Белай О.М. Информационно-измерительные системы. Методические указания к лабораторным работам

Подождите немного. Документ загружается.

- скоммутируйте на макетной плате схему согласно рис.50.

Во входной цепи оптрона VO1, для индикации наличия тока (Ii), последовательно с

ограничительным резистором Ra включен светодиод VD5. Для ограничения тока коллектора

выходного транзистора оптрона установлен резистор Rb. 1-ый канал электронного осциллографа

(Ch1, разъём XR6.7), используется для контроля входного сигнала (Ui), подаваемого на

светоизлучатель (светодиод) оптрона. Выходной сигнал (Uo), формируемый в

коллекторной цепи

фототранзистора оптрона поступает на 2-ой канал аналогового коммутатора (Ch2) через разъём

XR6.6.

Рис. 50

- на панелях [ADC_mode], [Regime], [Delay_ms] произведите соответствующие установки:

[ADC_mode / AB_8bit], [Regime / Oscillator], [Delay_ms / Zero];

При выборе значения [ADC_mode / AB_8bit], микроконтроллер будет поочерёдно, через

мультиплексор подключать к АЦП каналы Ch1 и Ch2;

- установите напряжение источника питания U

и частоту (F

) внешнего генератора

лабораторного стенда SSJKS1 согласно вариантов табл.13, установив форму Rectangular_Wave.

Амплитуда сигнала (U

) должна быть максимальной.

Табл.13

Номер

варианта,

№

, (V) F

(Hz)

Ra,(Om) Rb,(kOm)

Входной

ток

Ii,(mA)

Выходной

ток

Io,(mA)

1 2,0 80 270 5,1

2 3,0 120 330 5,6

3 4,0 150 360 6,2

4 2,0 180 430 6,8

5 3,0 220 470 7,5

6 4,0 250 510 8,2

7 2,0 280 530 9,1

8 3,0 300 560 10,0

- используя кнопку “CYCL” произведите запуск цикла измерения. После получения устойчивого

изображения исследуемого входного сигнала, остановите цикл измерения кнопкой “STOR” и

сохраните полученное изображение в формате *.bmp, пометив кадр №1 для данного пункта (см.

пример на рис.51).

Рис.51

- выделите блоком (кн.BYT#1 мыши) один период исследуемого сигнала (для двух каналов) и

сохраните, пометив кадр №2 (см. пример рис.52). Для центровки расположения рисунка в кадре,

удерживая кн.BYT#2 мыши можно перемещать график в поле экрана осциллографа.

Рис.52

Гальваническая развязка аналогового сигнала с применением транзисторного оптрона.

На рис.53 представлена схема исследования, в которой входным аналоговым сигналом

является ток (Ii), формируемый программируемым источником тока стенда SSJKS1. Во входной цепи

оптрона VO1, для индикации наличия тока (Ii), последовательно со светодиодом оптрона включен

светодиод VD5. В коллекторной цепи фототранзистора, последовательно с ограничительным

резистором Ra, для контроля выходного тока (Io) включен цифровой амперметр DT83x,

установленный на передней панели стенда

- скоммутируйте на макетной плате стенда SSJKS1 схему согласно рис.53.

- установите диапазон программируемого источника тока – [200 mA].

- установите диапазон измерения цифрового амперметра DT83x – [20 mA].

Рис.53

- задайте значения входного тока (Ii) согласно табл.14, и заполните её. Изменение входного тока

(Ii) контролируйте по яркости свечения светодиода VD5.

Табл. 14

Входной ток Ii,

(mA)

Выходной ток Io,

(mA)

Содержание отчёта

- привести данные практических замеров, осциллограммы, согласно варианта;

- сделать выводы по полученным осциллограммам (кадр № 2). Проанализировать сигналы Ch1,

Ch2 в отмеченных интервалах времени: t1-t2, t2-t3;

- используя данные табл.13, рассчитать входной (Ii) и выходной (Io) токи оптрона;

- построить зависимость выходного тока (Io) транзисторного оптрона от входного (Ii),

(

)

IiIo

;

- используя справочные данные, выпишите основные параметры оптронов, указанных в табл.15

(по вариантам). Дайте краткую характеристику выбранному прибору.

Табл. 15

№_ варианта Тип прибора

1; 5 AOT101

2; 6 AOД101

3; 7 K817

4; 8 MOC3020

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7.

Исследование датчиков. Термометры на P-N-переходах.

Цель работы: Исследование электрического интерфейса датчика температуры на P-N-

переходах с аналоговым выходом.

Теоретические сведения.

