тема измерения давления

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Система измерения давления.

Техническое задание :

Разработать систему измерения давления, измеряющую давление в пределах 0 – 50 Мпа; имеет 5 измерительных каналов; с погрешностью измерения 0,25 %.

1.Структурная схема устройства.

Измерительная схема.

1.1-1.6 – датчики давления; 2 – коммутатор; 3 – усилитель напряжения;

4 – аналогово-цифровой преобразователь; 5 – микропроцессорная система;

6 – устройство индикации; 7 – блок питающих напряжений.

Измерительные схемы мостов постоянного тока ограничены двумя вариантами: одинарным и двойным, причем в цифровых мостах исключительное применение получила одинарная схема. Последнее объясняется не только большей универсальностью одинарной мостовой схемы, но и возможностью получения относительно больших (до нескольких вольт) напряжений на сопротивлениях плеч моста. Это сильно облегчает разработку цифро-аналоговых преобразователей на бесконтактных элементах. Поэтому в данном разделе внимание сосредоточено, на анализе одинарных мостов.

1.2. Одинарный мост. Основные определения

Мост содержит четыре сопротивления, включенные в виде кольца r1, r2, r3, r4. Точки а, b, с, d называют вершинами моста, участок электрической цепи моста между двумя смежными вершинами — плечом моста, а участок цепи между двумя противоположными вершинами ab или cd — диагональю моста. В одну из диагоналей моста включен источник питания (диагональ ab), эту диагональ называют диагональю питания. Другая диагональ содержит нагрузку (диагональ cd на), ее называют диагональю нагрузки, выходной или указательной диагональю. В цифровых мостах в эту диагональ включается сравнивающее устройство. Источник питания моста будем рассматривать в виде активного двухполюсника, содержащего э.д.с. ЕП и внутреннее сопротивление rП. Напряжение UП, действующее на вершинах моста в диагонали питания, называется напряжением питания моста. Сопротивление в диагонали нагрузки обозначим rН, а ток и напряжение в этой цепи - соответственно IH , UH.

( 1 – 1 )

Если же равенство (1-1) не соблюдается, то при наличии напряжения питания моста IH , UH . Иначе говоря, если удовлетворяется условие (1-1), то взаимное сопротивление диагоналей моста равно бесконечности, если же условие (1-1) не выполняется, то и взаимное сопротивление диагоналей моста имеет конечную величину. Это свойство является наиболее характерным для мостовых схем. Уравнение (1-1) называют уравнением равновесия или условием равновесия. Таким образом, если даны сопротивления любых трех плеч моста и известно, что мост уравновешен, то из условия равновесия всегда можно определить значение сопротивления в оставшемся четвертом плече мостовой схемы. В дальнейшем будем полагать, что измеряемое сопротивление всегда включается в первое плечо моста и при r1=r10 мост уравновешен. Уравнение (1-1) можно представить в виде

r10=r2r3g4, ( 1 – 2 )

где g4=1/r4, откуда следует, что уравновешивание моста удобно производить регулировкой сопротивлений r2,r3 или проводимости g4. При этом измеряемая и уравновешивающая величины связаны прямой пропорциональной зависимостью. Обозначим отношения сопротивлений

( 1 – 3 )

входное сопротивление схемы относительно диагонали питания

( 1 – 4 )

где называют коэффициентом согласования диагонали питания с мостом; входное сопротивление моста по отношению к диагонали питания для уравновешенного моста

( 1 – 5 )

Входное сопротивление схемы относительно диагонали и нагрузки

, ( 1 – 6 )

где — коэффициент согласования диагонали нагрузки с мостом; — входное сопротивление моста

по отношению к диагонали нагрузки; при равновесии моста

( 1 – 7 )

Обозначим:

где — взаимное сопротивление диагонали питания и плеча с измеряемым сопротивлением; — то же, что и , но при условии =0; — взаимное сопротивление диагонали нагрузки и плеча с измеряемым сопротивлением; — то же, что и , но при условии =0. Рассматриваемые ниже мостовые схемы относятся к линейным электрическим цепям, поэтому на основании принципа взаимности =и =. Для уравновешенного моста

2.Датчики давления.

2.1Тензодатчики

Перспективным является использование тензодатчиков на основе полупроводниковых материалов. Высокой чувствительностью обладают полупроводниковые тензоэлементы на основе сплава 92% германия и 8% кремния. Датчик представляет собой пластинку сплава, изолированную эпоксидным компаундом. Пьезоэффект представляет способность некоторых материалов поляризоваться при механическом нагружении. При деформации материала в элементе объема пьезоэлектрика возникает электрическое поле

где - вектор индукции;

- пьезомодуль, характеризующий свойства материала;

- тензор напряжений.

Суммарный заряд получаем, интегрируя данное выражение вдоль силовой линии.

По своим свойствам пьезоматериалы делятся на два основных класса : пиро- и сегнетоэлектрики.

Пироэлектрики представляют собой разновидность пьезокристаллов, обладающих несколькими неуравновешенными полярными направлениями. Благодаря этому они поляризуются при всестороннем гидростатическом давлении и при тепловом расширении. Типичные представители пироэлектриков - кварц и турмалин, которые широко используются для регистрации ударных волн в жидкостях и газах.

Для измерения мощных ударных волн короткой длительности используются также устройства на кварцевых и даже на сапфировых кристаллах, однако, общий их недостаток - малая чувствительность, при которой уровень выходного сигнала становится сравнимым с уровнем шумов.

Однако применение природных пьезоэлектриков связано с некоторыми трудностями. Вектор поляризации кристаллов задан и изменить его невозможно. В пределах одного кристалла вектор имеет постоянное направление, но в различных кристаллах ориентирован по-разному Значительные преимущества по сравнению с естественными пьезоэлектриками имеет искусственно созданный пьезоэлектрический материал – пьезокерамика.

