Projekt - Voltmetr Přednáška 3 - část A3B38MMP, 2015 J. Fischer kat. měření, ČVUT - FEL, Praha A3B38MMP, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 1
Náplň Projekt Voltmetr Princip převodu Obvodové řešení Odladění A3B38MMP, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 2
Úloha voltmetr zadání Voltmetr s dvojsklonnou integrací řízený 8051 Parametry: Vstupní rozsah: 0 až -2 V (Polarita vstupního napětí- záporná) Rozlišovací schopnost: min. 0.2 mv případně lepší Chyba měření : max. 1 mv Doba integrace Ux : celistvý násobek 20 ms Napájecí napětí operačních zesilovačů : +5V a -5 V Programová korekce chyby nuly a měřítka Zobrazení výsledku měření: prostřednictvím RS-232 na PC A3B38MMP, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 3
Princip analogo - číslicového převodu integrátor komparátor R int C int R k U - + R U + - 1 U int D 1 U komp INT0 u 2 (t) U komp <0 T 1 T 2 t int 1 uint = ux( t) dt R C U X int = U int R T T T 0 2 1 1) Integrace neznámého napětí po konstatntní dobu T 1 2) integrace ref.napětí, měření doby T 2 potřebné pro dosažení U int = 0 A3B38MMP, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 4
Součástky použité pro stavbu voltmetru Cint= 220 nf kvalitní, foliový typ ( terylen,..) s malou dielektrickou absorpcí T 1 = k * 20 ms (20, 40, 60 ms), T 2 max = 70 ms TL084 oper. zesilovač, JFET, vstupní proudy pod 100 pa, napěťová nesymetrie pod 5 mv použit i jako komparátor, využito napájení + 5 V, - 5 V (Pozor - nekoretní chování operačního zesilovače (použitého jako komparátor) při U vst. = +U CC, viz. heslo phase reversal, (řešení povolit napětí na vstupu pouze v omezené velikosti U vst. = (- U CC -1 V) až (+U CC -1 V) A3B38MMP, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 5
Součástky použité pro stavbu voltmetru OP482 Analog Devices 4x JFET op. zesil, zapojení vývodů shodné s TL084 Pozor- chybový jev Phase reversal u OP482 přivedení záporného napětí na vstupblížícího se zápornému napájení, může způsobit chybnou funkci a nekorektní chování (otevření přechodu PN v JFET) A3B38MMP, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 6
Analogový multiplexer 74HCT4052 74HCT4052 - multiplexer 4 x 2 póly vstupy 0X, 1X, 2X, 3X propojeny s výst. X-COM, podle stavu řídicích vstupů B, A, INHIBIT= L pro aktivaci multiplexeru = L, U EE = - 5 V, U CC = + 5 V A3B38MMP, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 7
Analogový multiplexer ADG409 ADG409 specializovaný analogový multiplexer 4 x 2 póly Oproti 74HCT4052 může mít větší rozsah napájecích a tím i vstupních napětí Vstupy S1A až S4A, ( S1B až S4B) propojeny s výst. DA ( DB) podle stavu řídicích vstupů B, A, EN (enable) = H pro aktivaci multiplex.= 1, (H) opačně, než u 74HCT4052) GND- zem, U SS = - 5 V (až - 15 V) U DD = + 5 V (až + 15 V) A3B38MMP, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 8
Napěťová reference TL431 +5V R R =2,49V K TL431 A REF + C B TL431 (LM431), napětová reference 2,54 V A -anoda - na GND, K -katoda, REF spojit, blokovat paralelně elektrolytickým kondenzátorem C = 22 uf. pohled na pouzdro shora (vývody jsou na opačné straně) pouzdro stejné jako tranzistory A3B38MMP, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 9
Zapojení pro oživení obvodu R int C int Rk - U + R U + - U 1 Z D 1 Rp u komp D 2 Rz t /INT0 zpětná vazba, přepínač do polohy U Z na vstup integrátoru z hlediska stejnosměrného - záporná zpětná vazba, veliké zesílení, může se rozkmitat (podle velikosti R z a zesílení OZ) výst. integrátoru - malé kmity, rozkmit jednotky mv U int = 1 až 2 mv, HW - OK U int U int rozvětšený detail rozkmit 1-2 mv t t R z - pro omezení velikosti kladné hodnoty U Z na + 0,7V (pozor -TL084 při + 5V - 5V na vstupu - nesprávná funkce jako komparátoru!!!) A3B38MMP, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 10
Volba velikosti integrační konstanty integrátor C int = 220 nf, určení R int R int U 1 - + C int U int T 1 - volba 20, 40, 60 ms (násobek 1/50 Hz) vysvětlení? viz. před. el. měření u 2 (t) U 2max Výstup integrátoru nesmí být v saturaci volba U 2max, zde do 3V (při napájení + / - 5 V) T 1 T 2 int 1 uint = ux( t) dt R C int int T 0 A3B38MMP, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 11
Možné varianty zapojení (H) (L) GND +5V <0 R R K TL431 A 74HCT4052 REF + - + R 1 =2,49V C B B,A U 1 R int U P C int - + + - R 2 U Z U P =10 až 20 mv TL084 D 2 Rk D 1 Rz INT0 "analogová zem" - spojit do jednoho bodu "číslicová zem" Korekce chyby nuly - měření napětí na GND -nula Napěťová nesymetrie OZ, náhodná polarita, umělé zavedení posunu asi 10 mv, pomocí R 1, R 2, posun větší, než velikost vstupní napěťové nesymetrie OZ (offset) A3B38MMP, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 12
Korekce chyby nuly a měřítka Programová korekce chyby nuly, změřit napětí na GND a odečíst, chyby měřítka - kalibrace, přivést známé napětí na vstup, změřit a určit kalibrační konstanty, uložit do vnitřní paměti EEPROM po zapnutí přístroje - načtení konstant z paměti, A3B38MMP, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 13
Analogová a číslicová zem v obvodu Hi Lo vstup R Z1 I Z1 = 0 RZ3 I Z3 - proměnný Z2 = 0 U I Z2 = konst RZ1 = 0 I Z3 > 0 Aby V- metr měřil skutečně neznámé napětí (a ne úbytky vzniklé spádem napětí na vnitřních odporech při průchodu proudu), je nutno oddělit analogové - a číslicové země Zjednodušeně - napájecí a další impulsní proudy v číslicové části nesmí procházet po zemních vodičích měřicí části. A3B38MMP, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 14
Způsob řízení integrátoru čítač přednastavit 0 - N 1 u 2 (t) <0 > 0, u int pod nulu připnout U x čekání na letmý start T 1 T 2 t přetečení, přerušení přepnout na, a čekat U komp čítání přetečení čítače na U komp =0 0- N 1 FFFF 0000 N 2 Hradlování čítače vstupem INT0 ( jako u úl. Ohmetr) N 1 odpovídá T 1, N 2 odpovídá T 2 jistá prodleva- reakce na přerušení, přepnutí mux, minimalizace působení - volbou delší T int = 60 ms. Po přetečení čítač čítá dále až do N 2, U komp =0, SW dotaz, polling, nebo INT0. A3B38MMP, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL 15