Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007) (1264220), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Для реального приложения подобные характеристики следует вычислять с шагом 1'С. В рассмотренном примере ОУ проходит почти весь диапазон от 0 до 5 В, следовательно на практике надо либо выбрать двуполярный ОУ, либо однополярный ОУс расширением полного размаха выходного напряжения ОУ почти до напряжения питания (т. н. гай !о га!1 ОУ). Точность данной цепи составляет (227 — 23)/30'С = 6.8 отсчетов на градус. 3.1.3.
Влияние разброса параметров компонентов В любых схемах на операционных усилителях существуют изменения (вариации) усиления, связанные с погрешностями компонентов. В только что рассмотренной схеме мы выбрали резисторы со стандартным 1%- ным разбросом для установления требуемого усиления и минимально возможного смещения, затем вычислили цифровые значения на выходе АЦП. Однако, как повлияет однопроцентная погрешность резисторов на параметры нашей схемы? Некоторые соответствующие подсчеты приведены в Табл. 3.2.
80 ° Глава 3. Датчики Таблица 3.2. Результат, если Яь выше на 1% (44.642 кОм вместо 44.2 кОм) Что случится, если Кь будет выше на 1% (44.64 кОм), а Кь ниже на 1% (32.868 кОм)? См. Табл. 3.3. Таблаца З.З. Результат, если Яь выше на 1%, а К„ниже на 1% В реальных приложениях можно воспользоваться электронной таблицей для вычисления влияния всех резисторов, включая терморезистор.
В этом простом примере небольшие вариации Кь и Кь на 1% ухудшают разрешаюшую способность до пяти отсчетов на градус. Такая величина разрешаюшей способности в некоторых случаях недостаточна, а в других вполне возможна в зависимости от требуемой точности. Можно использовать резисторы с точностью 0.1%, что это даст см. в Табл. 3.4. Таблица 3.4. Результат, если Яь выше на 0.1%, а )11 и Яь виже ва 0.1% 3. 1. Температурные датчики ° 81 Полученный результат намного ближе к идеальному. Другие факторы, которые следовало бы рассмотреть — это отклонение опорного напряжения и погрешность самого терморезистора.
Увеличения точности можно достигнуть и при помощи калибровки системы. Во многих случаях калибровка является необходимой процедурой, поскольку либо плата, либо терморезистор должны быть заменяемыми. Однако в тех случаях, когда оборудование стационарное с возможностью замены, или переносное для полевого исполнения, тогда имеются дополнительные возможности мониторинга температуры. Возможно построить таблицу зависимости величин АЦП от соответствующих температур.
Эта таблица должна содержать действительные входные температуры (измеренные независимым прибором), чтобы программное обеспечение смогло реконструировать данные. 3.1.4. Резистианые температурные датчики Резистивный температурный датчик (РТД) относится к металлическим термометрам сопротивления и представляет собой просто кусок металлической проволоки, изменяющий свое сопротивление в зависимости от температуры. Типичными материалами для РТД являются медь, платина, никель и сплав железо-никель. Конструктивно элемент РТД может быть проволочным или пленочным, нанесенным или напыленым на подложку, например, из керамики.
В спецификации сопротивление РТД обычно дано при 0'С. Типичный платиновый РТД, имеющий сопротивление 100 Ом при 0'С, имел бы сопротивление 100.39 Ом при 1'С и 119.4 Ом при 50'С. РТД имеют точность выше, чем у терморезисторов. Типичные погрешности РТД следующие: ° при использовании платины — 0.01...0.03%; ° при использовании меди — 0.2%; ° при использовании никеля и сплава железо-никель — 0.5% С учетом большей точности РТД и меньшего сопротивления, схемы подключения РТД к ОУ практически такие же, как и для терморезисторов.
3.1.5. Термопары Температурный датчик на основе термопары образуется сварным соединением (с паем) двух различных металлов. Томас Зеебек в 1821 году обнаружил термоэлектрический эффект, названный в его честь эффектом Зеебе- 82 ° Глава 3. Датчики ка'), когда в месте между «горячим» и «холодным» споем металлов с разными температурами возникает термо-ЭДС с небольшой разностью потенциалов (порядка нескольких мВ), которую можно измерить милливольтметром.
Величина возбуждаемого напряжения зависит от того, какие металлы соединены. Для образования термопар существует три наиболее распространенных комбинации металлов: железо-константан (тип Я), медь-константан (тип Т) и хром-алюминий (тип К). Напряжение, образуемое термопарой, имеет очень малую величину, обычно несколько милливольт.
Напряжение термопары типа К изменяется всего на 40 мкВ на градус Цельсия. Такие малые изменения напряжений термопары требуют прецизионных измерений: для обеспечения точности измерения температуры О.! 'С требуется точность измерения напряжения порядка 4 мкВ. С другой стороны, поскольку любые два разных металла образуют термопару при соединении, то точка соединения термопары с измерительной системой также будет иметь свойства термопары в месте их соединения из-за разницы температур, измеряемой термопары и температуры окружающей среды.
Место соединения (колодка) начинает нагреваться и образует паразитную термопару из материала колодки и медных проводников, подсоединенных к ней. Под медными проводниками подразумеваются не только медные провода, но и медные дорожки печатной платы. Данный эффект может быть сведен к минимуму размещением соединений в т.
