4). Дополнительными преимуществами магниторезистивных датчиков тока являются: значительно меньшие размеры и вес, а также существенно более высокая чувствительность по сравнению с датчиками Холла и трансформаторами тока, отсутствие остаточной намагниченности после перегрузки, широкий частотный диапазон благодаря низкой индуктивности магниторезисторов.

Рисунок 1.4 - магниторезистивный датчик тока с компенсатором

1.5 Метод на основе магнитооптических датчиков

В магнитооптических датчиках измеряемый ток пропорционален поляризации света, либо разности фаз когерентного излучения. Также существуют оптические датчики на основе эффекта Фарадея. Использование данного типа датчика не целесообразно из-за достаточно высокой стоимости.

1.6 Метод на основе катушки Роговского

В качестве датчиков переменного тока используются катушки Роговского. На сегодняшний день существуют датчики, у которых погрешность измерения тока в диапазоне от 70 мА до 70 А не превышает 0.1 %.

Принцип работы этих датчиков основан на измерении напряжения на выводах прямоугольной проводящей рамки, размещенной рядом с проводником. Ток, протекающий по проводнику, создает вокруг него пропорциональное магнитное поле, изменения которого наводят ЭДС в измерительной рамке (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 - Схематическое изображение датчика тока с использованием катушки Роговского

Плоскость каждой из соединённых последовательно рамок перпендикулярна силовым линиям поля, поэтому для вычисления тока необходимо проинтегрировать напряжение по времени.

В конструктивном исполнении катушка Роговского представляет собой длинный соленоид с воздушным сердечником и равномерной намоткой витков. Концы катушки выводятся вместе и замыкаются через сопротивление нагрузки. В большинстве случаев катушка Роговского наматывается на гибкий стержень, который затем и охватывает токоведущий проводник (рисунок 1.6). Отсутствие магнитного сердечника, обеспечивав достоинства, присущие этому типу датчиков: высокую линейность, точность и надежность, возможности измерения на высоких частотах.

Рисунок 1.6 - Структура катушки Роговского

В отличие от токового трансформатора в катушке Роговского нет первичной обмотки. В катушке, окружающей проводник с измеряемым током, при. замыкании контура наводится э.д.с, величина которой теоретически не зависит от формы петли и ее расположения относительно провода. Связь между электрическим током и напряженностью магнитного поля устанавливается законом полного тока (первым уравнением Максвелла или уравнением Ампера), гласящим, что линейный интеграл напряженности магнитного поля по любому замкнутому контору равен полному току через поверхность, ограниченную этим контуром:

, (1)

где Н - напряженность магнитного поля;

б - угол между вектором магнитного поля и направлением нормали к плоскости витка элементарной секции длиной dl.

Связь между магнитным потоком Ф и напряженностью магнитного поля Н определяется выражением:

, (2)

где м₀ - магнитная проницаемость воздуха;

dS = А Ч n Ч dl,

где А - поперечная площадь элементарной секции, n-число витков в секции длиной dl. высокочастотный амперметр проектирование

В замкнутом контуре э.д.с. появляется вследствие наведенного электрического поля при изменении магнитного поля:

, (3)

M = м₀ Ч A Ч n

- взаимная индуктивность между катушкой и проводником.

Поскольку ЭДС наводится только при изменении магнитного поля, катушка не может использоваться для измерения постоянной составляющей тока. Кстати, это свойство является дополнительным достоинством катушки при применении ее в бытовых счетчиках электроэнергии.

Существенно, что при намотке катушки должна соблюдаться равно мерность распределения витков по всей длине, причем равномерность должна сохраняться даже при деформации катушки. Для обеспечения этих условии катушка наматывается на стержень из гибкого материала.

Современные технологии позволяют создавать катушки диаметром 7 мм, охватывающие проводники диаметром менее 10 мм с высокой однородностью намотки. Такие катушки могут обеспечить погрешность преобразования менее 0,1 %.

