1 (Разработка биотехнической системы для пневмотаховолюметрических исследований)

1.1 Режимы работы и рекомендуемые схемы включения элементов

В данном приборе использованы такие комплектующие как:

• аналого-цифровой преобразователь ADS 1252,

• операционные усилители OPA 2350, LM 358,

• инструментальный усилитель AD 620,

• источник опорного напряжения REF 3125,

• микроконтроллер ATmega 8535,

• микросхема гальванической развязки ADUM 2402,

• мост RS 232 – USB FT 232R,

• прочие элементы.

Рассмотрим подробно процесс выбора каждой из этих микросхем. Оценим вносимую ею погрешность. Проверим, удовлетворяет ли общий фонд накопленных ошибок от всего электронного блока поставленной задаче измерять максимальное значение пиковой объемной скорости до 16 л/с = 16000 мл/с с точностью не менее 1 мл/с.

Инструментальный усилитель AD 620

Микросхема производится фирмой Analog Devices. Отличительные характеристики данной микросхемы:

1. установка коэффициента усиления от 1 до 10000 с помощью одного прецизионного внешнего резистора,

2. широкий диапазон напряжения питания (±2.3 В до ±18 В),

3. потребление малой мощности, 1.3 мА ток питания,

4. максимальное входное напряжение смещения 50 мкВ,

5. максимальный входной ток смещения 1.0 нА,

6. минимальный коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) 100 дБ для коэффициента усиления G=10.

Оценим возможность применения данной микросхемы для реализации платы обработки сигнала и сопряжения с ПК. Сигнал поступает с измерительного датчика типа ПДП 10-МД. Принципиальная схема датчика показана на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 Прецизионный мостовой преобразователь.

Рекомендуемая производителем схема включения данного инструментального усилителя для снятия сигнала с мостового преобразователя (рис. 1.1) приведена на рис. 1.3.

Оценим влияние входного тока смещения. Максимальное значение входного тока смещения:

1 нА = 1*10^-9 А..

Входное сопротивление:

2 кОм.

Таким образом, результирующее падение напряжения составит:

2 мкВ (1.1)

Примем для расчетов коэффициент усиления G = 1000. Коэффициент усиления задается с помощью одного резистора Rg (см. рис. 1.2):

= раз (1.2)

Оценим влияние разности входных токов. Максимальное значение составляет около 1 нА. Таким образом, пусть на R₁ протекает ток в 2 нА, на резисторе R₂ протекает ток в 1 нА, соответственно разность составляет 1 нА. Оценим дифференциальное падение напряжения.

U_dif = U₁ - U₂ = 2 нА*2 кОм - 1 нА*2 кОм = 4 мкВ – 2 мкВ = 2 мкВ.

В таком случае выходное напряжение для U_dif составит около:

U_{out_dif} = U_dif * G = 2 мкВ * 1000 = 2 мВ (1.3)

В таком случае значение для синфазного напряжения вычисляется как полусумма падений напряжения:

U_CM = мкВ.

Но после прохождения инструментального усилителя при коэффициенте усиления G = 1000 данное напряжение ослабится. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС, Common mode rejection) составляет для данного коэффициента усиления около 120 дБ. Таким образом, синфазная помеха будет устранена, в том числе и сетевая наводка в 50 Гц.

Рисунок 1.2 Установка коэффициента усиления G = 1000.

У используемого аналого-цифрового преобразователя (АЦП) ADS 1252 опорное напряжение составляет:

V_ref = 2,5 В.

АЦП является 24 разрядным, имеет 19 эффективных разрядов на частоте до 40 кГц.

Таким образом, можно оценить цену младшего значащего разряда (МЗР, least significant bit - LSB):

LSB = 2500 мВ / 2¹⁹ 4,8 мкВ (1.4)

Как было оценено ранее дифференциальное падение напряжения после усиления составляет около:

U_{out_dif} = 2 мВ = 2000 мкВ.

Таким образом, для АЦП данная ошибка будет находиться на уровне:

N = U_{out_dif} / LSB = 2000 мкВ / 4,8 мкВ = 416,7 417 значений (1.5)

Таким образом, из-за шума окажутся неэффективными 417 512 = 2⁹, то есть

9 разрядов > 1 разряда.

Такая потеря разрешающей способности может сильно ухудшить характеристики нашей системы. Для реализации заданной точности необходимо иметь 15 эффективных разрядов АЦП (соответствующий расчет приведен ниже в разделе про выбор АЦП). Поскольку используется 24 битный АЦП, то даже вносимая ошибка в 9 разрядов была бы приемлемой. Однако, общий фонд ошибок существенно увеличится под влиянием других микросхем. Поэтому, поскольку ошибка от разности входных токов составит существенно больше одного МЗР АЦП, можно постараться подобрать инструментальный усилитель с меньшим значением разности входных токов, а можно решить данный вопрос при цифровой обработке сигнала.

В таком случае, величина входных токов довольно сильно влияет на сигнал, но появляющуюся ошибку можно относительно просто устранить при цифровой обработке сигнала.

Рисунок 1.3 Рекомендуемая схема включения инструментального усилителя AD 620.

Частоту флуктуации величины разности входных токов оценивают в 0,05 Гц и менее. Таким образом, величина флуктуирует со сверхмалой частотой. Следовательно, используя цифровой фильтр высоких частот (ФВЧ) можно избавиться от данной помехи, ослабив сигнал на этой частоте в N = U_{out_dif} / LSB = 417 или менее раз, если результирующее количество эффективных разрядов АЦП после суммирования всех ошибок составит 15. Если данная помеха не будет устранена, то эффективное количество разрядов может существенно уменьшиться.

