Измерители преобразователя для датчика

 

     3. Разрешающая способность аналого-цифрового преобразования

 

     Разрешающая способность преобразователя есть наименьший уровень входного аналогового  сигнала (для АЦП), для которого вырабатывается выходной цифровой код, и наименьший входной цифровой код (для ЦАП), для которого образуется уровень выходного аналогового сигнала. На практике полезная разрешающая способность преобразователя часто оказывается меньше указанной, поскольку она ограничивается из-за воздействия шума, температуры и факторов времени.

     Для определения значения полезной разрешающей способности измерительного преобразователя с заданной точностью применим формулу:

     

     где

       – полезная  разрешающая способность преобразователя;

       – требуемое  значение класса точности преобразователя  (0,2).

     Таким образом, полезная разрешающая способность (разрядность) аналого-цифрового преобразования должна быть лучше 500 единиц (квантов).

     Согласно  ГОСТ 8.009 «Метрологические характеристики средств измерения» максимальная погрешность преобразователя не должна превышать ±5 квантов (единиц младшего разряда), поэтому разрешающая способность аналого-цифрового преобразования будет равна:

     

     где

      – значение разрешающей способности аналого-цифрового преобразования;

      – полезное значение разрешающей способности;

       – максимальная  погрешность преобразователя (±5 квантов).

     Таким образом, разрешающая способность аналого-цифрового преобразования должна быть не хуже 12 разрядов (2¹² = 4096 > 2500).

     При необходимости линеаризации, на нее  надо дополнительно 2 разряда, тогда  значение разрешающей способности аналого-цифрового преобразования будет:

     

     Таким образом, разрешающая способность  аналого-цифрового преобразования должна быть не менее 14 разрядов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     4. Линеаризация НСХ преобразователя

 

     Для достижения требуемой точности преобразования используют линеаризацию НСХ термопреобразователя. На практике широкое распространение получил метод линеаризации с помощью кусочно-линейной аппроксимации. В этом методе исходную функцию представляют ломанной кривой, уменьшая тем самым число точек характеристики, значение которых необходимо держать в памяти вычислительного устройства, соответственно при этом уменьшаются требования к вычислительному устройству, что удешевляет стоимость всей системы и упрощает ее.

     Мы  также будем использовать метод  кусочно-линейной аппроксимации. Для  этого разделим исходную НСХ термопреобразователя на несколько участков, в каждом из которых НСХ представляется прямым отрезком, соединяющим крайние точки характеристики НСХ.

     В первом приближении число необходимых участков линеаризации можно определить по формуле (5)

                  

            ,        (5)

                  

     где

             – число участков линеаризации;

             – максимальная погрешность линеаризации (%)

             – требуемая точность преобразования (0,2) 

     Итак,

             = 1,53/0,2 = 7,65 8 участков.

     Таким образом, в первом приближении, для  соответствия преобразователя классу точности 0,25, исходную НСХ термопреобразователя необходимо разделить на 8 участков.

     При таком числе участков кусочно-линейная аппроксимация неэффективна, а использование ПЗУ для прямого преобразования выходного кода АЦП в значение температуры позволяет просто реализовать соответствие преобразователя классу точности 0,25 для диапазона температур от 600 до 1100°С. 

     Значение  требуемой емкости ПЗУ найдем по формуле:

     

     где

       – число  входных значений для ПЗУ;

      - разрядность  входных данных с АЦП;

       – длина  кода АЦП (в байтах).

     В нашем случае N=14 разрядов, длина выходного кода d=2байта (14бит/8бит).

     5. Выбор и обоснование принципа работы узла аналого-цифрового преобразования

 

     По  существу аналого-цифровые преобразователи либо преобразуют аналоговый входной сигнал (напряжение или ток) в частоту или последовательность импульсов, длительность которой измеряют для обеспечения отображающего цифрового сигнала, либо, чтобы получить цифровой выходной сигнал, сравнивают входной сигнал с переменным опорным сигналом, используя внутренний ЦАП.

     Существует  три ведущих способа преобразования, основанных на принципе измерения временного интервала: преобразование напряжения в частоту, метод с пилообразным напряжением и метод линейного интегрирования. На методе сравнения основываются схемы последовательного приближения, параллельные и модифицированные параллельные схемы.

     В основном находят применение 2 основных типа АЦП: двухтактный интегрирующий АЦП и АЦП последовательного приближения. Каждый из них преобразовывает входное напряжение в цифровой код, пропорциональный входному напряжению.