По самому принципу действия катушка Роговского подвержена воздействию внешних магнитных полей. При совершено равномерной намотке витков на круглый тороидальный стержень влияние равномерного внешнего магнитного поля уравновешивается внутри катушки. Для уменьшения емкостной связи с внешними цепями и устранения наводок от посторонних переменных электромагнитных полей катушку Роговского обычно помещают в электростатический экран с разрезом по внутренней стороне экрана.

Поскольку напряжение на выходе катушки Роговского пропорционально производной тока, необходим интегратор, чтобы преобразовать сигнал пропорциональный di/dt в сигнал пропорциональный i(t) для дальнейшей обработки.

Многие фирмы-изготовители катушек Роговского, например, компания Rocoil, предлагают конструктивно завершенные модели активных интеграторов с чувствительностью от 10 А/В до 100 кА/В, входящие в единый комплект с катушкой или поставляемые отдельно. Кроме одноканальных выпускаются трехканальные интеграторы, используемые в трехфазных счетчиках.

Рисунок 1.7 - График зависимости погрешности преобразования от тока

Нелинейность рекомендуемых фирмой, например, Analog Device токовых датчиков на базе катушек Роговского в диапазоне измеряемых токов 0,1...100 А не превышает 0,1 % (см. рисунок 1.7).



2. Выбор и обоснование типа датчика

Проведенный анализ бесконтактных методов измерения высокочастотных больших токов показал, что, наиболее полно требованиям технического задания удовлетворяют датчики на основе катушки Роговского.

Рисунок 2.1 - Пояс Роговского

Пояс Роговского представляет собой длинный замкнутый соленоид произвольной формы с равномерной намоткой (рис. 2.1). Принцип его работы основан на регистрации магнитного поля, создаваемого измеряемым током Io. Если обмотка пояса замкнута на сопротивление нагрузки Rн, то изменение тока в поясе Io(t), описывается уравнением:

, (4),

где L, r - индуктивность и сопротивление пояса, N - число витков в его обмотке, µ, µ0 -магнитная проницаемость сердечника пояса и вакуума, S, I - площадь сечения и длина сердечника, Iо - измеряемый ток. В этом уравнений не учтено влияние паразитной емкости между витками обмотки, что справедливо для относительно низких частот измерения тока Io(t).

Уравнению (4) соответствует эквивалентная схема, показанная на рис. 2.1, где пунктиром изображена паразитная емкость. Ее влиянием можно пренебречь, если:

.

Общее решение уравнения (5), как показывается в курсе дифференциальных уравнений, есть:

, (5)

где ф - где переменная интегрирования.

Если длительность импульса тока (характерное время изменения тока) ф_и мала по сравнению с ф, то решение (5) принимает вид:

, ф (6)

т.е. пояс Роговского работает в режиме трансформатора тока, а напряжение на нагрузке (на выходе пояса):

(7)

Рисунок 2.2 - Эквивалентная схема пояса

Такой режим работы пояса с интегрированием сигнала на собственной индуктивности пояса и сопротивлениях r + Rн наиболее употребителен на практике. Правда, чувствительность измерителя, равная отношению Uвых/I(t), в этом режиме работы относительно низкая; основная погрешность в измерении тока обусловлена конечной величиной постоянной времени ф обмотки пояса (условие ф_и " ф).

При большом R_H (R_H " щL, r) измеритель работает в режиме контура ударного возбуждения. Чувствительность его при этом более высокая, но форма выходного напряжения не соответствует форме импульса измеряемого тока. Для устранения этого недостатка используют так называемую интегрирующую цепочку (Рис. 2.2). Тогда обмотка пояса вместе с элементами R и С интегрирующей цепочки представляет собой колебательный контур с затуханием, последовательно с которым включена внешняя эдс ?(t), определенная в (4). Уравнение для тока пояса теперь принимает вид:

. (8)

В случае, когда характерное время изменения измеряемого тока (и соответственно тока пояса) есть ф_и, то по порядку величины слагаемые в левой части уравнения равны:

(9)

Тогда если выбирать параметры интегрирующий цепочки так, что:

, (10)

то первым и третьим слагаемыми в уравнении (6) можно пренебречь, так что:

(11)

а напряжение на емкости (на выходе интегрирующей цепочки) равно:

(12)

Подставив сюда выражение для индуктивности пояса из (4), получим еще одну форму записи:

(13)

Таким образом, зная параметры пояса и интегрирующей цепочки, можно по напряжению на конденсаторе определить ток Io(t).