н. иэотермическом блоке, выполненном из теплопроводного материала (см. Рис. 3.4). Материал с высокой теплопроводностью снижает разность температур между точками соединения, уменьшая тем самым ошибку, вводимую местом соединения проводников. Распространенный способ компенсации температурной зависимости иэотермичсского блоков это размещение в блоке полупроводникового диода и измерение на нем падения напряжения. Для усиления крайне малого сигнала термопары в десятые доли вольт необходим операционный усилитель, и обычно используется инструментальный усилитель в дифференциальном включении. Коэффициент усиления тагсого типа ОУнаходится в диапазоне 100...300, и любой шум, воздействующий на термопару, будет усилен во столько же раз.
Такое включение инструментальных усилителей значительно снижают синфазные помехи проводов термопары и усиливает только сигналы термопары. Правда, полно- " Эффект Зеебека обратим: пропустив ток по цепи из разнородных материалов другой ученый по фамилии Пельтье заметил, что один из спаса нагревается, а другой— охлаждается (зффекг Пельтье).
На этом принципе работают охлааители для компьютеров, автоыобнльные холодильники из. д. (Прям. науч. рец) 3.1. Температурные датчики ° 83 Усилител» Выкодное напряжение к АЦП Спай термопары Изотермический блок Выкодное напряжение кАЦП Спа терм иаотермический блок температурная компенсация Рис. 3.4. Тсрмопара стью снизить в реальных условиях синфазные помехи не удается и синфазная помеха «просачивается» на выход усилителя, который ослабляет помеху с определенным коэффициентом ослабления синфаэных помех 1ХОСС). КОСС определяют в дБ. Инструментальные усилители по отношению к другим типам ОУ имеют повышенный КОСС. Фирма Апа1оя 1)ер1сез выпускает специализированные усилители сигнала термопары типа г, такие как АР594/595. ИС АР594/595 не использует внешний р-и-переход для компенсации изотермического соединения, вместо этого, в самой микросхеме предусмотрено биметаллическое соединение, компенсируюшее температурную зависимость соединения термопары с усилителем.
ИС проводит измерения в температурном диапазоне 0...300'С. Для наилучшей компенсации соединение проводов термопары с входом усилителя должно быть выполнено на плате как можно ближе к выводам микросхемы. Усиленный сигнал термопары, как и терморезистора, необходимо масштабировать, чтобы соответствовать входному диапазону АЦП.
Термопары относительно линейны в ограниченном диапазоне температур, однако если диапазон измерений достаточно широк, для компенсации нелинейностей понадобится дополнительное программное обеспечение. Зависимость напряжения термопары от температуры в этом случае можно будет представить полинамом, почти так же, как и зависимость сопротивления терморезистора от температуры.
84 ° Глава 3. Датчики 3.1.6. Полупроводниковые температурные датчики В качестве простейшего полупроводникового датчика температуры может использоваться, например, р-и-перехад диода или траизистара. Если поддерживать постоянным ток через смещенный в прямом направлении кремниевый р-п-переход, прямое падение напряжения будет меняться на 1.88 мВ с каждым градусом Цельсия. По этому принципу работает ИС МАХ1б1 7 фирмы МАХ1М/ВаПав, которая измеряет температуру с использованием прямосмещенного р-п-перехода внешнего транзистора, например типа 2)к)3904. Транзистор может быть дискретным элементом вне микросхемы, а может входить в состав ИС. Выход микросхемы МАХ!617 имеет последовательный интерфейс ВМВцк ИС 1,М335 (Рис.
3.5) от фирмы Ив!тапа( Яет!сапдисгог формирует на выходе напряжение, пропорциональное температуре. Изменение выходного напряжения равно 10 мВ на градус Цельсия. При 0'С выходное напряжение составляет 2 73 В, а при 100'С составляет 3 73В. ИС 1 М 335 потребляет ток от О 4 до 5 мА. Датчики 1.М34гг35 фирмы )т(аг(апа1 Яет(сапдисгаг получают питание от напряжений в диапазоне 4...20 В и формируют на выходе напряжение, пропорциональное температуре. ИС ЬМ35 формирует 500 мВ при 50'С и добавляет 10 мВ на каждый градус Цельсия. ИС ЬМ34 калибрована в температурной шкале Фаренгейта, а 1.М35 — в градусах Цельсия. Выход ЬМ34/ЬМ35 может быть непосредственно подключен к входу АЦП или компаратора.
ИС 1.М74 фирмы 1т'аг(апа! Бет(сапт1исгог содержит температурный датчик и 13-битный сигма-дельта АЦП и измеряет температуру в викоптсачаоражачаа диапазоне — 55...+150'С. Она имеет на выходе и АЦП интерфейс ЗР1/М!сготчаге, которым соПодстройка единяется с микропроцессором. ИС ЬМ74 поставляется в 8-выводном корпусе для поверхрис.3.5. ЬМ335 постного монтажа (БМТ). Напряжение пита- ния микросхемы в зависимости от модификации — 3.3 или 5 В. ИС ЬМ75 функционально аналогична ЬМ74, но снабжена выходным интерфейсом !зС и измеряет температуру в более узком верхнем диапазоне — 55...+ !25'С. Микросхема 1М75 фирмы )таг(апа! Яет(сапдисгаг формирует на выходе 9-битный код и имеет дополнительно в своем составе компаратор, сравнивающий измеряемую величину с запрограммированным заданным значением — уставкой температуры. Сигнал превышения определенного порога температуры (выше уставки) передается по шине 1 С к внешним исполнительным устройствам, например, для терморегулирования.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
