2.5 Конструкція вимірювального каналу системи

Конструктивно вимірювальний канал розроблюваної інформаційно-вимірювальної системи представляє собою малогабаритну двосторонню друковану плату з металізацією отворів. Для її конструювання спочатку необхідно вибрати елементну базу, що буде використовуватися у вимірювальному каналі.

Головним елементом вимірювального каналу інформаційно-вимірювальної системи є сенсор – ультрафіолетовий фотодіод типу ААА фірми Hamamatsu. В зв’язку з тим, що генеровані цим фотодіодом сигнали мають низький рівень, відстань між виводами фотодіода і входами операційних підсилювачів (а також іншими елементами вимірювального каналу, що підключаються до нього) повинна бути мінімальною. Для забезпечення механічної стійкості відстань між корпусом фотодіода та друкованою платою також повинна бути мінімальною. Тому використаємо двостороннє розміщення елементів на друкованій платі – з однієї сторони розмістимо сенсор (фотодіод), а з іншої – операційні підсилювачі та резистори вимірювальної схеми.

Як операційні підсилювачі доцільно використати мікросхему, яка містить два підсилювачі в одному корпусі. Це підтверджується тим, що неінвертуючий вхід одного підсилювача та інвертуючий вхід другого підсилювача підключені до сенсора, також напруги живлення обох підсилювачів підключено до одних і тих же виводів мікросхеми. Вибираємо мікросхему типу ОР177 фірми Analog Devices.

Як резистори схеми немає необхідності використовувати резистори високої точності – відхилення їх опору від номінального значення все одно будуть враховані при калібруванні вимірювального каналу. Однак їх температурна та часова зміна вплине на зростання похибки вимірювання на протязі міжкалібрувального інтервалу. Тому вибираємо резистори низької точності (дешеві), але серії, яка має малий температурний коефіцієнт та часовий дрейф. Такими є прецизійні металоплівкові резистори серії С2-29. Їх типи, що мають мале допустиме відхилення опору від номіналу доволі дорогі, але ті екземпляри, що мають велике допустиме відхилення опору від номіналу відносно дешеві. Однак сам резиситивний матеріал для всіх типів однаковий. Таким чином можна вирішити суперечність між технічними та вартісними показниками вимірювального каналу.

Форму друкованої плати вимірювального каналу вибираємо відповідною до форми корпуса сенсора ультрафіолетового випромінювання – плата повинна бути кругла, з діаметром, рівним внутрішньому діаметру корпуса сенсора (68 мм). Фотодіод повинен бути розміщений в центрі друкованої плати. Решта деталей розміщені навколо фотодіода. Креслення друкованої плати вимірювального каналу приведено в Додатку.

3. Дослідження схеми вимірювального каналу

3.1 Розрахунок елементів принципової схеми вимірювального каналу

Вихідними даними до розрахунку параметрів елементів схеми проектованих вимірювальних каналів є:

1. діапазон вихідних струмів фотодіода під час вимірювання освітленості. Для фотодіодів типу ААА фірми Hamamatsu при зміні освітленості від нуля до максимуму вихідний струм змінюється від нуля до 10 мкА;

2. діапазон зміни спаду напруги на фотодіоді від приблизно 0,5 В (при проходженні робочого струму 0,5 мА та температурі близько 20°С) до приблизно 0,8 В (при проходженні робочого струму 1 мА та температурі близько 36°С);

3. діапазон перетворення в код напруги аналого-цифрового перетворювача – від 0,1 В до 2,5 В. Мінімальна напруга 0,1 В визначається тим, що при нижчих вхідних напругах у сигма-дельта аналого-цифрових перетворювачах часом проявляється зона підвищеної нелінійності.

На першому етапі розрахунку параметрів елементів схеми вимірювального каналу визначимо необхідний коефіцієнт передачі окремих каналів вимірюваних величин:

1. Канал вимірювання струму короткого замикання. Узагальнена схема каналу подана на рисунку 2.1, у схемі принциповій вимірювального каналу інформаційно-вимірювальної системи ультрафіолетового випромінювання (рисунок 2.8) в канал вимірювання струму короткого замикання фотодіода входять наступні елементи – операційний підсилювач, резисторита конденсатор. Для початку визначимо межі коефіцієнта передачі каналу вимірювання струму короткого замикання. Вихідну напругуопераційного підсилювачамодна визначити згідно (2.1). А вихідну напругуканалу вимірювання струму короткого замикання фотодіодаможна визначити як

. (3.1)

де – вихідний струм фотодіода;

–опори відповідних резисторів.

Слід відзначити, що вихідна напруга операційного підсилювачаможе, згідно схем рисунків 2.1 і 2.8, змінюватися

1. від нуля відносно „уявної” землі (+5 В відносно землі аналого-цифрового перетворювача) при нульовому вихідному струмі фотодіода ;

2. до значення відносно „уявної” землі (В відносно землі аналого-цифрового перетворювача) при зміні вихідного струму фотодіодав межах лінійності виходу операційного підсилювача. Значення добуткуне повинно перевищувати 2,5 В, для того, щоби не заходити в область насичення операційного підсилювача. В такому випадку, для того, щоби узгодити вихідну напругу операційного підсилювачаз вхідною напругою аналого-цифрового перетворювача коефіцієнт поділу подільникаповинен бути не менше двох. Вибирати його більше трьох – недоцільно через втрату чутливості. В цих крайніх випадках напруги на виході операційного підсилювачата на виході подільникавідносно землі аналого-цифрового перетворювача будуть відповідати вказаним в таблиці 3.1.