Рисунок 2.3 - Схема пояса с интегрирующей цепочкой

Подчеркнем, что значения напряжений на выходе пояса (7) и интегрирующей цепочки (12), (13) не зависят от расположения проводника с измеряемым током или пучка заряженных частиц внутри пояса; достаточно, чтобы измеряемый ток "пронизывал" контур, на который намотан пояс.

Преимущественная область применения индукционных преобразователей - измерение токов в переходных, т.е. нестационарных, режимах, а также тока импульсной формы.

Требования к точности таких измерений не высоки: погрешности порядка 10 %. Однако диапазон значения измеряемого тока велик - до 200-500 кА, а в отдельных случаях -до 1000 кА. Трудности измерений нестационарного тока связаны с тем, что частотный спектр временного процесса весьма широк, иногда содержит постоянную составляющую, что резко ограничивает использование измерительных трансформаторов. Метрологические характеристики последних действительны только на одной частоте.

ИИП могут использовать без интегратора.

Если, например, индуктивное сопротивление во вторичной цепи преобразователя значительно превосходит активное, то справедливо будет приближенное выражение:

e2(t) =L2(di2/dt).

Принимая во внимание формулу выше, найдем что:

i2= (M/L2)i1.

Индукционные преобразователи, работающие в таком режиме, используют в основном при измерении импульсных токов, когда длительность импульса ф и измеряемого тока много меньше постоянной времени вторичной цепи: ф и "L2/Rн, R - активное сопротивление нагрузки индукционного преобразователя.

Простота конструкции, линейность преобразования при достаточной широкополосности позволили широко использовать индукционные преобразователи в практике различного рода исследований, связанных с измерением токов и. Тем не менее, их серийный выпуск у нас в стране до сих пор не налажен. В испытательных лабораториях Минэнерго СССР и Минэлектротехпрома получил распространение индукционные преобразователи, разработанные и выпущенные малой серией ВЭИ им. В.И. Ленина, которые применяют до сих пор. Они имеют следующие технические характеристики: номинальное напряжение - 12 кВ; размер бакелитового кольцевого каркаса для намотки тора: Rвд=120 мм, Rи=124 мм, h=178 мм; число намотки - два (непрерывные, плотные); общее сопротивление обмотки 160 кОм; взаимная индуктивность 19,5 мкГн; индуктивность тора 150 мкГн.



3. Разработка структурной схемы высокочастотного амперметра

На рисунке 3.1 представлена структурная схема высокочастотного амперметра. Здесь:

ДТ - датчик тока;

НУ - нормированный усилитель;

И - интегратор;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

МП - микропроцессор;

ОУ - отчетное устройство (светодиод);

ЭП - электронная память.

Рисунок 3.1 - Структурная схема амперметра

Датчик тока - катушка Роговского (КР), осуществляет преобразование высокочастотного тока в напряжение пропорциональное первой производной по току, а нормированный усилитель усиливает это напряжение в 10 раз. Далее сигнал подается на вход интегратора (И), выходное напряжение которого есть линейная зависимость измеряемого тока. Далее сигнал напряжения с выхода интегратора преобразуется в цифровой код АЦП. Вся информация обрабатывается микропроцессором (МП) где и осуществляются все необходимые математические преобразования. Результат измерения выдается на отчетное устройство (ОУ).



4. Разработка функциональной схемы высокочастотного амперметра

На основе структурной схемы была разработана функциональная схема амперметра, приведенная на рисунке 4.1.

