31864

ВЕРСИЯ ИНТЕРФЕЙСА С ОПТРОННОЙ РАЗВЯЗКОЙ

Доклад

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Какими бы параметрами ни обладал оптрон в нем всегда используется оптический принцип передачи сигналов без всякой гальванической связи. Для передачи излучения от источника к приемнику используются различные технологии описание которых выходит за рамки данной главы. Особенности этих технологий определяют основные характеристики оптрона обеспечивая в частности необходимый компромисс между степенью изоляции коэффициентом передачи и быстродействием. имеет напряжение изоляции 1500 В полосу пропускания 300 кГц и коэффициент передачи тока...

Русский

2013-09-01

57 KB

5 чел.

ВЕРСИЯ ИНТЕРФЕЙСА С ОПТРОННОЙ РАЗВЯЗКОЙ

Описываемые в книге устройства, как правило, используются для измерения параметров сигналов относительно общего или сетевого провода. Но в ряде ситуаций могут возникнуть проблемы из-за того, что общий провод устройства соединен с корпусом ПК.

За исключением тех случаев, когда устройство работает с переносным ПК с автономным питанием, его нельзя подключать непосредственно к цепям, не изолированным от сети или находящимся под высоким потенциалом.

Добавление нескольких оптронов к рассматриваемой схеме поможет решить эту проблему, хотя и приводит к незначительному ухудшению характеристик интерфейса.

Какими бы параметрами ни обладал оптрон, в нем всегда используется оптический принцип передачи сигналов без всякой гальванической связи. При этом и источник, и приемник оптического излучения размещены в едином корпусе. Для передачи излучения от источника к приемнику используются различные технологии, описание которых выходит за рамки данной главы. Особенности этих технологий определяют основные характеристики оптрона, обеспечивая, в частности, необходимый компромисс между степенью изоляции, коэффициентом передачи и быстродействием.

В большинстве случаев источником излучения служит светодиод из арсенида галлия, работающий в ближней инфракрасной области спектра. При этом спектр его излучения практически совпадает с областью максимальной спектральной чувствительности кремниевых фотоприемников, наиболее дешевых и широко распространенных.

В специальных оптронах могут использоваться и другие излучатели, такие как миниатюрные лампы накаливания или газоразрядные светоизлучающие приборы, например неоновые. В качестве фотоприемников можно часто встретить фоторезисторы, как, например, в оптопарах - лампа накаливання-фоторезистор, широко применявшихся лет двадцать назад. Эти оптопары использовались в звуковых трактах в качестве потенциометров с электронным управлением.

Оптроны неоновая лампа-фоторезистор применяются в основном в качестве детекторов посылок вызова в некоторых специализированных телефонных устройствах.

Самые распространенные оптроны выпускаются в корпусе Б1Р6 и строятся по схеме, приведенной на рис. 4.12: инфракрасный све-тодиод оптически связан с фототранзистором, три вывода которого являются выходами оптрона.

По рис. 4.12 видно, что принятое расположение выводов обеспечивает максимальное расстояние между входом и выходом. Очевидно, что при такой конструкции нет необходимости делать оптрон с изоляцией, выдерживающей напряжение 3000 В, если напряжение пробоя между контактными площадками или печатными проводниками составляет всего около 500 В.

Вывод базы обычно не используется, так как транзистор переходит в проводящее состояние в результате фотоэлектрического эффекта. Тем не менее иногда встречаются схемы, где между базой и эмиттером включен резистор. Обеспечивая быстрое рассасывание накопленного в базе заряда, такое схемное решение заметно улучшает время срабатывания оптрона, но, к сожалению, за счет снижения его коэффициента усиления по току или коэффициента передачи. Надо заметить, что этот резистор уменьшает также и обратный ток коллектора.

В некоторых случаях вывод базы можно использовать для управления транзистором независимо от состояния светодиода, но при этом надо следить, чтобы не нарушились изоляционные свойства оптрона.

Такой распространенный оптрон, как Т1Ь 111 (аналоги МСТ 2, НИ А2 и т.п.) имеет напряжение изоляции 1500 В, полосу пропускания 300 кГц и коэффициент передачи тока около 8%. Это значит, что при силе тока светодиода 10 мА сила тока фототранзистора будет составлять не более 800 мкА.

Оптрон 4Ы28 при напряжении изоляции 500 В имеет коэффициент передачи тока 10%, тогда как 4Ш5 имеет такой же коэффициент при напряжении изоляции 2500 В.

