Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007) (1264220), страница 56
Текст из файла (страница 56)
Измерение параметров сигнала отрицательной полярности Иногда бывает необходимо измерить параметры сигнала отрицательной полярности, когда в системе есть только положительное напряжение питания. Подчас существует только одна возможность сделать это — использовать операционный усилитель с двуполярным питанием для сдвига уровней перед выполнением аналого-цифрового преобразования. На Рис. 11.8 показан простой делитель напряжения, выполняющий ту же функцию, но с некоторыми ограничениями. На вход микропроцессорной системы с напряжением питания +5 В подается синусоидачьный сигнал, колеблющийся в пределах — 2...+2 В. Использование резистивного делителя напряжения позволяет привести этот сигнач к диапазону входных напряжений 0...5 В АЦП микроконтроллера. Величины сопротивлений, показанные на рисунке, смешают сигнал к уровням 1.5.,,3,5 В.
Существует несколько ограничений, характерных для данного метода: ° Резистивный делитель подключен к напряжению питания, что может влиять на входной сигнал. ° Уменьшается размах входного напряжения: вместо размаха 4 В исследуемого сигнала получается размах в 2 В на входе АЦП. ° Для снижения нагрузки на входные цепи понадобятся резисторы с большими сопротивлениями. Большое сопротивление резисторов делителя совместно с входной емкостью АЦП микроконтроллера могут образовать цепь с большой постоянной времени. ° Если на входе появится сигнал со значительным отрицательным напряжением, микроконтроллер может выйти из строя.
Дчя предотвращения такой ситуации необходимо определить максимачьное превышение сигначом заданных уровней и установить защитные диоды на входе. 302 ° Глава 11. Аналоговая стемоагесника ° Реальное напряжение на входе системы будет зависеть от напряжения входного сигнала и от напряжения питания микроконтроллера. Колебания напряжения питания будут влиять на результат АЦП. З.а В ихсанов сигнал Рве. 11.8.
Измерение параметров сигнала отрицательной полярности 11.9. Пример системы управления Для иллюстрации отдельных принципов построения систем, описанных в предыдущих разделах, ниже приводится пример системы управления. Данная система легка в построении и позволяет экспериментировать с различными инженерными методами. На Рис. 11.9 показана структурная схема системы. В системе управления применена недорогая лампа на 12 В, 25 мА, работающая в наре с ИК-фототранзистором.
Лампа и фототранзистор упакованы в непрозрачный корпус. Лампой управляет схема с ШИМ с частотой 14 кГц. Для аналогового управления может быть использован ЦАП и ОУ, формирующий достаточный ток лампы. АЦП имеет разрешение 8 бит, О соответствует О В на входе, 255 соответствует +5 В на входе. Система управляется с помощью 1ВМ РС, хотя подобное управление можно осушествить и с помошью микроконтроллера. Использование РС снижает точность, поскольку скорость обработки данных в РС меняется в зависимости от загрузки операционной системы. Как бы то ни было, получается довольно полезная экспериментальная установка. Программный код Руг1зоп для данной системы приводится в Приложении Г. 11.9.
Пример сиопемы унраеления ° 303 Уп к Фптатрананстор Лампа Непрозрачный корпус Рис. 11.9. Структурная схема системы имитационного моделирования Это простое устройство служит хорошей моделью для любой системы управления. Нить накала лампы в действительности является нагревательным элементом. Нить накала лампы не может разогреться мгновенно, к тому же фототранзистор — довольно медленный, поэтому для данной комбинации характерны многие особенности систем с нагревателем или с двигателем.
На Рис. 11.9 соединение К2 показано пунктирной линией. Резистор К2 устанавливается параллельно К! для модели внешней нагрузки, что будет описано позже. Заметим, что это обратно пропорциональная (гечегзед) управляющая система, т. е. большая управляющая величина приводит к меньшему значению АЦП, так как больший нагрев нити накала лампы приводит к большему току через фототранзистор.
На Рис. 11.10а показан импульс отклика системы. Такая форма импульса получается при изменении ШИМ от 1 (еле заметный разогрев нити накала) до 250 (почти 100%) и дискретизацией результирующего напряжения с шагом в 1 мс. Заметим, что лампа обладает небольшой задержкой перед разогревом, затем быстрым накалом и медленной кривой приближения к заданной температуре.
Эти графики были построены при помощи программы Мгсгоаой Ехсе!. 11.й Пример системы управления ° 305 На Рис. 11.10б показан обратный процесс. Величина ШИМ держалась на уровне 250 в течение секунды, затем ШИМ был выключен, и произведены измерения с шагом ! мс. В результате получена экспоненциальная зависимость, связанная с охлаждением накала лампы. Асимметрия характеристик — типичное явление для многих реальных систем. На Рис.