Устройство работает следующим образом. На проводник с протекающим по нему переменным током одевается пояс Роговского. Переменное электромагнитное поле наводит ЭДС индукции на концах пояса Роговского. ЭДС усиливается с помощью измерительного усилителя. Выходной сигнал измерительного усилителя поступает на вход интегратора. Выходное напряжение интегратора преобразуется в код с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Выходной код АЦП поступает на вход микропроцессора. Микропроцессор обрабатывает полученные данные и выводит их на жидкокристаллический буквенно-цифровой индикатор. Данные микропроцессора сохраняются в энергонезависимой памяти. В приборе предусмотрено согласование с ПЭВМ. Задание режимов осуществляется с помощью пульта управления.

Рисунок 4.1 - Функциональная схема амперметра



5. Выбор и расчёт основных узлов

5.1 Выбор измерительного усилителя

В качестве дифференциального усилителя выберем усилитель компании Burr-Brown INA114 (рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 - Схема усилителя INA114

Данный усилитель имеет следующие характеристики:

- нижний предел падения напряжения - ? 50 мкВ;

- дрейф напряжения - ? 0,25 мкВ/°С;

- минимальное значение входного тока - 2 нА;

- диапазон входного напряжения - от ±2.25 до ±18 В;

- диапазон рабочих температур от -40 до +80 °С.

Усилитель INA114 имеет низкую стоимость, высокую точность и небольшие габаритные размеры, что делает его широко применимым при разработке схем электрических принципиальных. Коэффициент усиления может варьироваться от 1 до 10000 в зависимости от номинального значения сопротивления внешнего резистора (рисунок 5.1, справа). В нашем случае нам необходимо получить коэффициент усиления 10, следовательно, значение сопротивления внешнего резистора должно составлять R_G = 50кОм/ Ку-1= 5,556 кОм.

Схема измерительного усилителя типа INA114 представлена на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 - Измерительный усилитель INA114

Нумерация и назначение выводов микросхемы INA114 представлена в таблице 2.

Таблица 2

Номер вывода микросхемы	Обозначение вывода	Наименование вывода
1, 8	Rg	Выводы для подключения внешнего резистора, регулирующего коэффициент усиления усилителя
2	V+in,	Неинвертирующий вход усилителя
3	V-in,	Инвертирующий вход усилителя
4,7	V-, V+	Напряжение источника питания
5	Ref	Аналоговая земля
6	V0	Аналоговый выход

5.2 Расчёт интегратора

Традиционно активные интеграторы строят на базе операционных усилителей. Напряжение на выходе интегратора в пределах рабочей полосы частот усилителя описывается выражением:

, (14)

где RC - постоянная интегрирования;

М - взаимоиндуктивность катушки.

По требования технического задания 1с. Зададимся значением конденсатора С = 10^-6 Ф. Отсюда номинал резистора R составил 10 МОм.

Рисунок 5.3 - Схема интегратора

5.3 Выбор аналого-цифрового преобразователя

АЦП выбираем, учитывая следующие критерии:

- Время преобразования (по техническому заданию).

- Высокая точность, что бы АЦП вносила наименьший вклад в погрешность всего устройства.

- Совместимость с микропроцессором.

- Доступность в финансовом отношении.

Выходное напряжение интегратора преобразуется в цифровой код с помощью АЦП, в качестве которого используется микросхема AD7816 фирмы Analog Device.

AD7816 - это 10-разрядное АЦП с временем преобразования 9 мкс; имеет удобный интерфейс обращения к микропроцессору. Функциональное назначение выводов приведено в таблице 2.