Эффект зависимости свойств P-N-перехода от температуры, нежелательный в большинстве

применений, можно с успехом использовать для измерения температуры. Датчики на P-N-переходах

характеризуются линейной зависимостью выходного сигнала от температуры, но, как и всякие

полупроводниковые устройства работоспособны только в ограниченном интервале температур. На

рис.54 изображена вольт-амперная характеристика кремниевого диода для средних значений токов

Рис. 54

Прямой ток диода определяется выражением:

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ΕΧΡ= 1

2kT

IsI

, (10)

где I – ток через диод; V – приложенное напряжение; Is – обратный ток насыщения (функция

температуры); k – постоянная Больцмана; q – величина заряда электрона; T – абсолютная

температура.

Транзистор также является хорошим датчиком температуры. При фиксированном токе

коллектора напряжение база – эмиттер (U

) транзистора линейным образом зависит от температуры,

т.е. так же, как и прямое напряжение на диоде (см. рис.55а).

Ube

Q1 Q2 Q3

Рис.55

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Vbe ln

, (11)

где Is - ток, зависящий от геометрии и температуры PN - перехода, Ic – ток коллектора. Это

соотношение справедливо начиная с нескольких сотен милливольт и не учитывает некоторые тонкие

эффекты.

В основе работы всех полупроводниковых температурных датчиков лежит соотношение

между коллекторным током биполярного транзистора и напряжением, приложенным к переходу

база-эмиттер.

Если мы возьмем N транзисторов, идентичных первому (см. рис.55b ) и предположим, что I

общий ток коллектора, поровну распределен между всеми транзисторами, то значение напряжения

база-эмитттер (Ube) будет определяться соотношением:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

•

IsN

Vbe ln

, (12)

Современные полупроводниковые датчики температуры характеризуются высокой точностью

и линейностью в диапазоне температур от - 55 до +150°С. Встроенные усилители могут приводить

коэффициент преобразования датчика до значений порядка 10 мВ/°С. Эти устройства широко

используются в узлах компенсации холодного спая для термопар, работающих в широком

температурном диапазоне.

Базовой и наиболее часто используемой в схемотехнике полупроводниковых термодатчиков

является ячейка Брока, в состав которой входят два транзистора (в качестве термодатчиков),

операционный усилитель и несколько токо-задающих резисторов (см. приложение-1 к ЛР).

Термодатчики с выходом по току и по напряжению.

Концепция, реализованная при построении вышеуказанной ячейки Брока, может

использоваться для реализации различных интегральных температурных датчиков, формирующих на

выходе зависимые от температуры токи или напряжения.

Например, датчики АD592CN и ТМР17P являются датчиками тока с крутизной

преобразования 1 мкА/К. Эти сенсоры не требуют дополнительной калибровки и выпускаются с

несколькими градациями точности. Ниже приведены их параметры:

- коэффициент преобразования - 1 мка/К;

- номинальный ток при 25°С - 298,2 мкА;

- диапазон напряжений - от 4 до 30 В;

- ±0,5°С - максимальная погрешность при 25°С, ±1°С - во всем

рабочем диапазоне (АD592CN);

- ±2,5°С - максимальная погрешность при 25°С, ±3,5°С - во всем

рабочем диапазоне (ТМР17Р);

- рабочий диапазон температур от -25°С до +105°С для АD592CN;

- рабочий диапазон температур от -40°С до +105°С для ТМР17Р;

TMP35, TMP36, TMP37 - низковольтные прецизионные температурные датчики. Они

вырабатывают выходное напряжение, пропорциональное температуре в градусах Цельсия.

TMP35 функционально совместим с LM35/LM45 и обеспечивает выходное напряжение 250

мВ при температуре 25°C. TMP35 измеряет температуру в диапазоне от 10°C до 125°C.

TMP36 способен измерять температуру в диапазоне от -40°C до +125°C, обеспечивает на

выходе напряжение 750 мВ при температуре 25°C, при этом при 2.7 В питании имеет максимальную

рабочую температуру +125°C. TMP36 функционально совместим с LM50. TMP35 и TMP36 имеют

коэффициент преобразования 10 мВ/°C.

TMP37 предназначен для измерения температуры в диапазоне от 5°C до 100°C и имеет

коэффициент преобразования 20 мВ/°C. TMP37 вырабатывает выходное напряжение 500 мВ при

температуре 25°C. При 5 В питании с ухудшенной точностью приборы способны работать при

температуре до 150°C.

Применение интегральных температурных датчиков:

- системы контроля параметров окружающей среды;

- термозащита;

- управление производственным процессом;

- пожарная сигнализация;

- системы слежения за состоянием источников питания;

- контроль температурного режима ЦП;

Датчики TMP35/TMP36/TMP37 выпускаются в 3-х выводных ТО-92, 8-ми выводных SOIC и 5-

ти выводных SOT-23 корпусах для поверхностного монтажа (см. рис.56).

рис.56

Ход выполнения работы.

На рис.57-58 приведена схема для исследования, представляющая ещё один пример

электрического интерфейса датчика температуры, сопряжённого с микропроцессором ATMega8PU

(DD1). В качестве измерительного элемента использован интегральный датчик TMP36 (DA1),

аналоговый сигнал с которого усиливается и преобразуется интерфейсом на операционных

усилителях DA2:1 и DA2:2, после чего поступает на вход встроенного АЦП (вывод [23] / U

TERM

_0)

микропроцессора DD1.