     При выборе принципа работы узла аналого-цифрового преобразования будем учитывать следующие факторы:

     - точность преобразования;

     - скорость преобразования;

     - стабильность точностных характеристик  преобразователя во времени;

     - стоимость преобразователя;

     - гальваническое разделение входных  и выходных цепей.

     Рассмотрим  все эти факторы:

     1) из задания известно, что время  реакции датчика на изменение  температуры составляет более  10 секунд – можем применить  низкоскоростной АЦП;

     2) требования к точности преобразования  – 14 разрядный АЦП;

     3) стоимость преобразователя –  как можно дешевле;

     4) стабильность точностных характеристик  преобразователя во времени –  с течением времени преобразователь  должен обеспечивать высокое  качество преобразования без необходимости частой калибровки потребителем;

     5) практически все АЦП позволяют  реализовать гальваническое разделение  между входными и выходными  цепями, различия будут лишь в  технической реализации и стоимости  выбранного решения. 

     Этим  требованиям отвечают интегрирующие АЦП, которые имеют дополнительные преимущества по сравнению с АЦП последовательного приближения: минимальное число необходимых точных компонентов, высокую помехоустойчивость, отсутствие дифференциальной нелинейности, низкую стоимость.

     Недостатком таких АЦП является большое время  преобразования, обусловленное привязкой  периода интегрирования к длительности периода питающей сети. В нашем  случае требования по быстродействию АЦП позволяют применить данный вид АЦП.

     

Рисунок 3. Упрощенная схема двухтактного интегрирующего АЦП 

     Рассмотрим  принцип работы двухтактного интегрирующего АЦП.

     В первом такте цикла преобразования производится интегрирование – накопление интеграла от некоторого входного сигнала, а затем во втором также выполняется операция «разинтегрирования» - считывание накопленного интеграла путем подачи на вход интегратора другого входного сигнала (опорного). Диаграмма изменения напряжения Uи на выходе неинвертирующего интегратора при реализации принципа двухтактного интегрирования показана на рис. 4. В первом такте длительностью Т₁  напряжение Uи изменяется от некоторого начального уровня (в частном случае от нуля) до значения Uм. Во втором такте длительностью Т₂ происходит обратное изменение Uи – от Uм до исходного уровня. Накопление интеграла (в течение Т₁) происходит при подаче на вход интегратора напряжения Uвх.и = U₁, а считывание (Т₂) – при подаче напряжения Uвх.и = U₂.

     

     Рис. 4. Диаграмма изменения интеграла при реализации принципа двухтактного интегрирования 

     Суммарное приращение интеграла за цикл интегрирования равно нулю, поэтому можно записать 

           U₁T₁    U₂T₂

           ------ + ------- =0,

             τ           τ

     где

     τ – постоянная времени интегратора.

     Отсюда  видно, что напряжения U₁ и U₂ должны иметь различную полярность, а соотношение длительностей тактов определяется равенством T₂/T₁ = - U₁/U₂.

     Задача  построения точного цифрового измерителя длительности импульсов решается просто: производят подсчет импульсов известной  частоты, заполняющих измеряемый промежуток времени. В интегрирующем преобразователе этого типа не важны стабильность частоты генератора импульсов, если исходить из того, что она остается постоянной за время преобразования, и стабильность «постоянной времени» интегратора. Выбирая время интегрирования равным одному  или нескольким периодам сигнала помехи, помеху можно исключить. Двухтактный интегрирующий АЦП применяется до 14-разрядной точности и обеспечивает высокое подавление помех и превосходную стабильность, как во времени, так и по температуре. 

     

Рисунок 5. Диаграммы работы двухтактного интегрирующего АЦП 

     Выбор длительности интегрирования входного сигнала Uвх обуславливается подавлением высокочастотных помех и исключением влияние сетевых  помех на точность преобразования (интеграл от синусоидального напряжения в интервале, кратном периоду изменения синусоиды равен нулю). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     6. Определение времени преобразования измерительного преобразователя 

     В двухтактном интегрирующем АЦП  соотношение длительностей тактов определяется равенством:

     

     В нашем случае Uвх примем равным 4,5108 В (усилитель должен усиливать входной сигнал с датчика в 100 раз), Uоп – 2,5 В как наиболее часто используемое опорное напряжение в современных схемах и самое простое в исполнении.

     Тогда время разряда  , и общее время преобразования АЦП:

     

     Время интегрирования входного напряжения Uвх установим кратным периоду сетевой помехи и равным t₁ = 640 мс.

     Таким образом, максимальное время преобразования измерительного преобразователя будет равно:

     

     Время реакции датчика на изменение  температуры – не более 10 секунд, в нашем случае максимальное время  преобразования равно 1,8 секунд, что меньше.