Патрик Гёлль - Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс

• Название: Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс
• Автор: Патрик Гёлль
• Жанр: Радиотехника
• Год: 1999
• ISBN: 5-89818-026-5

Книга Патрика Гёлля «Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс» позволяет создать на базе IBM PC-совместимого персонального компьютера систему сбора и обработки информации о различных физических процессах. Тем самым ПК превращается в мощный измерительный прибор. Область применения виртуального измерительного комплекса шире, чем у обычного измерительного прибора, поскольку виртуальный комплекс можно перепрограммировать и оптимизировать для конкретных задач.

В книге рассказывается о создании системы сбора и обработки данных, состоящей из датчиков физических величин (тока, давления, температуры и т. д.), интерфейсного устройства (как правило, аналого-цифрового преобразователя) и программных средств, позволяющих обрабатывать и интерпретировать собранную информацию. Схемы и рекомендации, приведенные в книге, позволяют собрать все рассмотренные устройства самостоятельно. Программное обеспечение и драйверы устройств, находящиеся на сервере www.dmk.ru, позволяют сразу перейти к разработке информационной системы, даже если у вас нет практических навыков в области радиоэлектроники. Современные технические и программные решения, предлагаемые автором книги, надежны и проверены на практике. Они, без сомнения, будут полезны всем, кто разрабатывает дешевые и экономичные системы сбора и обработки информации.

Книга предназначена для специалистов в различных областях (радиоэлектроника, акустика, геофизика, термодинамика и т. д.) и радиолюбителей, а также для преподавателей физики и информатики школ и высших учебных заведений.

---

Компонент LM 113 имеет практически идентичную конструкцию, но его номинальное напряжение составляет только 1,22 В с точностью 1 %, 2 % или 5 % в зависимости от исполнения, определяемого буквой, стоящей после названия. Эта величина напряжения основана на физических свойствах кремния (знаменитая «ширина запрещенной зоны») и легко повторяема в серийном производстве.

Рекомендуемый рабочий ток для этого интегрального стабилитрона составляет от 0,5 мА до 20 мА.

Компоненты подобного типа выпускают многие изготовители — в частности, можно назвать модели ICL 8069 фирмы Intersil, AD 589 фирмы Analog Devices и др. Интегральные источники опорного напряжения (ИОН) серий LM 185, LM 285 и LM 385 основаны на том же физическом принципе, существуют также версии с напряжением 2,5 В с точностью 1 % и 2 %. Некоторые источники выполняются в корпусах с тремя выводами, при этом дополнительный третий вывод позволяет, при необходимости, регулировать параметры стабилизаторов с помощью внешнего делителя на резисторах.

Указанные источники опорного напряжения обладают следующими основными характеристиками:

Рабочий ток… 20 мкА — 20 мА

Динамическое сопротивление (на частоте 20 Гц, при токе 100 мкА)… 1 Ом

ЭДС шума (при токе 100 мкА, в полосе 10 Гц — 10 кГц)… 120 мкВ

Долговременная нестабильность (при токе 100 мкА и температуре 25 ±0,1 °C)… 20 ppm за 1000 час

Температурный коэффициент (при токе 100 мкА)… 150 ррт/°С

Чуть более дорогие, но и более стабильные устройства типа LT 1009 компании Linear Technology и REF 25 Z компании GEC Plessey также формируют опорное напряжение 2,5 В, но с точностью, соответственно, 0,2 % и 1 %.

Отметим также некоторые компоненты, родственные ИОН, но имеющие вполне определенный температурный коэффициент. Это, например, LM 135, LM 235 и LM 335, выходное напряжение которых меняется точно на 10 мВ при изменении температуры окружающей среды на один градус. В данной книге эти компоненты будут упоминаться при описании виртуальных приборов для измерения температуры (см. главу 6).

ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Итак, очевидно, что аналого-цифровой преобразователь нуждается в очень точном и стабильном источнике опорного напряжения, относительно которого схема преобразования оценивает уровень входного напряжения. В тех случаях, когда опорное напряжение выступает в качестве эталона, принято говорить об абсолютном преобразовании.

Однако бывают случаи, когда какая-либо измеряемая величина может быть определена не в виде одного напряжения, а в виде соотношения двух напряжений. Самым очевидным примером является потенциометрический датчик, но можно представить также струнные датчики, магниторезисторы, датчики температуры или давления, или, в более широком плане, любые способы измерений, использующие изменение сопротивления.

Напряжение на АЦП в таком случае подастся с резисторного делителя, питаемого от источника опорного напряжения. При этом достаточно использовать один источник опорного напряжения и для резисторного делителя АЦП, и для датчика, чтобы автоматически снять влияние погрешности или дрейфа опорного напряжения.

Таким образом можно очень точно измерять отношение напряжений в узлах резистивного моста, даже если опорное напряжение не очень стабильно. В этом случае принято говорить об относительном преобразовании.

На рис. 2.16 показан простой пример относительных измерений, а именно — определение положения оси потенциометра, отражающего, скажем, положение флюгера, пера руля или створки шлюза.