Таблиця 3.1 – Напруги в точках схеми рисунка 2.8 при різних коефіцієнтах поділу подільника

Струм	Коефіцієнт поділу	Напруга на виході	Напруга на виході
0	2	+5 В	+2,5 В
10 мкА	2	+2,5 В	+1,25 В
0	3	+5 В	+1,67 В
10 мкА	3	+2,5 В	+0,83 В

2. Канал вимірювання спаду напруги на фотодіоді . Узагальнена схема каналу подана на рисунку 2.5, у схемі принциповій вимірювального каналу інформаційно-вимірювальної системи ультрафіолетового випромінювання (рисунок 2.8) в канал вимірювання спаду напруги на фотодіодівходять наступні елементи – операційний підсилювач, резисторита конденсатор. Операційний підсилювачпрацює в режимі повторювача напруги (коефіцієнт підсилення одиниця) і забезпечує великий вхідний опір відносно фотодіода. Визначимо напруги в схемі при коефіцієнтах поділу подільникадва і три, аналогічно до того, як це зроблено в п. 1. Результати приведено в таблиці 3.2.

Таблиця 3.2 – Напруги в точках схеми рисунка 2.8 при різних коефіцієнтах поділу подільника

Спад напруги на фотодіоді	Коефіцієнт поділу	Напруга на виході	Напруга на виході
0,5 В	2	+5,5 В	+2,75 В
0,8 В	2	+5,8 В	+2,9 В
0,5 В	3	+5,5 В	+1,83 В
0,8 В	3	+5,8 В	+1,93 В

З таблиці 3.2 видно, що варіант з коефіцієнтом поділу два не задовольняє вимоги вимірювальної схеми – напруга на виході подільника перевищує діапазон перетворення аналого-цифрового перетворювача. В той же час варіант з коефіцієнтом поділу три повністю задовольняє всі вимоги.

3. Канал вимірювання струму через фотодіод . Узагальнена схема каналу подана на рисунку 2.5, у схемі принциповій вимірювального каналу інформаційно-вимірювальної системи ультрафіолетового випромінювання (рисунок 2.8) в канал вимірювання струму через фотодіодвходять наступні елементи – резисторизадання струму, подільник напруги на резисторахта конденсатор. При переході з режиму вимірювання струму короткого замикання у режим неробочого ходу фотодіодаперемикається перемикач, операційний підсилювачпереходить в режим насичення (напруга на виході зростає майже до 9 В) і через фотодіодпочинає протікати струм резисторів. Струм через резисторвідносно малий, адже значення опору цього резистора визначає коефіцієнт передачі вимірювальної схеми в режимі вимірювання струму короткого замикання (див. п. 1). А опір резистораможна розрахувати виходячи з необхідності задати через фотодіодструм близький до 1 мА при напрузі насичення операційного підсилювачарівній +9 В (гіпотетичний граничний випадок, коли напруга насичення операційного підсилювача рівна напрузі його живлення). За законом Ома можна записати

, (3.2)

де – напруга живлення операційного підсилювача;

–спад напруги на фотодіоді ;

–спад напруги на діоді .

Визначимо напруги в схемі при коефіцієнтах поділу подільника два і три, аналогічно до того, як це зроблено в п. 1. Результати приведено в таблиці 3.3.

Таблиця 3.3 – Напруги в точках схеми рисунка 2.8 при різних коефіцієнтах поділу подільника

Спад напруги на фотодіоді	Напруга на діоді	Коефіцієнт поділу	Напруга на виході
0,5 В	0,7 В	2	+3,1 В
0,8 В	0,7 В	2	+3,25 В
0,5 В	0,7 В	3	+2,07 В
0,8 В	0,7 В	3	+2,17 В

З таблиці 3.3 видно, що варіант з коефіцієнтом поділу два не задовольняє вимоги вимірювальної схеми – напруга на виході подільника перевищує діапазон перетворення аналого-цифрового перетворювача. В той же час варіант з коефіцієнтом поділу три повністю задовольняє всі вимоги.

Таким чином, вибираємо коефіцієнт поділу всіх подільників рівний трьом і уніфікуємо їх. Вибираємо таким чином резистори та.

Конденсатори виконують роль фільтра, тому вибираємо їх як найбільшої ємності при мінімальних габаритах. Такими є безкорпусні конденсатори поверхневого монтажу типуSMD-Cp-4-105, вибираємо . В такому випадку коефіцієнт поділу змінної складової, практично рівний коефіцієнту фільтрації, можна приблизно оцінити за формулою

, (3.3)

де – коефіцієнт фільтрації;

–реактивний опір конденсатора фільтра;

–частота завади.

Як видно з (3.3), коефіцієнт фільтрації, тобто зменшення амплітуди завади, досягає 23, тобто перевищує 20 дБ. Таке зменшення амплітуди завади не дає змоги заваді заводити вхідний підсилювач аналого-цифрового перетворювача в насичення і є в даному випадку достатнім.