2 Разработка принципиальной схемы устройства

2.1 Аналоговая часть

Разрабатываемое устройство состоит из двух основных частей – цифровой и аналоговой. Аналоговая часть устройства предназначена для согласования входных сигналов с входным диапазоном АЦП. Диапазон входных напряжений АЦП у выбранного контроллера, при условии использования внутреннего источника опорного напряжения U_ref=2.56В, равен 0..2.56 В. Так как все входные сигналы симметричны относительно нуля, самым простым вариантом согласования двуполярного сигнала с однополярным входом АЦП является использование резисторного делителя:

Рисунок 1. Входной каскад перед АЦП.

Схема, изображенная на Рисунке 1 представляет собой делитель на 2, причем верхняя точка делителя соединена с опорным напряжением АЦП U_ref, сигнал на АЦП подается с выхода делителя, а на нижнюю точку подается напряжение с входного каскада в диапазоне –U_ref..+U_ref. В результате, если напряжение U_in равно –U_ref, на выходе делителя будет нулевой потенциал, если напряжение равно 0, на выходе делителя будет половина диапазона U_ref, и так далее. Сопротивление резисторов выбирается не слишком большим – АЦП выбранного микроконтроллера согласно документации требует включения резистора не более чем 10кОм, поэтому можно применить резисторы с сопротивлением 4.7К.

В зависимости от требуемого сигнала применяются различные схемы: для входов у которых входной диапазон менее -2.56..2.56 В – требуется усиление сигнала, для входов с большим входным сигналом, требуется ослабления сигнала. Оба варианта схем предусматривают наличие операционного усилителя для установки коэффициента усиления.

Для входов, требующих ослабление сигнала, применена следующая схема включения:

Рисунок 2. Схема для ослабления входного сигнала

Номиналы резисторов R1, R2, R3 выбраны такими, чтобы сигнал на выходе операционного усилителя находился в пределах -2.56..2.56В. Коэффициент деления делителя R1, R2, R3 определяется следующей формулой:

(1)

Сопротивление R3 взято деленным на два для того чтобы была возможность изменять коэффициент в обе стороны.

Суммарное сопротивление R2+R3/2 можно рассчитать по формуле:

(2)

Требуемый коэффициент деления для канала определяется как максимальное входное напряжение деленное на 2.56.

Полученные коэффициенты деления и соответствующие номиналы резисторов, выбранные из допустимых значений близкими к расчетным:

Таблица 2

Вход	Диапазон входного сигнала, В	Требуемый коэффициент деления	R1	R2	R3
1	-15..15	5.859375	51КОм	5.1КОм	10КОм
2	-10..10	3.90625	51KOм	15КОм	5КОм

Для входов с усилением входного сигнала используется схема:

Рисунок 3. Схема для усиления входного сигнала

Резистор R6 предназначен для защиты операционного усилителя, а коэффициент усиления зависит от резисторов R1, R2, R3:

(3)

Коэффициент усиления определяется как 2.56 деленное на максимальное входное напряжение, что дает выходной сигнал также равным -2.56..2.56В для полного диапазона входного сигнала.

Сопротивление R2+R3/2 можно рассчитать по формуле:

(4)

Полученные коэффициенты деления и соответствующие номиналы резисторов, выбранные из допустимых значений близкими к расчетным:

Таблица 3

Вход	Диапазон входного сигнала, В	Требуемый коэффициент усиления	R1	R2	R3
3	-1..1	2.56	100 K Ом	43 K Ом	43 K Ом
4	-0.1..0.1	25.6	100 K Ом	2.7 K Ом	2.7 K Ом

Сопротивление резистора R6 для всех каналов равно 10 КОм.

Опорное напряжение на резисторные делители всех 4 каскадов подается с одного операционного усилителя, включенного по схеме повторителя и подключенного положительным входом к выходу опорного напряжения контроллера.

В результате проектирования получена аналоговая часть схемы, состоящая из операционных усилителей DA1-DA3, и резисторов R1-R19 и R31-R39. Выбраны операционные усилители LM2904, так как они имеют широкий диапазон рабочих температур: -40..+85˚C.

Аналоговые сигналы подаются на разъемы X1-X4, каждый разъем содержит сигнальный и общий контакты. Выбраны разъемы 375-021-12 для зажимания провода винтом.