Оценим влияние входного напряжения смещения. Максимальное значение для данного коэффициента усиления оценивается в

U_{out_off} = 1000 мкВ = 1 мВ.

Таким образом, для АЦП данная ошибка будет находиться на уровне:

N = U_{out_off} / LSB = 1000 мкВ / 4,8 мкВ 208 значений (1.6)

Таким образом, из-за шума окажутся неэффективными 208 256 = 2⁸, то есть

8 разрядов > 1 разряда.

То есть, ошибка от входного напряжения смещения составит существенно больше одного МЗР АЦП. Частоту флуктуации величины входного напряжения смещения оценивают в 0,05 Гц и менее. Таким образом, от влияния данной ошибки можно так же избавиться при цифровой обработке сигнала.

В худшем случае данные погрешности могут сложиться. В таком случае

U_sum = U_{out_dif} + U_{out_off} = 2 мВ + 1 мВ = 3 мВ.

Таким образом, для АЦП данная ошибка будет находиться на уровне:

N = U_sum/ LSB = 3000 мкВ / 4,8 мкВ = 625 значений (1.7)

Таким образом, из-за шума окажутся неэффективными 625 1024 = 2¹⁰, то есть

10 разрядов > 1 разряда.

Но, как уже было сказано ранее, влияние данной помехи является устранимым с помощью цифрового фильтра.

Оценим коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС). КОСС составляет для данного коэффициента усиления G = 1000 около 120 дБ, что является очень хорошим результатом. Таким образом, синфазная помеха будет устранена, в том числе и сетевая наводка в 50 Гц.

Оценим ошибку коэффициента усиления (gain error). Производитель оценивает ошибку для коэффициента усиления G = 1000 в величину

GE_{instr_amp} = 0,7 % max для идеального резистора R_g (см рис. 1.2).

У выбранного АЦП ADS 1252 при заданных параметрах ошибка может составить

GE_adc = 1,0 % от full scale range (полного масштаба).

Используемый источник опорного напряжения REF 3125 для АЦП ADS 1252 вносит помеху в размере

GE_ref = 0,2 % max.

Таким образом, используя минимаксный способ можно вычислить общий фонд ошибок, вносимых трактом для усиления и оцифровки сигнала:

GE_total = GE_{instr_amp} + GE_adc + GE_ref = 0,7 % + 1,0 % + 0,2 % = 1,9 % (1.8)

Таким образом, после суммирования ошибки можно отнести данную разработку ко 2 классу точности по коэффициенту усиления сигнала. Очевидно, подборкой более дорогих комплектующих, а так же хорошей настройкой можно добиться и лучших результатов, но потребовало бы существенного увеличения затрат на комплектующие. С другой стороны, для поставленной задачи большее значение ошибки было бы уже неприемлемо, поэтому можно считать реализованный тракт оптимальным.

Можно оценить дополнительные погрешности в величину порядка 0,5%, что в сумме с предыдущим результатом дает 2,4 % < 2,5%. То есть, величина ошибки для всего электронного блока не превосходит заданных параметров.

Процедура настройки

Опишем пошагово процедуру настройки электронного блока.

Рисунок 1.4 Зависимость входного напряжения смещения от времени прогрева для инструментального усилителя AD 620.

1. Для прогрева электронного оборудования необходимо время. Как видно из рисунка 1.4 для прогрева инструментального усилителя AD 620 необходимо около 2,5 минут. Таким образом, необходимо включить прибор в розетку, после чего выждать около 5 минут для прогрева всего электронного оборудования (АЦП ADS 1252, операционные усилители OPA 2350, инструментальный усилитель AD 620, источник опорного напряжения REF 3125, микроконтроллер ATmega 8535, микросхема гальванической развязки ADUM 2402, мост RS 232 – USB FT 232R и прочие элементы).

2. В используемом тензодатчике (рис. 1.1) всегда существует разбаланс измерительных переменных резисторов. С помощью потенциометров (см. схему электрическую принципиальную) нужно подстроить выходной «нулевой» сигнал до минимального значения. Используются потенциометры R1, R4 или R2, R3. Процесс подстройки необходимо контролировать визуально с помощью соответствующего программного обеспечения (получить минимально возможное число). В процессе подстройки сначала используется один из упомянутых пар потенциометров, затем, после получения минимально возможного значения, настраивается второй потенциометр из той же пары.

3. Затем с помощью потенциометра R6, задействованного в цепи получения опорного напряжения для инструментального усилителя, окончательно выставляем сигнал в ноль, контролируя процесс с помощью прилагающегося программного обеспечения

Операционный усилитель LM 358

Данная микросхем производится фирмой STMicroelectronics. Отличительными чертами данной микросхемы являются:

1. большой коэффициент усиления по постоянному току: 100 дБ,

2. малое значение входного напряжения смещения 2 мВ,

3. малое значение входного тока смещения 2 нА.

На схеме электрической принципиальной данные операционные усилители DA 5:1 и 5:2.

Усилители включены в режиме повторителя. Это сделано для того, чтобы данный узел имел высокое входное сопротивление и малое выходное сопротивление. Таким образом, баланс резисторов соблюдается. Если не использовать данную микросхему, то к резистору R2 (рис. 1.5) подключится выходное сопротивление источника питания, при этом R1 останется прежним. В схеме возникнет разбаланс сопротивлений.