4. Вимір амплітуди сигналу
У вимірювальній техніці процедура виміру амплітуди сигналу припускає перетворення її значення в цифровий код з метою подальшого його використання або в обчислювальних обладнаннях (нагромадження інформації, обчислення середніх значень, формування сигналів керування об'єктом і т.д.), або для пред'явлення користувачеві у вигляді показань цифрових індикаторів.
У завданнях на курсове проектування передбачаються наступні варіанти розв'язків:
цифрова індикація результатів вимірів з використанням перетворення « напруга-частота» (U/f) або за допомогою інтегральних схем цифрових вольтметрів;
формування двійкового коду, пропорційного значенню амплітуди сигналу з використанням аналого-цифрових перетворювачів.
У першому випадку аналоговий сигнал представляється у вигляді послідовності імпульсів, частота проходження яких, пропорційна його амплітуді.
Функціональна схема подібного вимірника зображена на рис. 7.
Рис. 7. Функціональна схема подібного вимірника
Тут D – датчик, що перетворить значення вимірюваного параметру у якусь електричну величину, R(P) або U(Р) - перетворювальна схема, що формує вихідний сигнал у вигляді аналогової напруги U(P), що лінійно залежить від Р (у необхідних межах виміру). Обладнання вибірки зберігання ПВЗ забезпечує сталість значення U(P) у заданому тимчасовому інтервалі Т. Значення U(P) за допомогою перетворювача U/f перетвориться в послідовність прямокутних імпульсів частотою f (P), що підводяться через ключ & до рахункового входу схеми індикації.
Керування роботою схеми виміру здійснюється за допомогою таймера Т, що формує якусь тимчасову послідовність Т1, Т2 (рис. 8) ланцюг, що диференціює, ДЦ формує короткочасний імпульс, що забезпечує запуск ПВЗ і скидання лічильників схеми індикації.
Рис. 8. Керування роботою схеми виміру
У проміжку часу Т1 (коли на виході таймера Т присутня напруга високого рівня) ключ & відкритий, і імпульси послідовності f (P) надходять на вхід лічильника молодшого розряду схеми індикації, збільшуючи його вміст. Одночасно високий рівень Т1 забороняє засвічення індикаторів. У проміжку часу Т2 низький рівень на виході таймера замикає ключ & (рахунок припиняється) і дозволяє засвічення індикаторів, тобто вміст лічильників виводиться на індикацію.
Вибір часу Т1 визначається, з одного боку, залежністю від U(P) і тім значенням параметра Р, яке необхідно представити у вигляді результату виміру. Наприклад, вимірюваною величиною Р є тиск повітря й за допомогою датчика D і підсилювально-перетворювальної схеми отримане значення U(P) = 10 В, відповідне до тиску 700 мм рт.ст., причому U(P) лінійно змінюється в межах зміни тиску від 600 до 800 мм рт.ст. Схема перетворювача U/f забезпечує частоту f(P) = 10 кГц при подачі на вхід U(P) = 10 В. Період сигналу Т (Р) = 1/ (Р) = 0,1 мс і лінійно залежить від відповідних значень U(P), тобто від значень тиску в заданих межах його виміру. Для індикації значення Р у мм рт. ст. необхідно задати час рахунку Т1, рівне Т1 = 700 Тс(Р) = 700·0,1 мс = 70 мс; при цьому за час Т1 у лічильниках схеми індикації накопиться двійково-десяткове число, відповідне 700 (в десятинних одиницях) и у період Т2 забезпечиться засвітка вказаної величини. При необхідності забезпечить показання в мілібарах необхідно відповідним чином змінити (збільшить) тривалість Т1. Так як тиск повітря залежить від висоти, наведена схема може бути основою для побудування цифрового висотоміра, коли шляхом вибору значення Т1 можна получить показання в одиницях висоти, наприклад метрах. Час Т2, т. е. час спостерігання показаний обирається з ергономічних меркувань, частота надання показань спостерігачу повинна перевищувати значення 40 Гц.
Для побудови таймера розумно скористатися мікросхемою КР1006ВИ1, схема включення якої в режимі генератора послідовності Т1, Т2 наведена на рис. 9.
Рис. 9 Схема включення мікросхеми КР1006ВИ1
Значення Т1 = 0,69(R1 + R2)С1 і Т2 = 0,69 R2 С1 можна задавати в широких межах. Як видне Т1>Т2; для одержання послідовності Т2>Т1 слід інвертувати вихідний сигнал таймера за допомогою інвертора DD2. Амплітуда вихідного сигналу лежить у межах (5-15)В залежно від напруги живлення . Формування сигналу скидання лічильників схеми індикації здійснюється за допомогою ланцюга С3, R4, VD1, VD2. Звичайно його тривалість становить величину порядку 10 мкс і визначається значеннями С3, R4; VD1, VD2 – малопотужні кремнієві діоди. Для вибірки й запам'ятовування миттєвого значення аналогового сигналу в процесі перетворення його в частоту можна використовувати мікросхему ПВЗ КР1100СК2 (див. рис. 5). Перетворення напруги U(Р) у частоту fс(Р) можна здійснити за допомогою мікросхеми КР1108ПП1 або її аналогів (див. рис. 6). Іншим способом вистави амплітуди сигналу у вигляді показань цифрових індикаторів є застосування для цієї мети мікросхем цифрових вольтметрів, прикладами яких є вітчизняні КР572ПВ2 або КР572ПВ5 або їх закордонні аналоги. Схема включення КР572ПВ2, призначеної для роботи зі світлодіодними (LED) індикаторами із загальним анодом (ЗА), зображена представлена на рис. 10.