Рис. 2.16. Пример схемы относительного преобразования

Опорное напряжение формируется непосредственно из напряжения питания VCC, обычно стабилизированного и равного 5 В. Представим, что в схеме R4 = R1, a R3 = R2, или что отношения R1/R2 и R4/R3 одинаковы. Когда подвижный контакт потенциометра находится в верхнем положении, на входах ANALOG+IN и REF+ будет одинаковое напряжение, и преобразователь сформирует двоичный код, соответствующий его полной шкале (эквивалент числа 255 для 8-разрядного преобразователя). В нижнем положении подвижного контакта потенциометра на нем будет нулевое напряжение, и АЦП, естественно, сформирует код, соответствующий нулевой входной величине. Результат измерения между указанными крайними точками будет очень точно отражать угловое положение подвижного контакта, при условии, что этот потенциометр — прецизионный и имеет линейную характеристику.

Если напряжение питания уменьшится до 4,5 В или увеличится до 5,5 В (что соответствует десятипроцентной погрешности!), это изменение повлияет на потенциалы и на измерительном, и на опорном входах преобразователя, а разность между ними останется прежней.

Данная схема позволяет ввести поправочные коэффициенты путем изменения величины сопротивления резистора R4. Это необходимо, в частности, из тех соображений, что механический ход подвижного контакта (угол поворота оси) обычного потенциометра меньше 360 градусов.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ВХОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Большинство простых аналого-цифровых преобразователей предназначены для работы с входными напряжениями в диапазоне от 0 В до величины, меньшей или равной опорному напряжению, которое, в свою очередь, меньше или равно напряжению питания.

Всякое входное напряжение, меньшее напряжения на входе REF-, преобразуется на выходе в код, соответствующий нулю, а напряжение, большее напряжения на входе REF+, определяется как равное напряжению полной шкалы АЦП.

Аналого-цифровые преобразователи, способные обрабатывать отрицательное входное напряжение, формируют на выходе результат преобразования «со знаком», т. е. обычные двоичные слова, старший разряд которых указывает полярность.

8-разрядный преобразователь «со знаком» будет в таком случае иметь только 7 разрядов для представления абсолютной величины измеряемого значения, а этого может оказаться недостаточно (всего 128 возможных уровней квантования).

В случае, когда измеряемое входное напряжение всегда является отрицательной величиной, самое простое решение проблемы заключается в перемене мест входного и общего выводов АЦП, так же, как это делается со щупами любого стрелочного тестера. Но таким образом нельзя избежать проблемы переменного входного напряжения с нулевым средним значением, которое интересно обрабатывать в таких приложениях как виртуальный осциллограф, анализатор спектра или же с целью измерения истинных эффективных значений (среднеквадратичное или RMS).

Простейший выход состоит в добавлении к входному напряжению постоянного напряжения смещения; иначе говоря, надо сместить «ноль» на величину, не меньшую пикового значения измеряемого сигнала. В некоторых случаях это можно сделать, последовательно подключив батарейку, но более разумно применить суммирующую схему на базе операционного усилителя.

Если амплитуда измеряемого сигнала мала по сравнению с полной шкалой АЦП, можно ввести в схему дополнительный входной усилитель. Этот случай будет рассмотрен в главе 6.

УСТРОЙСТВА НОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ

Обычно устройством нормирования сигналов называют любую схему, включенную на входе АЦП и предназначенную для согласования его характеристик с характеристиками и параметрами источника измеряемых сигналов. Функции таких устройств могут быть гораздо сложнее, чем простой сдвиг уровня или дополнительное усиление, которые требуются в примерах, представленных на рис. 2.17 (изменение напряжения V в зависимости от значения физической величины G).

Рис 2.17. Два примера линейных зависимостей

Нередко устройство нормирования должно выполнять преобразование «ток-напряжение», одно- или двухполупериодное выпрямление, фильтрацию или даже преобразование изменений емкости или индуктивности в изменение постоянного напряжения. Так, термопары требуют компенсации эффекта «холодного спая», а при работе с мостовыми датчиками необходимо наличие дифференциального входа. Некоторые датчики с нелинейными характеристиками (например, терморезисторы), два примера которых показаны на рис. 2.18, требуют линеаризации по достаточно сложным математическим законам.

Рис. 2.18. Два примера нелинейных зависимостей

В таком случае обычно используют как аналоговую коррекцию, выполняемую схемами в устройстве нормирования, так и цифровую коррекцию, выполняемую программно в процессе обработки выходных данных АЦП.

3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИЗДЕЛИЯ

Вполне возможно превратить IBM-совместимый ПК в виртуальный измерительный прибор, не сделав ни одной печатной платы и не написав ни одной строчки программы. Существуют готовые решения «под ключ», стоящие от нескольких десятков до нескольких тысяч долларов в зависимости от предлагаемых возможностей. Самые лучшие из них далеко превосходят возможности обычных измерительных приборов, а самые экономичные решения часто удивляют широтой их потенциальных приложений.