Сегнетоэлектрическая пьезокерамика - продукт обжига спрессованной смеси, состоящей из мелко раздробленного сегнетоэлектрического материала и присадок. В настоящее время широкое распространение получили сегнетоэлектрики на основе титаната бария, титаната свинца, цирконата свинца (керамики марки ЦТС). Керамика ЦТС обладает высокой чувствительностью и обеспечивает работоспособность датчика при температуре 240 градусов.

Достоинство керамики - высокая механическая прочность. Однако наиболее важным ее преимуществом, обусловившим широкое использование, служит технологичность изготовления чувствительных элементов сложной формы.

Поскольку керамика является продуктом обжига смеси, изготовление датчика сводится к спеканию смеси в пресс-форме необходимого вида. Точность размеров и качество поверхности чувствительного элемента определяются, таким образом, качеством изготовления пресс-форм.

Как и датчики температур, датчики давления относятся к наиболее широко употребительным в технике.

2.2. Кремниевые датчики

Представляют интерес кремниевые датчики давления, имеющие выходной сигнал чаще всего порядка нескольких вольт. Обычно такой датчик изготовляют из кремниевой пластины, часть которой вытравливают до образования тонкой мембраны. Методом ионной имплантации на мембране выполняют резистивные элементы с межсоединениями. При изменении давления мембрана прогибается, и под действием пьезоэлектрического эффекта происходит изменение сопротивления резистивных элементов. Толщина мембраны, как и геометрическая форма резисторов, определяется областью допустимых давлений. Преимуществами широко распространенных датчиков этого типа являются:

* высокая чувствительность,

* хорошая линейность,

* незначительные гистерезисные явления,

* малое время срабатывания,

* компактная конструкция,

* экономичная планарная технология изготовления.

Недостаток, заключающийся в повышенной температурной чувствительности, можно в большинстве случаев скомпенсировать.

Область применения датчиков давления определяется возможным диапазоном измеряемых давлений.

Различные области применения:

барометр, регулировка зажигания впрыска в автомобильных двигателях, пылесосы, измерение расхода, измерение кровяного давления, измерение разрежения на такте всасывания в автомобильных двигателях, холодильники, контроль фильтров, измерение давление масла и сжатого воздуха в тормозной системе автомобиля, пневматические системы, промышленные роботы, гидравлические системы, строительные машины.

Четыре однотипных пьезорезистора образуют мост. При этом отдельные резисторы соединены так, что при прогибе мембраны сопротивление резисторов возрастает, а у других уменьшается. В результате достигается высокая чувствительность измерительного моста. Выходное напряжение соответствует тогда уравнению

2.3Компенсация температурной погрешности

Следует различать температурный коэффициент смещения нуля и температурный коэффициент чувствительности и каждую отдельную погрешность компенсировать индивидуально.

Температурный коэффициент смещения нуля (примерно —) представляет собой температурную погрешность сигнала в нулевой точке шкале. Он примерно в 10 раз меньше температурного коэффициента чувствительности (около —). Простейший способ температурной компенсации состоит в так называемой пассивной компенсации с помощью резисторов и датчиков температуры. Правильным подбором шунтирующих резисторов (R/R0), а также датчика температуры (например, типа КТУ 10) можно оказывать влияние, как на смещение нуля, так и на изменение чувствительности.

3.Математическая модель датчика давления.

Рассмотрим плоское неустановивившееся движение идеальной несжимаемой жидкости в области, изображенной на рисунке, которая моделирует систему трубопровод-датчик. Предполагая заданным давление жидкости на левом конце трубопровода, найдем закон движения y = y*(t) (t - время) жесткой пластины АВ.

Упрощая задачу, будем считать, что в области движение жидкости равномерное, а в области - двумерное.

В области для потенциала скоростей имеем следующую краевую задачу

решением, которой является функция где - произвольная функция.

Согласно интегралу Лагранжа-Коши давление жидкости в равно

где - давление в покоящейся жидкости. Дифференциальное уравнение движения пластины АВ можно записать в виде

(1)

где m - масса пластины б - давление сжимаемого воздуха в области На отрезке оси Оx будем иметь

или, учитывая (1),

(2)

В области постановка задачи для определения потенциала скоростей имеет вид

Здесь - заданная функция, определяющая давление жидкости на левом конце трубопровода

Для решения задачи (3) - (7) введем в рассмотрение комплексный потенциал течения где z = x =iy, - функция тока. С помощью функции отобразим конформно полосу на нижнюю полуплоскость комплексного переменного Для аналитической функции имеем следующие граничные условия

Применяя интеграл Шварца, получим

причем при откуда вследствие (7), имеем

(8)

Поскольку то

(9)

где - произвольная комплексная функция. Отсюда, учитывая (7), при получим

Пользуясь формулами (8) и (9) предельным переходом при будем иметь

Таким образом на отрезке среднее значение давления оказываемого жидкостью из области будет равно

Приравнивая на давления сверху и снизу ( и ), получаем обыкновенное дифференциальное уравнение относительно функции , которое можно записать в виде

где А, В, С, - известные постоянные. Это уравнение связывает между собой закон изменения давления на конце трубопровода и закон движения подвижного элемента АВ.

4.Основные технические характеристики серийных микропроцессорных датчиков давления промышленной серии “Метран”.