Таблица 3

№	Обозначение	Описание функций
1	CONVST	логический входной сигнал. Начальное преобразование сигнала в 10- разрядное АЦ преобразование.
2	OTI	логический выход. Температурный индикатор установлен на низком уровне, если результат преобразования на нулевом канале; на высоком, если 8-разрядное слово.
3	GND	аналоговая и цифровая земля.
4	VIN	аналоговый входной канал. Входной канал однопроводный относительно GND. Входной канал может преобразовывать сигнал напряжения в диапазоне от 0 В до 2,5 В.
4	REFIN	ссылка на вход. Внешний 2.5V ссылка может быть соединена с выводом AD7816. Ссылка " на чипе " REFIN должна быть привязана к AGND. Если внешняя ссылка соединена с AD7816, внутренняя ссылка закроется.
5	VDD	положительное напряжение поставки, от 2,7 В до 5,5 В
6	DIN/OUT	логический вход и выход. Последовательные данные отмечаются на выводе AD7816.
7	SCLK	входной таймер для последовательного порта.
8	RD/WR	логический вход. Читающийся / пишущийся сигнал используется, чтобы указать к AD7816, является ли следующее действие передачи (перемещения) данных читаемым или пишущимся. RD/WR должна быть установлена логически высоко - для читаемого действия, и логически низко - для пишущегося.

Схема включения АЦП приведена на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 - Схема подключения АЦП

Микросхема AD7816 содержит термодатчик на кристалле, работающий в диапазоне температуры от -55°С до +125°С, и 10-разрядный АЦП с временем преобразования 9 микросекунд (время преобразования по каналу измерения температуры составляет 27 микросекунд). Режим автоматического уменьшения потребляемого тока обеспечивает исключительное снижение мощности до 4 мкВт при скорости опроса 100 измерений в секунду и 40 мкВт при скорости опроса 1000 измерений в секунду. На рисунке 5.5 приведена внутренняя структура АЦП.

Рисунок 5.5 - Внутренняя структура микросхемы AD7816

Микросхема содержит на кристалле 10-битный АЦП последовательного приближения со схемой выборки-хранения на входе и шестиканальный мультиплексор, два канала которого используются внутри кристалла, а четыре выведены на внешние контакты. Общение с АЦП производится через два регистра - адресный регистр (АР) и регистр превышения заданного порога температуры (РПТ). Доступ к этим регистрам осуществляется путем записи 8-битного слова, причем если пять старших бит управляющего байта установлены в ноль, то три младших бита интерпретируются как адресные.

Если любой из пяти старших бит не равен нулю, управляющий байт записывается в РПТ. После окончания операции измерения температуры производится сравнение 8 старших бит результата измерения и значения, записанного в РПТ. Если результат измерения температуры выходит за пределы допустимых значений, выход OTI (Over-Temperature Indicator) принимает нулевое значение. Разрешение OTI составляет 1°С. Рабочий диапазон температур составляет от 55 °С до +125 °С.

Микросхема AD7816 может функционировать в двух режимах. Режим определяется уровнем напряжения на выводе CONVST в момент окончания цикла преобразования. Если в конце преобразования сигнал на выводе CONVST имеет высокий уровень, микросхема работает в режиме 1. Временные диаграммы для этого режима приведены на рисунке 5.6. При работе в этом режиме АЦП может быть запущен на новое преобразование через 100 нс после окончания операции чтения.

Рисунок 5.6 - Временные диаграммы работы АЦП AD7816

Когда АЦП работает в режиме 2, он после окончания цикла преобразования автоматически переходит в энергосберегающий режим. Сигнал на выводе CONVST принимает значение логического нуля и остается в этом состоянии до окончания цикла преобразования. После возвращения сигнала BUSY в состояние логической единицы, происходит снижение уровня потребления мощности. В активный режим АЦП переходит по нарастающему фронту сигнала на выводе CONVST.

АЦП имеет гибкий последовательный интерфейс, позволяющий передавать информацию большинству существующих микропроцессоров. Интерфейс совместим с Intel 8051, Motorola SPIa и QSPIa а так же National Semiconductor MICROWIREa протоколами.

5.4 Выбор и обоснование микропроцессора

В качестве микропроцессора используется наиболее распространенный на отечественном рынке процессор АТ 89С 51 фирмы Atmel. Процессор конструктивно выполнен в пластмассовом DIP-корпусе, содержит масочно-программируемое в процессе изготовления кристалла по ПЗУ памяти программ емкостью 4096 байт и рассчитан на применение в массовом производстве.

Рисунок 5.7 - Условное графическое обозначение микросхемы AT89C51

Условное графическое обозначение микросхемы показано на рисунке 5.7.

