Лабораторная «Вариант задания: 1. Наибольшее значение измеряемой температуры...»,
Цифровые трансформации информационные технологии в Нижнем Новгороде

Вариант задания: 1. Наибольшее значение измеряемой температуры объекта Tнб= 400 oC 2. Разрешающая способность измерения температуры объекта D=60 дБ 3 Наибольшая частота полосы пропускания канала измерения температуры fнб=10Гц Для выбранного варианта задания рассчитайте аналогово-цифровой информационный канал, предназначенный для измерения температуры в технологическом объекте. Для этого необходимо: 1. Выбрать датчик температуры; 2. Рассчитать требуемые параметры аналогово-цифрового преобразователя (АЦП); 3. Выбрать АЦП, привести его основные данные и краткое описание 4. При необходимости выбрать источник опорного напряжения для АЦП; 5. Рассчитать коэффициент усиления дополнительного согласующего каскада; 6. Начертить функциональную схему канала и привести ее краткое описание. РЕШЕНИЕ 1. Для измерения температур 100-650 оC в качестве датчиков температур широко применяются термопары. Наименьшей нелинейностью преобразования в этом диапазоне обладает хромель-алюмеливая термопара ТХА. Недостатком ТХА является относительно низкая термо-ЭДС, генерируемая термопарой в диапазоне температур 100-650 оC. Поэтому в информационном канале между датчиком и АЦП следует использовать усилитель постоянного тока. Выбираем ТХА в качестве датчика температуры для проектируемого аналогово-цифрового информационного канала. Градуировочная характеристика этой термопары приведена в приложении 3. 2. Далее рассчитаем необходимую разрядность и время преобразования АЦП. Требуемая разрядность АЦП N рассчитывается по формуле: , где Int – функция отбрасывания дробной части числа; D - разрешающая способность измерения температуры, дБ. Требуемая частота дискретизации аналогового сигнала (fд, Гц) АЦП: где fнб - наибольшая частота полосы пропускания измерительного канала, Гц. 3. В соответствии с предъявленными в п. 2 требованиями из справочных данных приложения 1 выберем АЦП выберем АЦП AD7170. Это 12 разрядное сигма-дельта АЦП с последовательным двухпроводным SPI совместимым интерфейсом. AD7170 – 12-разрядный сигма-дельта АЦП, имеющие миниатюрные размеры, низкий уровень шумов и малое потребление. АЦП предназначен для использования в промышленном и медицинском приборостроении. Преобразователь имеет максимальную частоту дискретизации 125 Гц, генерирует шумы меньшего уровня, имеет ток потребления не более 110 мкА, что на 25% меньше потребления ближайших аналогов, и содержит встроенный генератор тактовых импульсов. Он может использоваться в приборах и системах с батарейным питанием, имеет спящий режим с током потребления до 5 мкА, что позволяет увеличить ресурс батарейного питания. 4. В качестве источника опорного напряжения выберем (приложение 2) , AD1582, рекомендованного для используемого АЦП. Выходное напряжение этого ИОН составляет Uref= 2,5 В. Таким образом, напряжение на входе АЦП соответствующие полной шкале преобразования для AD7170 составляет (Uп, В): 5. Рассчитаем коэффициент усиления дополнительного согласующего каскада. Для этого по градуировочной характеристики ТХА (приложение 3) определим термо-ЭДС (Eт, В), соответствующую наибольшему значению измеряемой температуры Tнб=400 оС: ЕТ = 16,4 мВ Далее рассчитаем требуемый коэффициент усиления входного усилителя: 6. На приведенном ниже рисунке представлена функциональная схема аналогово-цифровой информационный канал. Этот канал обеспечивает измерение температуры в технологическом объекте, оцифровку измеренных данных и последующую их передачу в микроконтроллер. Датчиком температуры в канале служит термопара ВТ1. Для уменьшения шумов в канале сигнал от термопары фильтруется фильтром нижних частот (ФНЧ), затем сигнал усиливается в масштабном усилителе К и поступает на вход АЦП. В этом АЦП последовательно осуществляются операции дискретизации, квантования и кодирования входного сигнала. Полученный в результате этих операций код поступает по последовательному SPI интерфейсу на микроконтроллер. Для обеспечения работоспособности АЦП используется источник опорного напряжения ИОН.