4.1Датчики давления “Метран”

Bерхние пределы измерений

(ВПИ).............. 0.06 (+0,03)кПа …100МПа

Pабочее статическое давление

(для ДД и ДГ). МПа.........4; 6; 10; 16; 25; 40

Перестройка ВПИ в пределах одной модели до 25 : 1

Пределы основной допускаемой погрешности в зависимости от установленного диапазона

измерений модели, %......... 0,15; 0,20; 0,25

Питание датчиков, В.................... 12….42

Стандартные выходные сигналы

(по заказу), мА.............. 4…20; 0…5; 0…20

Время успокоения (демпфирования)

Рсгулируется, с.............. от 0,2 до 25,6

Температура окружаещей среды, :

для климатичсского исполнения У.2 -40… +70

для климатического исполнения Т.З -25… +70

Температурная погрешность %/10 ............ 0,05+0,05

Температура измеряемой среды на входе датчика

(в зависимости от модели), -40...+80 или -40...+140

Степень защиты оболочки от пыли и воды..... IР65

Исполнения... Обыкновенное или взрывозащищенное

Виды взрывозащищенности датчиков : “искробезопасная электрическая цепь” с маркировкой OExiallCT5X или ЕхibllСТ5Х; “взрывонепроницаемая оболочка” с маркировкой 1Ехd11ВТ4/H2

Межповерочный интервал датчиков, лет 3

Средний срок службы, лет 12

Гарантированный срок, мес 36

Применение микропроцессорной обработки сигналов является преобладавшей тенденцией конструирования электронных преобразователей (ЭП) для современных промышленных датчиков давления. Основное их отличие от выпускавшихся ранее чисто аналоговых ЭП состоит в том, что линеаризация и температурная компенсация сигнала первичного преобразователя, а также функции настройки осуществляются цифровым образом, что позволяет существенно улучшить метрологические и эксплуатационные характеристики приборов.

В настоящее время в ПГ“МЕТРАН” разработано новое семейство микропроцессорных электронных преобразователей (МПЭП), унифицированное для всех моделей датчиков давления “ МЕТРАН”. Замена аналоговой электроники процессорной с использованием уже наработанной номенклатуры приемников давления позволило снизить основную погрешность до 0,15% по аналоговому выходному сигналу и в несколько раз уменьшить дополнительную температурную погрешность. Существенно расширен динамический диапазон измеряемых давлений, что стало возможным благодаря низкому уровню собственных шумов МПЭП. Комплектуемые им датчики имеют возможность перестройки диапазона от 1:1 до 1:25 максимального давления. В процессе работы периодически происходит самокалибровка входных аналоговых цепей ЭП, благодаря чему обеспечивается высокая стабильность показаний датчика при работе на глубоких перестройках по давлению.

Измерительная плата интегрирована в сенсор давления 5 и является его неотъемлемой частью, в частности вместе с ним подвергается температурной характеpизации. Во время этой технологической операции подробно снимается передаточная характеристика сенсора по тсмпературе и давлению, параметры которой заносятся в энергонезависимую память (РПЗУ) установленную на измеритсльной плите. Двухканальный AЦП обеспечивает измерение сигналов давления и температуры, первичного преобразователя и передачу их в цифровом виде.

Tаким образом, сенсор является в определенной степени устройством данные первичного преобразователя индивидуальные для него коэффициенты коррекции необходимые для вычисления давления.

Остальные компоненты МПЭП располагаются в головной части датчика 6. В отличие от измерительной платы, являющейся универсальной для всех моделей, плата процессора имеет несколько модификаций, в зависимости от того, в каком виде необходимо сформировать выходной сигнал датчика:

токовый сигнал 4...20 мА (двухпроводная схема подключения);

токовый сигнал 0...5 мА (четырех проводная схема подключения);

токовый сигнал 4...20 мА + цифровой HART-сигнал (двухпроводная схема подключения).

В последнем случае МПЭП может не только передавать, но и принимать информацию в цифровом виде, в частности, может быть дистанционно перенастроен, диагностирован. Пo своим возможностям такой вариант датчика относится к интеллектуальным измерительным приборам. Все модификации построены на основе микропроцессоров фирмы Microchip, характеризующихся предельно низкой потребляемой мощностью, что позволяет применить двухпроводную схему подключения датчика. Платы процессора настраиваются автономно и могут быть взаимозаменяемы. При этом не затрагиваются характеристики сенсора. Например, датчик с токовым выходом 0...5 мА может бьггь преобразован в датчик с сигналом 4...20 мА простой заменой платы процессора без повторной характеризации сенсора по температуре и давлению.

Кроме операции линеаризации характеристики сенсора процессор производит численное усреднение по времени поступающих с АЦП данных, тем самым вводится время демпфирования выходного сигнала, программно регулируемое оператором на месте эксплуатации.

Вычисленное давление преобразуется в токовый сигнал в выходном каскаде, состоящем из ЦАП и преобразователя напряжение-ток (ПНТ).

Применение микропроцессора позволило реализовать широкий набор функций настройки датчика:

• перенастройка нуля;

• перенастройка диапазона по стандартному ряду;

• установка единиц измерения;

• установка системы единиц измерения (“паскальная” или “килограммовая”);

• установка времени демпфирования;

• инверсия выходного сигнала;

• калибровка диапазона.

Информация о текущих настройках сохраняется в энергонезависимом РПЗУ платы процессора. Операция настройки осуществляется с трехкнопочной клавиатуры 3, вынесенной на кожух МПЭП и контролируется по символьно-цифровому ЖКИ. Возможна проверка установленных параметров без изменения выходного токового сигнала.

В рабочем режиме на индикаторе отображается действующее значение давления и соответствующая единица измерения.

Плата ЖКИ 6 предусмотрена в двух вариантах встроенная в датчик; выносная В отдельном корпусе.

В последнем случае ЖКИ является отдельным прибором (один на несколько датчиков) и подключается к дополнительному разъему МПЭП только во время операции настройки.