В таблице 3 представлено описание выводов микросхемы.

Таблица 4

№	Обозначение	Описание функций
1-8	P1.0-P1.7	8-разрядный двунаправленный порт P1. Вход адреса A0-A7 при проверке внутреннего ПЗУ.
9	RST	Сигнал общего сброса. Вывод резервного питания от внешнего источника.
10-17	P3.0-P3.7	8-разрядный двунаправленный порт P3 с дополнительными функциями:
	P3.0	Последовательные данные приемника - RxD.
	P3.1	Последовательные данные передатчика - TxD.
	P3.2	Вход внешнего прерывания 0 - INT0
	P3.3	Вход внешнего прерывания 1 - INT1
	P3.4	Вход таймера/счетчика 0 - T0
	P3.5	Вход таймера/счетчика 1 - T1
	P3.6	Выход стробирующего сигнала при записи во внешнюю память данных - WR.
	P3.7	Выход стробирующего сигнала при чтении из внешней памяти данных - RD.
18	BQ2	Выводы для подключения кварцевого резонатора.
19	BQ1
20	0V	Выводы для подключения заземления
21-28	P2.0-P2.7	8-разряный двунаправленный порт P2. Выход адреса A8-A15 в режиме работы с внешней памятью. В режиме проверки внутреннего ПЗУ выводы P2.0-P2.6 используются как вход адреса A8-A14. Вывод P2.7 - разрешение чтения ПЗУ - E.
29	PME	Разрешение программной памяти
30	ALE	Выходной сигнал разрешения фиксации адреса. При программировании ПЗУ сигнал - PROG.
31	DEMA	Блокировка работы с внутренней памятью. При программировании ПЗУ подается сигнал Vdd
32-39	P0.7-P0.0	8-разрядный двунаправленный порт P0. Шина адреса/данных при работе с внешней памятью. Выход данных D7-D0 в режиме проверки внутреннего ПЗУ.
40	Ucc	Вывод питания от источника напряжения 5В.

Для данного типа микросхемы характерно то, что сигнал сброса на входе RST не влияет на внутренне ОЗУ данных, и после включения питания содержимое ячеек внутреннего ОЗУ данных принимает случайные значения. Для реализации автоматического сброса по включению питания, фирма производитель предлагает следующую схему, представленную на рисунке 5.8.

Рисунок 5.8 - Схема подключения микропроцессора

Чтобы при включении питания сброс был гарантированно выполнен, вывод RST должен удерживаться в состоянии высокого уровня в течении времени, достаточного для запуска тактового генератора микросхемы плюс еще минимум два машинных цикла (время запуска зависит от его частоты работы). Представленная на рисунке 1.21 цепь сброса при быстром уменьшении напряжения питания вызывает появление на входе RST отрицательного напряжения, которое не является опасным для микросхем вследствие наличия у микро-ЭВМ внутренней схемы защиты.

Выводы портов находятся в случайном состоянии до момента запуска тактового генератора, и только после этого внутренний сигнал сброса записывает "1" в фиксаторы-защелки портов, настраивая их на ввод.

Было принято решение использовать номиналы элементов в соответствии с рекомендациями фирмы-производителя Atmel.

R1=8,2 кОм;

BQ1=12 МГц;

C1, C2=30 пФ;

С3=10 мкФ.

5.5 Выбор и обоснование интерфейса к ПЭВМ

Управление процессом лечения, наблюдение за ходом лечения осуществляется с помощью ПЭВМ. Связь микропроцессора с ПЭВМ осуществляется с помощью последовательного интерфейса RS-232, организуемого как аппаратными средствами, так и программными. Для управления соединенными устройствами в поток передаваемых данных вводятся соответствующие управляющие символы.

Рисунок 5.9 - Схема включения интерфейсного модуля MAX-232

Данные в RS-232 передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт оформляется стартовым и стоповым битом. Данные могут передаваться как в одну, так и в другую сторону, т.е. используется дуплексный режим. Для передачи данных используются выводы RXD (receive data - принимаемые данные) и TXD (transmit data - передаваемые данные). Для подключения электронного блока к ПЭВМ используются четырехпроводные линии связи.