Рис. 10. Схема включення КР572ПВ2
Призначення входів мікросхеми наступні: Си – ємність інтегратора; Сг – ємність генератора; Rг – резистор генератора; Rи – резистор інтегратора; С – опорний конденсатор. Замість Rг, Сг між виводами 39 і 40 можна включити кварцовий резонатор. Зовнішній генератор підключається до виводу 40. Частота внутрішнього або зовнішнього генератора дорівнює 50 кГц. Цифровий відлік проводиться на 3, 5-декадному індикаторі в семисегментному коді. Шкали вимірюваного сигналу від 1,999 до 1999 мВ визначаються величиною опорної напруги. Стабільна опорна напруга задається як потенціал стоку транзистора КП103Е, що використовується як параметричний стабілізатор струму; для значень резисторів, зазначених на схемі, стоковий потенціал рівний 200 мВ (підбудовується резистором 100 Ом), а межа виміру 199,9 мВ. Ланцюг, що містить резистор на 10 Ом і ємність 1000 мкФ, призначена для затримки подачі напруги на індикатори щодо мікросхеми. Передбачене мережне й батарейне живлення . Вхідний опір аналогового входу – 20 МОм; час перетворення – 300 мкс (може бути зменшене шляхом збільшення тактової частоти); диференціальна нелінійність шкали – ±1%.
При збільшенні Uоп до 2,0 В межа виміру збільшується до 1999 мВ. При перевищенні Uвх верхньої межі вимірів (наприклад, значення 1999 мВ) показання індикаторів не змінюються; при Uвх менших 999 мВ старший розряд (103) індикатору гасне.
При використанні схем цифрових вольтметрів необхідно враховувати наступне. Якщо, як і в попередньому випадку, значення вимірюваного параметра Р становить 700 мм рт. ст., то для одержання показань у необхідних одиницях виміру подводима до входу напруга U(Р) = 700 мВ, а Uоп = 2,0 В; при цьому старший розряд індикатору можна не підключати (якщо U(Р) лежить у межах 600…800 мВ і відповідає зміні тиску в межах 600…800 мм рт. ст.). У такий спосіб при вимірах фізичних параметрів (тиску, температури, вологості і т.д.) за допомогою цифрових вольтметрів необхідно при синтезі вимірювальної схеми забезпечити точну відповідність між значеннями вимірюваного параметра Р у заданих одиницях виміру, значень U(Р), подводимого до входу мікросхеми, Uоп і розрядності індикаторів, що підключаються до її виходів.
Час перетворення для мікросхеми КР572ПВ2 визначає доцільність використання ПВЗ для запам'ятовування значення U(Р). Мікросхема КР572ПВ5 є аналогом КР572ПВ2, але призначає для використання з рідкокристалічними (LCD) індикаторами.
Для формування коду, пропорційного значенню амплітуди сигналу з метою введення його значень в обчислювальні (мікропроцесорні) обладнання доцільно використовувати функціонально завершені АЦП, здатні працювати в автономному режимі, тобто не потребуючі додаткових зовнішніх обладнань прийнятні значення, що й мають, часу перетворення (tnр), розрядність вихідного коду (n) і його рівні. Оптимальною комбінацією цих параметрів має мікросхема К1113ПВ1, що виконує функцію 10-розрядного аналого-цифрового перетворення одне або біполярного вхідного сигналу з виставою результатів перетворення в паралельному двійковому коді (рис. 11).
Рис.11. Мікросхема КР1113ПВ1
Запуск процедури перетворення здійснюється при подачі на вивід 11 низького рівня сигналу від зовнішнього таймера (t1). Через час, необхідне для перетворення t2 (tnр ~ 30 мкс), на вивіду 17 з'являється сигнал низького рівня й інформація надходить на цифрові вивіди в інтервалі часу t2…t3 дозволяється читання вихідного коду. У момент часу t3 (високий рівень на 11) інформація стирається й АЦП підготовляється до нового циклу (рис. 12).
Рис. 12. Цикл роботи мікросхеми
Перетворювач може працювати з однополярними (позитивними) вхідними сигналами Uвх max =11 В и двополярними (± 5,5 В). У першому випадку вхід 15 не використовується, у другому заземлюється. Особливістю мікросхеми КР111ЗПВ1 є відповідність рівнів вихідних (вивіди 1…9, 18 і 17) і вхідних (вивід 11) сигналів ТТЛ ИС.