Некоторые эксплуатационные характеристики МПЭП

Рабочий диапазон температур (включая ЖКИ!), .................-40…+85

Диапазон питающих напряжений, В:

для 2-х проводной схемы............... 12...42

для 4-х проводной схемы............... 36 1

Время отклика (демпфирования),с.......... 0,2...25

Исполнение.............. искробезопасное (устанавливается при настройке)

4.2Малогаборитные датчики давления “МЕТРАН-55”

Приводятся основные технические характеристики малогабаритных технологических датчиков давления, их конструктивные особенности, схемы построения электронного преобразователя и термокомпенсированного тензопреобразователя.

В настоящее время рынок средств измерения давления предъявляет к датчикам давления все более высокие требования по точности измерения давления, повышения надежности и удобству эксплуатации. Однако, одновременно сохраняется интерес и к простым малогабаритным и недорогим средствам измерения давления, обладающим сравнительно невысокой точностью. К этой группе относится серия малогабаритных датчиков

“Метран-55”.

Датчики “Метран-55” предназначены для измерения давления, избыточного и абсолютного давлений в диапазоне от 100 кПа до 100 МПа. Основная погрешность измерения в зависимости от исполнения, составляет 0,25; 0,5 или 1,0 % , соответственно дополнительная погрешность измерения для этих датчиков в рабочем диапазоне температур — 2,5; 3,5 или 5,5 %; рабочий диапазон измерения температуры окружающей среды от -42 до + 70 'С.

Степень защиты датчиков от воздействия воды и пыли ИР 54. Гарантийный срок — 18 мес., межповерочный интервал — 2 года.

Датчики имеют линейно возрастающий выходной сигнал постоянного тока 4...20, 0...5 или 0...20 мА.

В качестве чувствительного элемента в датчиках используется тензорезисторный преобразователь (ТП) на основе структуры “кремний на сапфире” (КНС).

ТП выполнен в виде одномембранного устройства, в котором на круглую металлическую мембрану, выполненную заодно с корпусом, напаян чувствительный элемент в виде сапфировой пластины с тонкой гетероэпитаксиальной пленкой кремния, выполненной в виде тензозочувствительной мостовой схемы. Измеряемое давление подается внутрь ТП на измерительную мембрану с чувствительным элементом.

Для уменьшения зависимости параметров ТП от температуры окружающей среды в датчике “Метран-55” используется метод балансировки моста с помощью постоянных резисторов при питании ТП от источника тока. Компенсация температурного изменения начального значения выходного сигнала выполняется установкой балансировочного резистора параллельно с одним плечом ТП, компенсация температурной зависимости чувствительности ТП (диапазона изменения выходного сигнала) — установкой балансировочного резистора параллельно питающей диагонали моста [1].

Величины балансировочных резисторов рассчитываются на основании данных, полученных при измерении температурных характеристик ТП. Типичное значение температурной погрешности начального значения выходного сигнала ТП на каждые 10 после его балансировки составляет 0,05% от диапазона изменения выходного сигнала, изменение чувствительности — 0,2 %.

Электронная схема датчика обеспечивает питание тензочувствительной мостовой схемы ТП постоянным током, преобразование сигнала разбаланса тензомоста в унифицированный выходной сигнал датчика (4...20, 0...5, 0...20 мА) и коррекцию нелинейности функции преобразования ТП. Коррекция температурных изменений характеристик преобразователя не предусмотрена.

Функциональная электрическая схема состоит из генератора тока питания ТП, преобразователя напряжения в ток ПНТ, сумматора, схемы коррекции нелинейности КН и стабилизатора напряжения питания электронной схемы БП.

Особенностью построения электронного преобразователя является совмещение в преобразователе сигнала ТП функций дифференциального регулируемого сумматора и преобразователя “напряжение-ток”. Упрощенная принципиальная схема преобразователя приведена.

Основа принципиальной схемы — дифференциальный усилитель, выполненный на трех операционных усилителях и обладающий максимальным коэффициентом подавления синфазной составляющей входного сигнала [2]. Регулировка начального значения выходного сигнала, т. е. введения постоянной составляющей в выходной сигнал усилителя, осуществляется подачей на инвертирующие входы усилителя постоянного напряжения, снимаемого с 'резистора Rl. При этом постоянная составляющая выходного сигнала не зависит от уровня входного сигнала и от регулировки коэффициента передачи. В отличие от обычной схемы дифференциального усилителя в данном случае в выходном каскаде отсутствует обратная связь (ОС), т. е. коэффициент передачи в прямом канале очень высок, а на прямой и инверсный входы усилителя через резисторы Rocl и Roc2 подается сигнал отрицательной ОС, снимаемый с эталонного резистора Rэт (параллельное соединение резисторов R3, R4 и R5), пропорциональный выходному току, усилителя.

Можно показать, что при выполнении условий: R6=R7;R6>>R1; R8 = R9 и Rocl = Roc2 + Rэт

выходной ток преобразователя не зависит от синфазной составляющей напряжения на входе усилителя.

Напряжение, снимаемое с цепочки резисторов R3, R4, R5, подается на вход генератора тока питания ТП и может обеспечивать при необходимости коррекцию нелинейности преобразователя давления.

Генератор тока питания ТП собран по схеме дифференциального сумматора с нагрузкой в цепи ОС.