Для TMP-36 при температуре 25ºC выходное напряжение составляет U

TMP

= 750 mV. Датчик

обеспечивает приращение выходного напряжения ∆U

TMP

= 10 mV на 1ºC. Тогда температуре 0ºC

будет соответствовать напряжение U

TMP

= 750 mV - 250 mV = 500 mV.

Для реализации электрического интерфейса схемы измерения температуры использовано два

дифференциальных усилителя DA2:1 и DA2:2. Cигнал с датчика TMP36, пропорциональный

изменению температуры, поступает на ОУ DA2:1, который усиливается (масштабируется) под

диапазон АЦП, удобный для математических операций программы микроконтроллера. Для

согласования дифференциального входа каскада на ОУ DA2:1, сигнал с TMP (U

TMP

) предварительно

поступает на резистивный делитель R2, R3, R19. На выходе DA2:1 формируется сигнал:

)(

213

UUkU

−

, (13)

Рис. 57

Рис. 58

Каскад на ОУ DA2:2, выполняет роль вычитателя от значения U

опорного напряжения U

), и формирует сигнал U

TERM

_0) с таким условием, чтобы при температуре 0ºC значение U

TERM

_0) было равно нулю (0V).

)(

435

UUU

−

, (14)

5253

525,2_

RVU

•

= , (15)

Например, при k = 1 и U

= 500 mV, выходное напряжение интерфейса будет определяться:

= U

TERM

= (U3 – 500 mV). Выходное напряжение схемы будет увеличиваться на 10 mV при

возрастании температуры на 1ºC (см. табл.16).

табл.16

Температура

+T, ºC

Выходное напряжение

TERM

_0, (mV)

0 0

1 10

10 100

50 500

100 1000

В схеме интерфейса предусмотрена плавная регулировка (подстройка) опорного напряжения

) с помощью резистивного делителя R53, R52, на вход которого поступает эталонное

напряжение 2,5 V (U

_2,5V) с интегрального стабилизатора DA3 (TL431) (cм. Рис.58).

Для заданного диапазона входного сигнала АЦП, значение напряжения U

TERM

_0 на выходе

исследуемого интерфейса (в контрольной точке X1), примерно определяется выражением:

RFTMPTERM

UkUU

−

•

)(

, (16)

k - значение коэффициента усиления 1-го каскада (DA2.1) интерфейса;

%)5,2(5,0

−

•

kVU

, (17)

0,5V – значение U

TMP

(для TMP36) при температуре 0ºC, что соответствует значению U

TMP

500 mV;

2,5% – величина компенсации потерь на резисторах (R2, R19) делителя напряжения на выходе

датчика TMP36 (см. рис.58);

Исследование схемы интерфейса:

подключите датчик TMP36 (см. рис. 59) к плате микроконтроллера (см. рис. 60) к питающему

(XR5.2) и сигнальному (XR10) разъёмам.

Рис. 59

- подключите LCD-дисплей к питающему (XR5.1) и сигнальным (XR3_LCD, XR4_LCD)

разъёмам;

- подключите блок клавиатуры к разъёму XR8_KEY, XR14_LED;

- подключите питающие напряжения (+5V; -5V) к плате микроконтроллера через разъём (XR15) и

подайте питание;

Рис. 60

Порядок запуска программы измерения температуры:

- кнопкой “REGIM” пульта управления (см. рис.61) устанавливается циклический процесс

измерения температуры: “Warming mode”.

Рис.61

- кнопкой “START/STOP” осуществляется старт программы измерения. После чего на дисплее

появится сообщение: “Warming_t = xx,x ºC”, с индикацией значения измеряемой температуры.

Контроль эталонного значения комнатной температуры осуществляется с помощью

лабораторного спиртового (или ртутного) термометра.

Проверка контрольных точек интерфейса и сравнение с расчётными данными:

- подключите цифровой мультиметр DT83x: клемма (+) к контрольной точке опорного

напряжения (U

) - X4, клемма (-) к общему проводу (GND), и произведите замеры;

- подключите цифровой мультиметр DT83x: клемма (+) к контрольной точке (U

TERM

_0) – X1,

клемма (-) к общему проводу (GND);

- произведите нагрев датчика до температуры, указанной в табл. 17 (согласно варианта), и

произведите замер контрольной точки – X1;

заполните пункты вашего варианта в табл.17;

Табл. 17

Опорное напряжение в

KT_X4 / U

,(mV)

Напряжение в KT_X1 /

TERM

_0,(mV)

Номер

варианта,

№

расчётн. измеренное расчётн. измеренное

Эталонная

температура,

(

°C)

Температура

датчика,

(°C)

1 30

2 33

3 36

4 40

5 43

6 46

7 50

8 55