У моделей типа 5Ь 5500 (специальный телефонный оптрон) коэффициент передачи тока может составлять до 40%, а напряжение изоляции равно 3500 В при постоянном токе или 2500 В (эффективное) при переменном. Оптрон 5Ь 5501, цена которого чуть ниже, имеет коэффициент передачи тока не более 15%.

Что касается оптрона СЫУ 17-2, широко применяемого в телефонии, то его коэффициент передачи достигает 80%, напряжение изоляции составляет 4400 В, а ширина полосы пропускания -более 1 МГц.

Некоторые оптроны, выпускаемые в корпусах 01Р8, используют фотодиод, соединенный с транзистором, не чувствительным к излучению, а служащим лишь для усиления тока фотодиода. Так как для правильной работы на фотодиод должно быть подано обратное напряжение смещения, создающее соответствующий обратный ток, оптроны такого типа имеют дополнительный вывод для его подключения, обозначаемый УСС.

Таким образом можно получить оптроны с достаточно высоким коэффициентом передачи и с исключительным быстродействием - 11 МГц для элемента СМ"\У 136 компании Не\\'1е11 Раскаго!. Оптрон НРСЬ 4562 того же изготовителя, специально предназначенный для передачи аналоговых сигналов, имеет полосу пропускания 17 МГц при коэффициенте передачи тока 200%.

Но самым популярным решением для радикального увеличения коэффициента передачи тока является применение составного фототранзистора, построенного по схеме Дарлингтона. Это решение используется при изготовлении широко распространенного оптрона 4ШЗ, имеющего высокий коэффициент передачи тока - 500%, но полосу пропускания только 30 кГц.

Более быстродействующий оптрон СЫШ 139 (производитель -Не\у1ег.г. Раскаго1) имеет рекордный коэффициент передачи 3000% -иными словами, усиление в 30 раз.

В схеме интерфейса, представленной на рис. 4.13, использованы три самых дешевых оптрона 4ШЗ, но для улучшения параметров этого АЦП можно применять более качественные и дорогие компоненты.

Применение оптронов с большим коэффициентом передачи позволяет обеспечить простоту схемотехнических решений, достижение которой является одной из целей данной книги.

В более серьезных проектах между оитронами и АЦП наверняка будут включаться логические схемы с триггерами Шмитта, служащими в качестве формирователей для быстроизменяющихся сигналов.

Малогабаритные последовательные АЦП способны обеспечить большие выходные токи, что позволяет подключать светодиод оптрона непосредственно к их выходам через резистор сопротивлением всего 2,7 кОм. Этого достаточно, чтобы фототранзистор оптрона нормально работал с входными линиями порта КЗ 232 компьютера, получая напряжение питания от линии КХБ того же порта через такой же резистор. Следует учитывать, что напряжение на этой линии более высокое - иногда выше 12 В.

Для защиты от отрицательного напряжения, появляющегося на выводах порта К5 232 и также воздействующего на светодиоды через резистор сопротивлением 2,7 кОм, в схему добавлены диоды 01 и Б2 Ш4148.

Фототранзисторы оптронов ОР1 и 0Р2 формируют управляющие сигналы, которые воздействуют на входы АЦП, соединенные с общим проводом резисторами сопротивлением 82 Ом. Такой номинал, необычно малый и вызывающий потребление большой мощности, необходим для повышения крутизны фронтов управляющих сигналов.

Таким образом, гальваническая развязка целиком обеспечена со стороны цифровой части, а схема аналогового входа осталась абсолютно идентичной схеме, показанной на рис. 4.1.

В остальной части устройства тоже есть несколько особенностей. Так, для подачи напряжения питания ни в коем случае нельзя использовать порт КЗ 232, иначе будет нарушена созданная гальваническая изоляция. Поэтому необходим внешний источник питания (например, гальваническая 9-вольтовая батарея). В качестве стабилизатора выбран компонент ЬМ 2931, имеющий очень малое падение напряжения на регулирующем элементе, что позволяет при необходимости обойтись источником питания 5 В. Если же есть уверенность, что внешнее напряжение питания будет всегда больше 5 В, то можно применить обычный стабилизатор 78Ь05, уменьшив емкость конденсатора на выходе стабилизатора до 10 мкФ. При использовании внешнего источника питания требования к энергопотреблению становятся менее жесткими, поэтому источник опорного напряжения КЕР 25 2 может быть заменен на менее экономичный, но более дешевый и при этом имеющий точность 0,2%, а не 1% (например, ЬТ 1009 С2 производства компании Ыпеаг ТесЬпо1о§у).