Электрическая схема преобразователя обеспечивает регулирование начального значения и диапазона измерения выходного сигнала датчика в достаточно широких пределах, что позволяет свести к минимуму количество построечных элементов и значительно упростить процесс сборки и настройки датчика. Электронный преобразователь сохраняет свои характеристики в диапазоне питающих напряжений от 12 до 42 В для выходного сигнала 4...20 мА и от 24 до 42 В для выходных сигналов 0...5 и 0...20 мА. Изменение выходного тока электронного преобразователя, вызванное изменением температуры окружающей среды, как правило, не превышает 0.1 % при изменении температуры на 10. Конструктивно электронный преобразователь собран на печатной плате диаметром 50 мм и установлен в литой алюминиевый корпус.

Подключение датчика к питающим и измерительными линиям выполняется через сальниковый ввод или при помощи разъема типа 2РМГ.

5.Коммутатор

Коммутатор предназначен для подключения одного из датчика давления на вход к источнику питания. Управление коммутатором осуществляется микропроцессорной системой, которая передает на него код с номером коммутируемого канала. Нашим требованиям удовлетворяет микросхема К590КН19.

Микросхема представляет собой 8 – канальный аналоговый коммутатор с дешифратором и регистром и предназначена для коммутации аналоговых сигналов с амплитудой . Особенностями ИС являются управление выборкой каналов коммутатора с помощью дешифратора; эффективная развязка между цифровой и аналоговой частями, исключение перекрытия каналов, отсутствие явления самоблокировки ( залипания ); малые выбросы переходного процесса; регистр на входе дает возможность непосредственного подключения к микропроцессору. В состав ИС входят узлы защиты входов от статического заряда или перенапряжения ( защита диодами диэлектрика под затвором входных транзисторов ); узлы согласования логических уровней ТТЛ (0,0000008 … 2,4 ) и КМОП (0.. 15 В ) с управляющими напряжениями КМОП аналоговых коммутаторов; узел памяти ( D – триггер ); узел кода преобразования на адресных входах в управляющий сигнал для аналоговых ключей коммутатора на элементах И-НЕ; узел разрешения (блокировки сигнала на аналоговом выходе коммутатора ), закрывающий одновременно все каналы; узел формирования управляющих напряжений аналоговых ключей, узел аналогового ключа; узе защиты аналоговых входов ( ограничения тока, возникающего при появлении на входе ( выходе ) напряжение сигнала больше Uп ). Содержит 276 интегральных элементов. Корпус типа 427.18 – 1, масса не более 1,6 г.

Условное графическое изображение.

Назначение выводов :

1 - вход аналоговый 8 11 – вход аналоговый 1

2 – напряжение питания (-Uп) 12 - вход аналоговый 2

3 – вход логический ( сброс ) R 13 - вход аналоговый 3

4 - вход логический А0 14 - вход аналоговый 4

5 - вход логический А1 15 - выход аналоговый

6 - вход логический А2 16 - вход аналоговый 5

7 – вход запись (логический) С 17 - вход аналоговый 6

8 – вход разрешение (логический) Е 17 - вход аналоговый 7

9 – общий

10 – напряжение питания (Uп)

Электрические параметры :

Номинальное напряжение питания 15 В 10%

Ток потребления :

При низком уровне управляющего напряжений :

От источника питания Uп 4мкА

От источника питания -Uп 4мкА

При высоком уровне управляющего напряжений :

От источника питания Uп 4мкА

От источника питания -Uп 4 мка

Входной ток низкого ( высокого ) уровня 0,2 мкА

Ток утечки аналогового входа 50 нА

Ток утечки аналогового выхода 70 нА

Время переключения при Rн = 10кОм;Сн = 40 пФ 150 нс

Сопротивление в открытом состоянии при Iном = 1мА 100 Ом

Предельно допустимые режимы эксплуатации.

Напряжение питания 13,5 … 16,7 В

Управляющее напряжение :

Низкого уровня 0… 0,8 В

Высокого уровня 4 … 16,5 В

Коммутируемое напряжение -15 … +15 В

Максимальный коммутируемый ток 20 мА

Температура окружающей среды -45 …+75

6.Аналогово-цифровой преобразователь.

Для реализации аналогово-цифрового преобразования выходного сигнала выберем микросхему К572ПВ1.Микросхема представляет собой 12 – разрядный АЦП последовательного приближения. Совместно с внешними компараторами напряжения (КН) или опрационными усилителями (ОУ), с источниками опорного напряжения (ИОН), генераторами тактовых импульсов (ГТИ) ИС выполняет функции АЦП последовательных приближений с выводом параллельного двоичного кода через выходные каскады с тремя состояниями, а также умножающего ЦАП с параллельным и последовательным вводом информации совместно с внешними усилителями. ИС включают устройства для организации побайтового обмена информации с 8 – разрядной ШД микропроцессоров. В режиме АЦП есть возможность синхронной и циклической работы, производящего уменьшения числа разрядов и выводом данных в последовательном коде.

Аналоговая часть БИС включает ЦАП и две группы прецизионных резисторов для образования совместно с внешним ОУ или КН завершенных схем АЦП и ЦАП; цифровая часть БИС – логические узлы для построения АЦПпоследовательного приближения, а также дполнительные устройства для работы в режиме ЦАП. Содержат 1126 интегральных элементов. Корпус типа 4134.48 – 2, масса не более 5 г.

Назначение выводов :

1 – последовательный вход

2 – вход управления старшим разрядом (СР)

3 – напряжение питания ()

4 … 15 – цифровой вход/выход 1 … 12

16 – вход управления младшим разрядом (МР)

17 – вход управления режимом

18, 19, 20, 21, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 – свободные

22 – выход «цикл»

23 – вход сравнения

24 – напряжение питания

25 – вход тактовых импульсов

26 – выход «конец преообразования2

27 – вход «запуск»

28 – вход «цикл»

29 - вход стробирования ЦАП

30 – цифровая земля

31 – конечный вывод матрицы R-2R

32 – общий вывод резисторов 1,2

40 вывод резистора 1

41 – вывод резистора 2

42 – опорное напряжение

43 – аналоговый вход 1

44 - аналоговый вход 2

45 – общий вывод резисторов аналоговых входов 1,2

46 - аналоговый выход 1

47 - аналоговый выход 2

48 – аналоговая земля

Электрические параметры.

