Широкое внедрение средств автоматизации как в промышленности, так и в бытовой и офисной технике повышает требования к устройствам сбора технологической информации, в том числе и по увеличению точности измерения параметров, снижению габаритов и стоимости приборов.
Прецизионные однокристальные системы сбора информации ADuC8xx фирмы Analog Device [1] и MSC12xx фирмы Texas Instrument [2] позволяют достаточно легко решать эти задачи.
Микросхемы обоих классов включают в себя 16- или 24-разрядные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) с сигма-дельта модуляцией, обеспечивающие линейность в пределах единицы младшего разряда, программируемый усилитель (PGA), мультиплексор входных сигналов на 6-10 каналов, источник опорного напряжения, встроенный датчик температуры, ЦАП, вычислительное ядро стандарта 8052 со всей стандартной периферией.
Преимуществом микросхем класса ADuC8xx (ADuC83х и ADuC84х) является больший объем резидентной Flash-памяти (до 62 кбайт), резидентной памяти данных (до 2304 байт) и наличие встроенной энергонезависимой памяти данных EEPROM объемом 4 кбайт. За счет использования конвейерного принципа 80% команд микроконтроллера выполняются за 1 машинный такт, в то время как у MSC12xx они выполняются за 4 такта.
Использование "часового" кварца в качестве резонатора тактового генератора позволяет помимо сокращения потребляемой мощности ввести в схему часы реального времени. Системная тактовая частота доводится до 12 МГц умножением частоты кварца с помощью ФАПЧ.
К преимуществам микросхем класса MSC12xx следует отнести наличие ЦАП с токовым выходом, увеличение тактовой частоты ядра до 40 МГц, введение регистров аппаратного суммирования/сдвига, позволяющих упростить процедуры обработки результатов измерения. В микросхему введен ЦАП смещения, с помощью которого напряжение на выходе PGA может быть смещено на величину, достигающую половины значения полного диапазона входных напряжений.
К достоинствам данной микросхемы можно также отнести более гибкое управление входным коммутатором, связанное с возможностью подключать к заданной шине индивидуально каждый вход.
Предлагаемый прибор (см. структурную схему на рис. 1) предназначен для контроля параметров резистивных датчиков, датчиков тока и датчиков напряжения, т.е. основных датчиков, используемых в системах технологического контроля.
К прибору через входные модули могут быть подключены через клеммы (Х1.1 - Х1.4)...(Х3.1 - Х3.4) три датчика тока, напряжения или сопротивления (рис. 1).
Рис. 1. Структурная схема прибора
Введение четырех клемм для подключения каждого датчика позволяет использовать двух-, трех- и четырехпроводную схему их включения.
В случае режима поверки один из датчиков должен быть образцовым. При использовании микросхемы ADuC848 количество датчиков может быть увеличено до четырех.
Для получения информации с резистивных или токовых датчиков с помощью дополнительного мультиплексора MUX1 выбирают один из трех датчиков и электронными ключами SW1 подключают к их входам источник тока Iоп или эталонное сопротивление Rref.
При использовании ADuC8xx для питания резистивного датчика током Iоп может использоваться один из двух встроенных (200 мкА) источников тока. Для увеличения тока источники могут включаться параллельно.
В качестве источника тока Iоп в MSC12xx используется встроенный ЦАП (VDAC) с токовым выходом IDAC. В состав микросхем в MSC120x входят 8-разрядные VDAC с диапазоном формируемых токов 0-969 мкА с шагом 3,8 мкА, в состав микросхем в MSC121x входят 16-разрядные VDAC.
При эффективной разрешающей способности АЦП рассматриваемых микросхем менее 1 мкВ такой диапазон токов обеспечивает измерение сопротивления резистивных датчиков в широком диапазоне, при этом гарантирует отсутствие их саморазогрева.
Для уменьшения влияния нестабильности этого тока целесообразно использовать формирование опорного напряжения Uref пропорционального Iоп (рис. 2).
Рис. 2. Схема подключения датчика Rt к АЦП
Величину сопротивления Rref выберем из условия
UREF =Iоп Rref, (1)
где UREF - допустимое значение внешнего опорного напряжения.
В этом случае код N, аналого-цифрового преобразования напряжения ΔUi, = Iоп Rx, определяется зависимостью [3, 4]
где GAIN - коэффициент усиления дифференциального канала АЦП, который программно может быть установлен равным 1...128.
Из полученного выражения (2) следует, что погрешность преобразования зависит только от точности выбранного сопротивления Rref.
При измерении температуры с помощью терморезисторов обычно затруднительно полностью использовать весь диапазон преобразования АЦП, поскольку напряжение на его входе
U = Iоп Rt (0)[1+αT] (3),
где Rt(0) - номинальное сопротивление терморезистора при нулевой температуре, α - температурный коэффициент сопротивления, Т - измеряемая температура.
Следовательно, коэффициент использования диапазона преобразования β АЦП не может превышать величины αT/(1+αT). Так, для медного терморезистора ТСМ50М α =4.5*10-3, ΔТmax = 200°С, β ≤ 0,5, т.е. диапазон АЦП используется не более чем на 50%.
Этот недостаток легко устраняется при использовании микросхемы MSC12xx, в которой предусмотрен цифро-аналоговый преобразователь смещения, позволяющий программно сместить напряжение на входе АЦП, как указывалось выше, на величину, достигающую половины полного диапазона. Максимальная эффективная разрешающая способность АЦП составляет 16...19 бит.
При получении информации с токовых датчиков в цепь датчика ключами SW1 подключают эталонный резистор Rэ, напряжение с которого подают на вход АЦП.
При измерении напряжения, снимаемого с датчика, мультиплексором MUX1 отключают цепи опорного тока и эталонного резистора. К датчикам напряжения (э.д.с.) следует, прежде всего, отнести термопарные датчики температуры.
Алгоритм расчета температуры в этом случае сводится к следующему [5]:
Температура холодного спая измеряется встроенным температурным датчиком. Естественно, что этот датчик измеряет температуру подложки микросхемы, а не окружающей среды. Погрешность, определяемая разогревом подложки, определяется выражением:
ΔТ = θ х Р, (4)
где θ - температурное сопротивление в °С/Вт, Р - потребляемая мощность в Вт.
Для всего семейства микроконвертеров в корпусах MQFP52 - θ = 52...90 °С/Вт, потребляемая мощность в рабочем режиме 3...4 мВт.
Нелинейность характеристики термопары учитывается путем ее программной аппроксимации степенными полиномами.
Таким образом, возможность обеспечения высокой точности измерения параметров большинства технологических датчиков в совокупности с простотой технической реализации гарантирует перспективность широкого применения рассматриваемых приборов.
Литература
1. Analog Devices. http://www.analog.com.
2. Редькин П.П. Прецизионные системы сбора данных семейства MSC12xx Texas Instruments: архитектура, программирование, разработка приложений. М.: Додэка-XXI, 2006
3. Зайцев О., Троицкий Ю. Модули технологических датчиков для распределенных систем сбора информации. // Компоненты и технологии 2007. №1
4. Методы практического конструирования при нормировании сигналов с датчиков.
По материалам семинара "Practical design techniques for sensor signal conditioning". Санкт-Петербург: АВТЭКС. www.autexspb.da.ru.
5. Зайцев О., Троицкий Ю. Метрологические особенности систем сбора информации с температурных датчиков на базе микроконвертеров ADuC8xx.// Схемотехника 2005, № 9
Авторы: Александр Максимчук, Юрий Троицкий (г. Смоленск)
Источник: Ремонт и сервис