При изготовлении этого модуля использована односторонняя печатная плата, чуть более длинная, чем предыдущие, но имеющая ту же ширину. Ее топологическая схема показана на рис. 4.14.

Можно заметить, что одна контактная площадка ИОН ГЛТ009 С2, предназначенная для монтажа элементов цепи точной подстройки, никуда не подключена. Вероятно, такое же изменение понадобится внести в рисунок печатной платы, приведенный на рис. 4.3, если возникнет необходимость применить данный компонент вместо КЕР 25 2. Это представляет определенный интерес для 10- и 12-разрядных версий АЦП.

ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ

Среди всего многообразия датчиков, которые можно подключать к АЦП для обработки с помощью виртуального измерительного комплекса, одним из самых полезных будет датчик температуры. Благодаря широкому рабочему диапазону он может применяться и для регистрации метеорологических процессов, и для анализа температурного режима аккумулятора при быстром заряде, и даже для проверки работы автоматики холодильных камер.

Широкие возможности масштабирования, закладываемые в ПО для виртуального измерительного комплекса, позволяют существенно упростить предварительную обработку сигнала или даже полностью от нее отказаться.

С учетом исключительной простоты схемотехники предлагаемых АЦП логично использовать такой же простой датчик температуры. Не может быть и речи о платиновой проволоке, поскольку ее низкая чувствительность и нелинейность параметров потребуют применения нескольких операционных усилителей; не подойдут и термопары, так как их компенсатор «холодного спая» сложен по конструкции и требует очень серьезной настройки.

Терморезисторы с положительным или отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) очень чувствительны к изменениям температуры. Они просто подключаются, но их характеристики нелинейны, так что их чрезвычайно сложно калибровать.

В температурном диапазоне от -50 °С до +150 °С большие преимущества имеют кремниевые датчики. Достаточно чувствительные и часто обладающие хорошей линейностью характеристик, они, ко всему прочему, дешевы и доступны. Надо ли искать им замену, если известно, что по точности они сравнимы с АЦП, которые описываются в этой книге?

Складывается впечатление, что микросхема ЬМ 335 (или ее варианты ЬМ 135 и ЬМ 235) создана специально для решения данной проблемы. Эта микросхема выпускается многими производителями, в том числе компаниями Ыаг1опа15еппсопс1ис1ог и ЗСЗ-ТЬотзоп. Она имеет корпус транзисторного типа и может рассматриваться как стабилитрон с температурным коэффициентом напряжения (ТКН) равным 10 мВ/°К. Рабочий диапазон температур микросхемы ЬМ 335 лежит в границах от -40 °С до +100 °С (для варианта ЬМ 135 он составляет от -50 °С до +150 °С). При этом нулевое выходное напряжение соответствует температуре абсолютного нуля О °К (-273,15 °С).

По характеристике, приведенной на рис. 6.5, видно, что выходное напряжение меняется от 2,23 В при -50 °С (223 °К) до 4,23 В при + 150 °С (423 °К). Эти параметры удачно соотносятся с рабочим диапазоном описываемых АЦП - от 0 до 5 В.

Если не ввести в схему элементы калибровки, то несоответствие между температурой и выходным напряжением в наихудшем случае может достигать 9 °К. Следовательно, для выполнения задач, рассматриваемых в книге, требуется подстроечный резистор для калибровки. С учетом этого получается, как и предполагалось, исключительно простая схема, приведенная на рис. 6.6.

Надо заметить, что для обеспечения нормальной работы этого датчика достаточно одного резистора и небольшой гальванической батареи 9 В, тогда как для большинства изделий других производителей потребовался бы источник стабильного тока.

После калибровки (обычно при температуре +25 °С) точность получаемых результатов в зависимости от группы датчика оказывается лучше, чем ±(1-2) °С. Наилучшей является группа «А». Это хорошо соотносится с точностью 1% и разрешением 20 мВ (то есть 2 °С) 8-разрядного АЦП.

При работе с 10- или 12-разрядными АЦП необходимо использовать микросхему датчика группы «А» и уделить особое внимание калибровке.