Номинальное напряжение питания 5 В5 %

5 В5 %

15 в 5 %

выходное напряжение низкого уровня 0,3 В

выходное напряжение высокого уровня

ток потребления :

от источника питания 3 мА

от источника питания 2,4 в

дифференциальная нелинейность -4 … +4 МЗР

нелинейность -2 … +2 МЗР

абсолютная погрешность преобразования

в конечной точке шкалы -122 … +122 МЗР

ТК нелинейности, дифференциальной

Нелинейности

ТК погрешности полной шкалы

Тактовая частота 250 кГц

Полупроводниковые БИС 12-разрядного микромощного АЦП типа К572ПВ1 (А, Б, В) и КР572ПВ1 (А, Б, В) являются универсальными многофункциональными узлами для устройств аналогового ввода-вывода МП систем низкого и среднего быстродействия. Совместно с внешними КН или ОУ, ИОН, ГТИ микросхемы выполняют функции АЦП последовательных приближений с выводом параллельного двоичного кода через выходные каскады с тремя состояниями, а также умножающего ЦАП с параллельным и последовательным вводом информации.

Конструктивно БИС выполнены в двух вариантах герметичных корпусов: плоском металлокерамическом типа 4134.48-2 (К572ПВ1) и пластмассовом с двухрядным вертикальным расположением выводов типа 2123.40-2 (КР572ПВ1).

В состав БИС входят устройства для организации побайтового обмена информацией с 8-разрядной шиной данных МП. В режиме АЦП существует возможность организации синхронной и циклической работы, произвольного уменьшения числа разрядов и вывода данных в последовательном коде. Изменение режимов работы производится коммутацией небольшого числа внешних выводов или программным путем с применением нескольких дополнительных ЦИС.

Аналоговая часть БИС включает ЦАП и две группы прецизионных резисторов. По схемотехническому решению и топологии ЦАП подобен ИС К572ПА1, но отличается увеличенным числом КМОП ключей и звеньев R — 2R РМ, наличием схемы компенсации температурной нестабильности сопротивления аналоговых ключей. Две группы прецизион- ных резисторов предназначены для образования совместно с внешним ОУ или КН завершенных схем АЦП и ЦАП. Размещение резисторов на кристалле и топологическая их идентичность резисторам РМ обеспечивают стабильность параметров преобразователя.

Цифровая часть БИС включает необходимые для построения АЦП последовательного приближения логические узлы, а также дополнительные устройства для работы в режиме ЦАП.

Классификация АЦП по группам производится по таким параметрам, как нелинейность и дифференциальная нелинейность .

Основные электрические параметры микросхем при температуре окружающей среды 2510.

Не менее Не более

Число разрядов b 12 ---

Нелинейность :

К572ПВ1А -0,05 0,05

К572ПВ1Б -0,1 0,1

К572ПВ1В -0,2 0,2

Дифференциальная нелинейность , %:0

К572ПВ1А -0,1 0,1

К572ПВ1Б -0,2 0,2

К572ПВ1В -0,4 0,4

Абсолютная погрешность преобразования

в конечной точке шкалы , МР -127 127

Выходное напряжение низкого уровня , В --- 0,3

Выходное напряжение высокого уровня , В 2,4 ---

Ток потребления , мА --- 3

Ток потребления , мА 5 ---

Типовые зависимости дифференциальной нелинейности (а) и абсолютной погрешности преобразования в конечной точке шкалы, приведенной к диапазону выходного аналогового сигнала, в режиме ЦАП (б) БИС К572ПВ1 от температуры окружающей среды

Типовое значение выходного тока при = 10 В составляет 1 мА, а для выходного тока смещения нуля 50 мА. Входной ток управления не превышает 1 мкА. Нормальное функционирование БИС обеспечивается прb тактовой частоте до 250 кГц.

Нумерация и назначение выводов (для КР572ПВ1 в скобках): 1 — последовательный вход; 2 — вход управления СР; 3 — напряжение питания , 4 — 16 — цифровой вход— выход (от СР к МР); 16 — вход управления МР; 17 — вход управления режимом; 22(18) — выход Цикл; 23(19) — вход сравнения; 24(20) — напряжение питания , 26(21)— вход ТИ; 26(22) — выход Конец преобразования; 27(28)— вход Запуск; 28(34) — вход Цикл; 29(26) — вход стробирования ЦАП; 30(27) — цифровая земля; 31(28) — конечный вывод РМ R — 2R; 32(29) — общий вывод резисторов R/2, R/4; 40(31) — вывод резистора R/4; 41(32) — вывод резистора R/2; 42(ЗЗ) — опорное напряжение , 43(24)— аналоговый вход 1; 44 (86) — аналоговый вход 2; 46 (37) — общий вывод резисторов аналоговых входов 1 и 2; 46(38) — аналоговый выход 1; 47(39) — аналоговый выход 2; 48(40) — аналоговая земля; 18 — 21, 33 — 39 (26, 80, 36) — незадействованные выводы.

Преобразователь работает от двух источников питания = В % и = 15 В %. При согласовании микросхемы с ТТЛ схемами напряжение питания устанавливают 5В%, а при согласовании с КМОП схемами 15 +5%. При любом напряжение высокого уровня на входе сравнения не должно быть менее 10 В.

Предельно допустимые и предельные режимов эксплуатации.

