2. Разработка аппаратного обеспечения.
2.1. Структурная схема УЭИП .
Рис 2.1. Структурная схема устройства.
2.2. Принципиальная схема УЭИП .
Принципиальная схема УЭИП и сборочный чертеж печатной платы отображены на плакатах .
2.3. Работа УЭИП по структурной схеме .
Аппаратная часть УЭИП состоит из нескольких частей :
- Блока АЦП ;
- Блока ЦАП ;
- Согласователя ;
- Блока ключей ;
- PIC-процессора .
2.3.1. Работа блока АЦП .
Блок АЦП состоит из 2-х усилительных каскадов , АЦП является одной из функций PIC-процессора .
Блок АЦП работает следующим образом :
На вход IN подается сигнал , который необходимо измерить, далее сигнал попадает на инвертирующий усилитель с коэффициентами меньше 1 ( таким образом мы сигнал с большой амплитудой приводим к рабочему интервалу АЦП ). После инвертирующего каскада следует неинвертирующий усилитель с коэффициентами больше 1 ( это позволяет нам усилить сигнал с малой амплитудой ).После приведения сигнала рабочему интервалу АЦП , он подается на вход RA0 PIC-процессора , где и происходит оцифровка сигнала .
Коэффициенты в усилительных каскадах подобранны таким образом , чтобы обеспечить усиление ( ослабление ) сигнала в 2n раз .У нас имеется следующие коэффициенты ослабления : 1 , 1/2 , 1/4 , 1/8 , 1/16 , 1/32 , 1/64 , 1/128 и коэффициенты усиления 1 , 2 , 4 , 8 , 16 , 32 , 64 , 128 .Нужный коэффициент выбирает программа , зашитая в PIC-процессоре.
Рис. 2.3.1. Структурная схема модуля АЦП.
2.3.2. Работа блока цап .
Блок ЦАП состоит из 2-х каскадов . Это сам ЦАП (MAX513) и операционного усилителя , включенного по инвертирующей схеме , с мультиплексором в обратной связи .
С PIC-процессора , использую Synchronous Serial Port ( Синхронный последовательный порт ) передает на MAX513 ( ЦАП ) последовательно 2 байта . Данные передаются по линии D , а синхронизируются по SCKL . Кроме того ЦАП должен быть выбран , подан сигнал низкого уровня по линии CS . Для того , чтобы выходной сигнал имел любую форму и амплитуду в диапазоне от 0 до 5В стоит делитель , с 8 коэффициентами деления : 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 . Для выбора нужного коэффициента необходимо подать соответствующий код на мультиплексор , стоящий в обратной связи . Мультиплексор соединит с выходом выбранный вход и мы получим делитель . Перед выходом стоит ключ , управляя которым мы разрешаем выход сигнала или нет .
Рис. 2.3.2. Структурная схема модуля ЦАП.
2.4. Согласование .
2.4.1. Согласователь RS-232 и асинхронного порта PIC-процессора.
Для связи УЭИП с персональным компьютером необходимо осуществить согласование по уровням между портом RS-232 и асинхронным портом SCI PIC- процесора .
U
[ B ] Уровень логического нуля
15
0
t
[ c ]
-15
Уровень
логической единицы
Рис 2.4.1.А Временная диаграмма работы
асинхронного порта RS-232
U
[ B ] Уровень логической единицы
5
0
Уровень
логического нуля t [ c ]
Рис 2.4.1.В Временная диаграмма асинхронного порта SCI
Параллельно с согласованием уровней , используя оптроны AOT101AC, чтобы обеспечить электрическую развязку между прибором и портом компьютера .
2.4.2. Согласователь синхронного порта SSP PIC-процессора и ЦАПа MAX 513 .
МАХ 513 имеет последовательный синхронный порт ( SCKL + DIN ) , причем уровни входных сигналов соответствуют уровням сигналов Synchronous Serial Port ( Синхронного Последовательного Порта ) , поэтому нет необходимости в разработке согласователя между этими портами .
2.5. Расчеты:
2.5.1. Расчет точности измерений из-за дискретности АЦП.
При оцифровке входного сигнала мы получаем 8 битное значение напряжение . Дискретность преобразования для АЦП PIC-процессора 16С74 составляет 0,0195 Вольт , при опорном напряжении 5 Вольт .Погрешность входного сигнала из-за дискретизации составляет : =0,0195/5 100%=0,4%
2.5.2. Расчет диапазонов входного напряжения для АЦП.
При измерении необходимо знать диапазон напряжении измеряемых данным прибором .
Проведем расчет максимального и минимального напряжений измеряемых УЭИП . Максимальному измеряемому напряжению соответствуют максимальный коэффициент ослабления и минимальный коэффициент усиления .
Umax= UАЦП Кослабления max / Кусиления min .
Umax=5B[(1106 / 8,2103 )/( 1+8,2103 / 8,2103 )]=5B120/2= =300B.
Минимальному измеряемому напряжению соответствуют минимальный коэффициент ослабления и коэффициент максимальный усиления.
Umin= UАЦП Кослабления min / Кусиления max .
Umin=5B[(8,2103 / 8,2103)/( 1+1106 / 8,2103 )]=5B1/121= =0,04B.
Но кроме коэффициентов необходимо учитывать и шумы операционного усилителя и затухание сигналов. Поэтому действительное минимальное измеряемое напряжение составляет 0,1 В.