Печатная плата датчика имеет примерно такие же размеры, как девятивольтовая гальваническая батарея. Топологическая схема печатной платы приведена на рис. 6.7.

При сборке схемы датчика следует руководствоваться монтажной схемой (рис. 6.8). Стоит обратить внимание на то, что на плате установлены практически все компоненты, а также разъем гальванической батареи и соединительная колодка, подключение к которым может осуществляться самыми разными способами. Внешний вид платы датчика с установленными элементами показан на рис. 6.9.

Через соединительную колодку с помощью одной пары проводов датчик температуры подключается к АЦП, а с помощью другой пары плату можно подать напряжение питания от 9 до 12 В, заменив гальваническую батарею на внешний источник. Эта же соединительная колодка позволит, при необходимости, с помощью трех проводов длиной до одного метра вынести датчик на микросхеме ЬМ 335 на безопасное расстояние, чтобы не подвергать остальные устройства измерительного комплекса вредному воздействию.

Для работ, связанных с погружением в жидкие среды, будет необходимо изолировать датчик, поместив его в чехол из термореактивного материала, причем достаточно тонкого, чтобы тепловая инерционность датчика увеличилась не сильно. Идеальный вариант - это чехол, заполненный термоклеем. Понятно, что места паяных соединений проводов и выводов датчика перед размещением в изолирующем чехле для предотвращения замыканий должны быть изолированы отрезками гибкой пластиковой трубки.

Так как датчик определяет точность всего измерительного тракта, калибровать его нужно предельно аккуратно. В принципе калибровку следует проводить при 25 °С, но ничто не мешает провести ее при другой температуре в пределах от 20° до 30 °С. При этом надо помнить, что температура в разных частях помещения может быть неодинаковой. Следовательно, эталонный термометр, как можно более точный, должен располагаться в непосредственной близости от калибруемого датчика на микросхеме ЬМ 335, и, кроме того, необходимо выждать некоторое время, чтобы достичь теплового равновесия.

Напряжение калибровки зависит от температуры окружающей среды: например, при температуре 20 °С (или 293 °К) выходное напряжение датчика нужно установить на величину 2,93 В.

Можно рекомендовать и более простой способ калибровки при 0 °С, не требующий образцового термометра. Для этого достаточно проделать в куске льда отверстие (например, остывающим паяльником) и поместить корпус ЬМ 335 (но не выводы!) в талую воду, которая начнет быстро заполнять углубление, - это «тающий лед», температура которого по определению равна 0 °С. Затем надо будет при помощи многооборотного подстроечного резистора отрегулировать датчик до получения на табло виртуального вольтметра показания 2,73 В.

Важно выполнять калибровку датчика именно с тем АЦП, с которым этот датчик будет работать впоследствии, чтобы как можно лучше скомпенсировать его погрешность.

Естественно, допускается комбинирование обоих вышеуказанных методов для получения максимальной точности, хотя при этом не стоит рассчитывать на получение общей точности выше ±1 °С.

Большинство задач предполагает проведение динамической регистрации изменений температуры за тот или иной период времени. Однократные измерения температуры гораздо удобнее проводить при помощи обычного термометра.

Пакет Р1СОЮС, работающий со всеми изделиями компании Р1СО Тесшю1о§у, позволяет выполнять измерения с временными интервалами от нескольких минут до многих месяцев и даже лет. Помимо этого, он дает возможность провести масштабирование результатов измерений, а при использовании датчика температуры выполнить преобразование «вольты-градусы Цельсия». (Вначале надо скорректировать наклон характеристики преобразования для получения результатов в градусах Кельвина, а затем произвести коррекцию смещения для перехода к величинам, измеренным в градусах Цельсия.)

Какой бы АЦП ни использовался (АБС .10 или АБС 12), необходимая величина коррекции смещения в меню «Настройка линейной шкалы» для параметра «Температура» равна -273. Коэффициент коррекции наклона при работе с АБС 10 (8-разрядным) равен 1,9608, а при работе с АБС 12 (12-разрядным) равен 0,1221.

Чаще всего будет использоваться шкала, градуированная от -50° С до +100 °С или +150 °С и включающая весь рабочий диапазон датчика.

Хотя пакет Р1СОЗСОРЕ в меньшей степени, чем Р1СОЮС, пригоден для измерения и обработки замеров температур (осциллограф, частотомер и анализатор спектра здесь не помогут), его вольтметр постоянного тока можно настроить непосредственно на отображение измеренной температуры (рис. 6.10).