Схема включения интерфейсного модуля MAX-232 приведена на рисунке 5.9.

5.6 Выбор энергонезависимой памяти

Хранение формы сигнала осуществляется с помощью энергонезависимой памяти.

AT24C128/256 обеспечивает считывание 128 К информации. Запись производится в память (EEPROM) с помощью слов по 8 бит каждое. Особенность каскадного устройства (EEPROM) позволяет подключить до 4 устройств, разделенных общей 2 проводной шиной. Устройство оптимизировано для использования во многих индустриальных и коммерческих применениях, где необходима низкая мощность потребления.

Назначение выводов AT24C128/256 представлено в таблице 5.

Таблица 5

вывод	Функции выводов
А 0 - А 1	Адресные входы
SDA	Последовательные Данные
SCL	Последовательный Вход
WP	Пишут, защищают
NC	Не соединяются

Последовательный Вход (SCL): вход SCL используется к положительным данным часов края в каждого EEPROM устройство и отрицательные данные часов края из каждого устройства.

Рисунок 5.10 - Описание выводов

Последовательные данные (SDA): двунаправленный вывод SDA предназначен для последовательной передачи данных.

Адресные входы (A1, A0): вывод A1 и A0 - входы адреса устройства являются постоянно запрограммированными ЗАЩИТА (WP): защищающий вход(вклад), когда он связан с GND, то позволяет осуществлять действия.

Когда WP связан с VCC все обращения к памяти запрещены. Организация памяти AT24C128/256, 128K/256K СЕРИАЛ EEPROM: 128K/256K внутренне организован как 256/512 страницы по 64 байтов каждая. Адресация слова требует 14/15-бит данных адреса.

Основные характеристики представлены в таблице 6.

Таблица 6

Обозначение	Параметры	Испытания условий	min	typ	max	Units
	Напряжение питания		1,8		5,5	V
	Ток потребления	V, чтение при 400 кГц		1,0	2,0
	Ток потребления (1,8V выбор)	=1,8 V =3,6 V or			0,2 0,5
	Входной ток утечки	or		0,10/ 0,05	3,0/ 3,0
	Вход низкого уровня		- 0,6			V
	Вход высокого уровня					V
	Выход низкого уровня	=3.0 V,			0,4	V
	Выход низкого уровня	=1.8 V,			0,2	V

5.7 Выбор и обоснование типа отсчетного устройства

В качестве индикатора был выбран двухстрочный буквенно-цифровой жидкокристаллический индикатор серии DV8412, состоящий из контроллера управления и ЖК панели. Модули отображают 2 строки по 16 символов, каждый символ представляет собой матрицу 5х 8 точек. Расстояние между матрицами составляет одну точку. ЖК индикаторы работают в широком температурном диапазоне.

· модули работают по 8- и 4-битной шине данных;

· принимают команды с шины данных;

· запись данных в ОЗУ с шины данных;

· чтение данных из ОЗУ на шину данных;

· память до 8 изображений заданных символов;

· управление контрастностью и подсветкой;

· модули имеют встроенный знакогенератор.

Технические характеристики:

· напряжение питания: 4-5 В;

· ток потребления (5 В): 1 мА;

· ток потребления (4 В): 200 мкА;

· время цикла чтения/записи: 1200 нс;

· диапазон рабочих температур: -30…+50 °С.

5.8 Устройство и работа блока питания

Питание прибора осуществляться от сети 220 В 50 Гц.

Блок сетевого питания представлен на рисунке 5.11.

Рисунок 5.11 - Блок сетевого питания

Блок состоит из трех параллельных цепей, каждая из которых вырабатывает напряжение питания соответственно +5 В и -5В аналоговое, +5В цифровое. Входное сетевое напряжение ~220B понижается до 18 В понижающими трансформаторами TV1…TV3 типа BVEI3032039-230V/1,9WA-2 18V. Стабилизаторы напряжения DA4…DA6 (микросхемы типа MC78L12, ток стабилизации 1А), включенные на выходах трансформаторов вырабатывают напряжение ±15В. Эти стабилизаторы напряжением соответствующей полярности питают микросхемы DA7…DA9 (MC78L05).