11.10в показана характеристика системы по отношению к управляющей величине. Эта кривая получена установкой на вход системы шестнадцати величин от 1 до 241, взятых через равные промежутки, в течение определенного времени установления, а затем конечный результат был измерен с помощью АЦП.
11.9.1. Релейноеуправление Релейное управление (оп/ой; Ьапй/Ьап8) показано на Рис. 11.11а. Точкой установления взята величина, равная 100, соответствующая напряжению 1.95 В на коллекторе фототранзистора. Отметим, что изменения вокруг точки установления находятся в диапазоне от 98 до 112, то есть 0.3 В или 15%. К тому же, колебания не центрированы относительно точки установления. Так получается, потому что откяик системы несимметричный — нить накала лампы охлаждается быстрее, чем нагревается. На Рис.
11.11б показано релейное управление с точкой установления 200. Амплитуда колебаний стала заметно меньше. На Рис. 11.11в показана система релейного управления с точкой установления 100 и интервалом дискретизации 4 мс. Обратите внимание на размер осцилляций.
Интервал дискретизации оказывает сильное влияние на амплитуду колебаний. На Рис. 11.12 показано релейное управление, стартующее с полной ШИМ и с точкой установления 150. В отличие от случая старта с нуля, наблюдается значительная перегрузка после прохождения сигналом точки установления. Дело в том, что накал лампы быстрее охлаждается, чем нагревается, что создает больший момент инерции. 11.9.2. Пропорциональноеуправление На Рис. 11.13а показан график работы системы с пропорциональным управлением с точкой установления 150 (соответствует 2.9 В) и усилением 2.
Используя график характеристик отношения выходного сигнала к входному, для точки установления выбрано смещение 200. Уравнение управляемой величины будет выглядеть следующим образом: Выход управления = 200+ (Величина АЦП вЂ” Точка установления) х Усиление. Если Выход управления > 254, то выход управления = 254. Если Выход управления < 1, то выход управления = 1. 306 ° Глава П. Аналоговая схемотехника в1 1ОО о 1 21 41 51 81 101 г21 141 г61 181 201 221 241 251 Время ~мо зоа 2оа б1 150 01 21 41 61 81 101 121 141 181 181 201 221 241 251 Время ~мо 300 с с о йг ы в1 150 100 50 0 1 21 41 61 81 101 121 141 161 181 201 221 241 251 Время ~ма' Рас. 11.11.
Примеры релейного управления П.9. Пример системы управления ° 307 !во б 150 140 120 !оо во га 0 11 2! 31 41 5! М 71 М 31 !0!111 !2!13114!151!И 171 и!131 ВИ211ВН23124!251 агама (мс! Рис. 1лтл. Релейное управление при старте со 100% ШИМ По крайней мере, два оператора ограничивают управляющую величину в 8-битном диапазоне системы. При усилении 2 система стабилизируется около точки 145. На Рис. 11.13б показан график работы системы пропорционального управления, но при старте с вершины диапазона (100% ШИМ) и усилении 20. На этот раз заметны значительные осцилляции около точки со значением 150.
Заметны также перегрузки при пересечении сигнала точки 150, происходящие из-за асимметрии характеристик системы. Перегрузка может быть устранена за счет снижения усиления системы, но результат будет меньше 150. Например, при усилении 10 (не показано на графике), сигнал будет колебаться между 149 и 150. На Рис. 11.13в показан график работы системы пропорционального управления с точкой установления 150, усилением 1О и смещением 100.
Меньшее смешение приводит к результату между 157 и 158. Как можно заметить, и усиление и смещение влияют на окончательный результат работы пропорциональной системы. Однако система с пропорциональным управлением все равно лучше системы с разомкнутой петлей ОС, где смещение 100 может привести к результату 222 (см. график). 11.9. Пример системы управления ° 309 На Рис. 11.14 показан график работы системы пропорционального управления с точкой установления 150, усилением 10, нагрузкой 47 кОм (К2), соединенной параллельно с коллекторным резистором 22 кОм (К1). Небольшая перегрузка наблюдается при прохождении сигнала через 150, затем выходной сигнал устанавливается на величине, колеблющейся между 152 и 153.
Следует заметить, что дополнительная нагрузка приводит к увеличению постоянного смешения, поскольку система с пропорциональным регулированием не может полностью скомпенсировать эффекты изменения нагрузки. зоо я 250 20О 15О гоо о 1 11 21 31 41 51 81 71 81 91 101111121131141 151181171181191201211221231241251 Время 1ме| Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