Предельно допустимые Предельные

Не менее Не более Не менее Не более

Опорное напряжение

, В -10,29 10,29 -15 15

Входное напряжение высокого

уровня , В -2,4 5,25 2,4 17

Входное напряжение низкого

уровня , В 0 0,4 0 0,4

Напряжение высокого

уровня на входе сравнения

и входе Цикл , В 10 15,75 0 17

Выходной ток высокого

уровня Iон, мА --- 0,04 --- 0,04

Входной ток низкого

уровня , мА --- 0,4 --- 0,4

При работе с микросхемой необходимо соблюдать правила подачи электрических режимов, постановки на плату и меры защиты, рекомендованные для микросхем К572ПА1 и К572ПА2.

Работа БИС в режиме АЦП проходит в соответствии с хорошо известным принципом последовательного приближения с программируемым сдвигом. Преобразование осуществляется за 12 рабочих тактов, каждый из которых по длительности равен двум импульсам ГТИ. Вспомогательный такт используется для формирования сигнала Конец преобразования. По этому сигналу происходит считывание цифровой информации.

В циклическом режиме работы за периодом считывания следует период возврата АЦП в исходное состояние (сброса) по сигналу с вывода 22 (Цикл).

Между выходом ЦАП и входом КН А2 применен буферный ОУ А1 для достижения максимальной точности и стабильности статических параметров преобразования. В АЦП КН работает в режиме сравнения токов, что позволяет достичь максимального быстродействия. Типовое время преобразования составляет 110 мкс. Включение резисторов R/2 или 2R в цепь обратной связи ОУ или на входе компаратора А обеспечивает изменение от 0 5 до 2 соответственно. Полярность диапазона входного напряжения может быть любой и устанавливается выбором полярности .

Число разрядов преобразования может быть уменьшено до произвольного путем подачи на вход 27 повторного сигнала. Запуск по окончании (n+1)-го такта. Соединение выводов 22 и 28 переводит схему из синхронного режима работы в циклический, при этом на вход 27 подается логический О.

Работа БИС в режиме ЦАП возможна в нескольких вариантах. Типовая схема включения в режиме ЦАП с параллельным вводом информации. С по- ступлением на вывод 17 логической 1 сдвигающий регистр переводится в режим буферного регистра. Запись информации в буферный регистр и регистр ЦАП производится подачей на вывод 25 сдвоенного импульса при наличии логического 0 на выводе 27. Минимальная длительность пары тактовых импульсов 5 мкс. Стирание информации в регистре последовательных приближений осуществляется подачей на вывод 27 логической 1, а ее запоминание в режиме ЦАП происходит при поступлении такого же сигнала на вывод 29.

Для ввода данных в последовательном коде соответствующий 12-разрядный код подается на вход 1, начиная с МР, синхронно с парами тактовых импульсов.

Типовые значения ряда дополнительных электрических параметров БИС К572ПВ1 таковы: выходной ток по аналоговому выходу = 1 мА (при = 10 В и коде 11... 11); входной ток по выводам управления = 1 мкА; температурный коэффициент нелинейности в режиме ЦАП = 1/; температурный коэффициент дифференциальной нелинейности = 1/; температурный коэффициент абсолютной погрешности преобразования в конечной точке шкалы в режиме ЦАП ,= 1/.

7.Усилитель напряжения.

Рассчитаем необходимый коэффициент усиления по напряжению для УН выходного напряжения

Усилитель напряжения построен по дифференциальной схеме на основе микросхемы операционного усилителя КР140УД26 со следующими характеристиками:

напряжение питания UП1, UП2, +15В, -15В;

напряжение смещения Uсм — не более 0,03 мВ;

коэффициент усиления напряжения (при нулевой частоте сигнала) Ку.ДИФФ - 106;

входное дифференциальное сопротивление Rвх ДиФФ = 1,3 Мом;

выходное сопротивление RВЫХ=200 Ом.

На вход усилителя подается напряжение с резистора Rптн. Выходное напряжение усилителя поступает на аналоговый вход АЦП. Коэффициент усиления задается резисторами Rl — R4, при этом должно выполняться условие

Зададим значение резистора R2 равным 15 кОм. Примерное значение сопротивления Rl определим из необходимого значения коэффициента усиления УН:

Точное значение коэффициента усиления рассчитаем по выражению:

Погрешность коэффициента усиления равняется

0,005 %

Входное сопротивление усилителя напряжения равняется

40000 Ом

Выходное сопротивление усилителя напряжения равняется:

0,05 Ом

Номиналы резисторов R3 и R4 принимаются равными соответственно R1 и R2. резисторов R1-R2 Резистор R5 применяется для балансирования операционного усилителя.

8.Микропроцессорная система. КР1816ВЕ49

Микросхема представляет собой однокристальную 8-разрядную микро-ЭВМ с масочным ПЗУ емкостью 16 кбит (2048x8), содержимое которого задается в процессе изготовления ИС. Корпус типа 2123.40-2, масса не более 7 г. Содержит 36000 интегральных элементов.

Назначение выводов: 1 — вход/выход тестирования; 2, 3 — для подключения кварца, LC-цепи; 4 — вход установки; 5 — вход пошагового выполнения команд; 6 — вход сигнала прерывания; 7 — вход сигнала разрешения работы с внешней памятью; В — выход сигнала чтения; 9 — выход сигнала управления считыванием из внешней памяти; 10 — выход сигнала записи; 11— выход сигнала разрешения фиксации адреса; 12...19— выходы/выходы порта 0; 21...24, 35...38 — входы/выходы порта 2; 20 — общий; 25 — выход программирования; 26 — напряжение питания при программировании; 27...34— входы/выходы порта 1; 39 — вход тестирования; 40 — напряжение питания.