6. Расчет погрешностей

Метрологическая модель высокочастотного амперметра представлена на рисунке 6.1.

Модель состоит из следующих элементов:

- ?^а_{и -} аддитивная составляющая погрешности интегратора;

- ?^а_{ацп -} аддитивная составляющая погрешности аналого-цифрового преобразователя;

- ?^а_{у -} аддитивная составляющая погрешности усилителя;

- ?^н_{и -} нелинейная составляющая погрешности интегратора;

- ?^н_{ацп -} нелинейная составляющая погрешности аналого-цифрового преобразователя;

- ?^кв_ацп - погрешность квантования аналого-цифрового преобразователя;

- ^м_у - мультипликативная погрешность усилителя;

- ^м_и - мультипликативная погрешность интегратора;

- ^м_ацп - мультипликативная погрешность аналого-цифрового преобразователя;

- S_и - чувствительность интегратора;

- S_ацп - чувствительность аналого-цифрового преобразователя;

- S_у - чувствительность усилителя.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аддитивная составляющая погрешности канала, приведенная к входу, определяется формулой:

.

Мультипликативная составляющая погрешности канала рассчитывается по формуле:

^м_к = ^м_у + ^м_и + ^м_ацп.

Погрешность квантования аналого-цифрового преобразователя, приведенная к входу, вычисляется по формуле:

.

Нелинейная составляющая погрешности канала, приведенная к входу, определяется формулой:

.

Погрешность согласования в модели не учитывается, так как все компоненты канала выполнены на элементах (операционных усилителях, аналоговых коммутаторах), входное сопротивление которых более 1МОм, а выходное сопротивление датчика не более 5 Ом.

Предел изменения в измерительной обмотке датчика составляет ±200мВ, предел допускаемой основной относительной погрешности измерений напряжения ±3 %. Тогда предел допускаемой основной абсолютной погрешности измерения напряжения ₀ = 6мВ.

Распределим погрешность ₀ между аддитивной, мультипликативной, нелинейной составляющими погрешности и погрешностью квантования с помощью метода равных влияний.

.

^м_к = ^м_у + ^м_и + ^м_ацп .

.

.

Методом равных влияний произведем расчет аддитивной составляющей погрешности отдельных компонентов измерительного канала. Аддитивная составляющая погрешности усилителя определяется по формуле:

.

Чувствительность усилителя S_у равна:

.

Расчет аддитивной составляющей погрешности интегратора:

.

Аддитивная составляющая погрешности АЦП определяется по формуле:

.

Пусть мультипликативные составляющие погрешности компонентов измерительного канала равны между собой:

^м_у = ^м_и = ^м_ацп = .

Методом равных влияний произведем расчет нелинейной составляющей погрешности отдельных компонентов измерительного канала.

Нелинейная составляющая погрешности интегратора определяется по формуле:

.

Расчет нелинейной составляющей погрешности АЦП:

.



Список литературы

1. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988.

2. Гусев В.Г. Гусев Ю.М. Электроника. - М.: высшая школа, 1982.

3. Граф Р., Шиитс В. Энциклопедия электронных схем. Том 7, Часть 3. - М.: ДМК, 2001.

4. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1998.

5. Усотенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД. - М.: Изд-во стандартов, 1992.

6. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. Под ред. Якубовского С.В. - М.: Радио и связь, 1989.

7. Станшин В.В., Урусов А.В., Мологонцева О.Ф. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

8. Интегральные микросхемы. Справочник. Под ред. Тарабрина Б.В. - М.: радио и связь, 1984.

9. Лисицын Б.Л. Отечественные приборы индикации и их зарубежные аналоги. - М.: радио и связь, 1993.

Размещено на Allbest.ru

...