Для отображения температуры в градусах Кельвина достаточно выбрать режим «Переменная шкала», затем установить минимальное значение равным нулю, а максимальное - 500, без знаков после запятой (десятые доли градуса при точности ±1 °С не имеют значения). При отображении результатов в градусах Цельсия минимальное и максимальное значения равны соответственно -273 и +227, также без знаков после запятой.

Работая с АЦП, которые изготовлены по приведенным в книге схемам, на примере программы БЕСКЕЗ.ВАЗ можно убедиться, насколько просто превратить виртуальный вольтметр в виртуальный термометр.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

12154. СОЗДАНИЕ ОТЧЕТОВ. Система «Быстрый отчет» (Quick Report) 96.18 KB
  СОЗДАНИЕ ОТЧЕТОВ 6.1 Система Быстрый отчет Quick Report Для создания отчетов в Delphi включена система QuickReport все компоненты которой размещены на странице QReport палитры компонентов. Быстрый отчет использует генератор отчетов состоящий из множества полос. Полоса band –э
12155. ПРОГРАММИРОВАНИЕ РАБОТЫ С БАЗАМИ ДАННЫХ 70.04 KB
  ПРОГРАММИРОВАНИЕ РАБОТЫ С БАЗАМИ ДАННЫХ Состояние набора данных Основным свойством компонента Table является свойство State определяющее состояние набора данных. Это свойство доступно только во время выполнения и только для чтения. Набор данных может находиться...
12156. ПРИЛОЖЕНИЯ С НЕСКОЛЬКИМИ СВЯЗАННЫМИ ТАБЛИЦАМИ 31.5 KB
  ПРИЛОЖЕНИЯ С НЕСКОЛЬКИМИ СВЯЗАННЫМИ ТАБЛИЦАМИ Рассмотрим принципы построения приложения с несколькими связанными друг с другом таблицами. 8.1 Связь головной и вспомогательной таблиц Две таблицы могут быть связаны друг с другом по ключу. Одна из этих связанных табл...
12157. ТИПЫ ПОЛЕЙ. НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ТАБЛИЦЫ 61.5 KB
  ТИПЫ ПОЛЕЙ. НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ТАБЛИЦЫ Типы полей реляционной базы данных Проектирование приложения работающего с базами данных предполагает наличие самих баз данных. Вместе с BDE в Delphi поставляется программа Database Desktop которая позволяет создавать таблицы ба...
12158. ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ О БАЗЕ ДАННЫХ. МОДЕЛИ ДАННЫХ. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИ ДАННЫХ 182.07 KB
  ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ О БАЗЕ ДАННЫХ. МОДЕЛИ ДАННЫХ. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИ ДАННЫХ База данных Всегда когда возникает потребность манипулирования большими массивами данных используются базы данных. В общем случае под данными понимается информация наход...
12159. ПОСТРОЕНИЕ ЗАПРОСОВ В DELPHI 36 KB
  ПОСТРОЕНИЕ ЗАПРОСОВ В DELPHI Запрос – это вопрос к базе данных возвращающий запись или множество записей удовлетворяющих вопросу. Любой запрос по базе данных выполняется на языке SQL Structured Query Language – язык структурированных запросов который был создан Microsoft в конце 70х год...
12160. Режимы design-time и run-time. Объектные процедурные типы. Работа с ini файлами 148.5 KB
  Лабораторная работа №1 Тема: Режимы designtime и runtime. Объектные процедурные типы. Работа с iniфайлами Цель работы: показать простоту создания приложений в режиме designtime и удобство использования компонентов; показать возможность создания приложений с настраиваемым интер...
12161. Классы для представления потока данных 43 KB
  Классы для представления потока данных В среде Delphi существует иерархия классов для хранения и последовательного вводавывода данных. Классы этой иерархии называются потоками. Потоки лучше всего представлять как файлы. Классы потоков обеспечивают различное физическое ...
12162. КОМПОНЕНТЫ TCHART, TPAINTBOX. РАБОТА С ГРАФИКОЙ 25.5 KB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 Компоненты TChart TPaintBox. работа с Графикой Цель: овладеть навыками анимации построение графиков функций. Замечание: Графики функций необходимо вывести в отдельных окнах в двух вариантах а именно: используя компонент для отображения г