Электрические параметры

Напряжение питания...........4,75…5,25 В

Входное напряжение высокого уровня...

Входное напряжение низкого уровня -0,5…+0,8 В

Выходное напряжение высокого уровня

при =-0,4 мA

Выходное напряжение низкого уровня при = 2 мА

Ток потребления

Выходной ток в состоянии “выключено”

Ток утечки на входах..................

Потребляемая мощность..............580 мВт

Тактовая частота

Емкость нагрузки

Минимальное время выполнения короткой команды .. 1,36мкс

9.Список использованной литературы:

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника:Учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов.-2-е изд., перераб. и доп.-М:Высш.шк.,1991.- 622с.

2. Гусев В.Г., Мулик А.В. Проектирование электронных аналоговых измерительных устройств:Учеб. пособие.-Уфа:УАИ,1990.-97с.

3. Гусев В.Г., Мулик А.В. Аналоговые измерительные устройства: Учеб. пособие.-Уфа:УГАТУ,1996.-147с.

4. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс):Учебник для вузов/Ю.Ф. Опадчий,О.П.Глудкин,А.И.Гуров;Под ред.О.П.Глудкина.-М.:Горячая линия-Телеком,1999.-768с.

5. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство / Пер. с нем. под ред.А.Г.Алексеенко.-М.:Мир,1982.- 512с.

6. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники=Тпе art of electronics:В 3 т. / Перевод с англ. Б.Н.Бронина и др.-4-е изд., перераб. и доп.-М.:Мир.

7. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник/ [П.П.Мальцев и др.].-М.: Радио и связь,1994.-239с.

8. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник / М.И. Богданович, И.Н.Грель, С.А. Дубинина, В.А. Прохоренко, В.В.Шамило.-2-е изд.,перераб. и доп.-Минск: Беларусь, Полымя, 1996.-605с.

9. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы: Справочное пособие / Под ред. С.В. Якубовского.-2-е изд., перераб. и доп.-М.:Радио и связь, 1985.-432с.

10. Интегральные микросхемы: Операционные усилители: Справочни

к / А.В.Перебаскин, А.А. Бахметьев, С.О. Колосов и др.- М.: Физматлит. Т.1.- 1993.-240с.

11. Интегральные микросхемы: Справочник.- М.:ДОДЭКА; Вьш.1.: Микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа.-1996.-384с.

12. Однокристальные микроЭВМ: Справочник / Боборыкин А.В. и др. М.:МИКАП, 1994.- 400с.

13. Новиков Ю.В., Калашников О.А., Гуляев С.Э. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM РС. Под общей редакцией Ю.В. Новикова. Практическое пособие. — М.: ЭКОМ., 1998 —

224 с.

14. Ресурсы сети Internet.

15. Техническая документация, каталоги, рекламные материалы концерна «Метран».

10.Заключение

В ходе данной работы мы разработали систему измерения давления, которая позволяет измерять давление в пределах 0 – 50 Мпа; имеет 5 измерительных каналов; с погрешностью измерения 0,25 %.

Использовали коммутатор напряжения К590КН19, включили АЦП на основе интегральной микросхемы К572ПВ1, рассчитали параметры нужного усилителя напряжения, построенного на микросхеме КР140УД26, а также ввели микро-ЭВМ КР1816ВЕ49.

4032.991025.000 ПЗ

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

4032.991025.000 ПЗ

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

4032.991025.000 ПЗ

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

4032.991025.000 ПЗ

Лист

ата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

4032.991025.000 ПЗ

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

4032.991025.000 ПЗ

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

4032.991025.000 ПЗ

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

4032.991025.000 ПЗ

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

4032.991025.000 ПЗ

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

4032.991025.000 ПЗ

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

4032.991025.000 ПЗ

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

4032.991025.000 ПЗ

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

4032.991025.000 ПЗ

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

4032.991025.000 ПЗ

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

4032.991025.000 ПЗ

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

4032.991025.000 ПЗ

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

4032.991025.000 ПЗ

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

4032.991025.000 ПЗ

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

4032.991025.000 ПЗ

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

4032.991025.000 ПЗ

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

4032.991025.000 ПЗ

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

4032.991025.000 ПЗ

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.

1. Н Фомина Т Г Зеленова Анализируя проблемы возникающие сегодня перед преподавателем иностранного языка
2. Кислород и водород как химические элементы и простые вещества Их получение и применение
3. художествовала направляя своим духовным опытом руки иконописцев
4. задание Общий балл Оценка 1 Лебедева А.
5. Реферат Грошова реформа в україні 1996 року необхідність концепція наслідки Виконала- Крикрлива
6. тема взаємозв~язків пов~язує велику кількість виробників турпродукції з існуючими та потенційними покупцям.html
7. Череповецкий государственный университет- ДИЗАЙН
8. Тема- Финансовая база инноваций Инновационная деятельность требует значительных инвестиций связанных с
9. Теоретические основы возникновения сущность и формы международных корпораций
10. ТЕМАМИ Спеціальність 08
11. История развития бухгалтерского учета этапы его развития
12. Общий курс физики
13. Бизнесплан ОАО Строительный трест 12
14. тема сходящихся сил
15. Эффективность применения тотальной гипотермии у новорожденных с гипоксически-ишемической энцефалопатией
16. Статья- Простейший графический редактор
17. Исламская революция в Иране 1979 г.- последствия во взаимоотношениях Ирана и США.html
18. кваліфікаційний рівень БАКАЛАВР Форма навчання ДЕННА ЗАОЧНА
19. Разобьем отрезок [;b] произвольным образом на части с длинами xk [~
20. 17 Парламентарии, их статус и объединения в зарубежных странах

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе