Рисунок 10.51

Коэффициент усиления этого усилителя определяется выражением, вывод которого предоставлен ниже:

Будем считать, что ИМСОУ (DA1) близка к идеальной. Тогда:

Кu.имсоу®¥;(10.28)

Rвх®¥;(10.29)

Rвых®¥.(10.30)

Выходное напряжение рассматриваемого усилителя определяется выражением:

Uвых = Uос + DU + Uвх = Iос R2 + DU +Uвх.(10.31)

При выполнении (10.28) DU®0, тогда (10.31) примет вид:

Uвых = Uос + Uвх = Iос R2 + Uвх.(10.32)

Поскольку при выполнении условия (10.29), ток Iи®0, то Iос=IR1. Подставляя последнее в (10.32), получим:

Uвых = IR1R2 + Uвх.(10.33)

Для определения значения IR1 запишем выражение, связывающее Uвх, DU и UR1:

Uвх = DU + UR1 = DU + IR1R1.(10.34)

Последнее с учетом (10.28) примет вид:

Uвх = IR1R1.(10.35)

Отсуда получим и, подставляя его в (10.33), запишем:

Uвых = ·R2 + Uвх = Uвх(),(10.36)

откуда коэффициент усиления:

.(10.37)

В свою очередь значение резистора R3 рассчитывается по формуле:

.(10.38)

Задаваясь значением резистора R1 и из формулы (10.38), получим выражение для расчёта R2 по известному значению коэффициента усиления Ku:

. (10.39)

Рассчитываем требуемое значение коэффициента усиления

Задаемся значением резистора R1=10 кОм и определяем величину резистора R2: R2=(11,1-1)·10 кОм=101 кОм.

В соответствии с номинальным рядом стандартных значений резисторов Е192 принимаем R2=101кОм.

Рассчитываем значение резистора R3: кОм.

Принимаем R3=9,1кОм .

10.6.2 Выбор ФНЧ

При вводе сигналов, снимаемых с датчиков в виде аналоговых напряжений, часто необходимо исключать прохождение высокочастотных помех на вход АЦП, которое формирует цифровой сигнал для микропроцессорного устройства обработки информации. Для этого используют активные фильтры нижних частот (ФНЧ).

На рисунке 10.52 приведены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) идеального и реального ФНЧ.

Рисунок 10.52

Диапазон или полоса частот, в которых сигналы проходят с минимальным затуханием, называется полосой пропускания, а диапазон, в котором сигналы подавляются, образуют полосу задерживания. Более толстой линией на рисунке 10.52 показана логарифмическая АЧХ идеального ФНЧ с полосой пропускання 0£ω£ωc и полосой задерживания ω>ωc. Частота ωc между этими полосами называется частотой среза. Значение А, дБ, идеального ФНЧ в полосе пропускания равно А0, а в полосе задерживания – нулю. На практике невозможно реализовать эту идеальную характеристику, поскольку потребуется сформировать очень узкую переходную область.

АЧХ реальных АФ ближе приближаются к идеальным для фильтров более высокого порядка. Однако, повышение порядка связано с усложнением схем и более высокой стоимостью.

Основная проблема при проектировании фильтра заключается в приближении реальной АЧХ с заданной степенью точности к идеальной при наименьших затратах. Пример такой реальной характеристики показан на рисунке более тонкой линией.

На практике должны быть определены и четко разграничены полосы пропускания и задерживания. В качестве полосы пропускания выбирается диапазон частот, где значение АЧХ больше или равно некоторого, заранее выбранного числа, обозначенного А1, а полосу задерживания образует диапазон частот, в котором амплитуда меньше определенного значения, например, А2. Интервал частот, в котором характеристика постоянно спадает, переходя от полосы пропускания к полосе задерживания, называется переходной областью. Изображенная на рисунке 10.52 АЧХ реального фильтра имеет полосу пропускания в диапазоне частот 0£ω£ωc, полосу задерживания в диапазоне ω£ωc и переходную область в диапазоне ωc£ω£ω1.

Одной из основных задач, решаемых при проектировании АФ, является отыскание аналитической аппроксимирующей функции, которая с требуемой точностью воспроизводит заданную по условиям АЧХ.

Существует несколько типов стандартных типов фильтров, которые могут использоваться для аппроксимации заданных АЧХ проектируемых АФ: фильтры Баттерворта, Чебышева, инверсные Чебышева и эллиптические.

Фильтры Баттерворта обладают монотонной (максимально плоской ) АЧХ; АЧХ фильтра Чебышева содержит пульсации (колебания коэффициента передачи) в полосе пропускания и монотонна в полосе задерживания; АЧХ инверсного фильтра Чебышева монотонна в полосе пропускания и обладает пульсациями в полосе задерживания, а АЧХ эллиптического фильтра обладает пульсациями как в полосе пропускания, так и в полосе задерживания.

Одним из основных методов проектирования АФ, у которых значение порядка n>2, являются каскадное соединение звеньев 1-го и 2-го порядков, что позволяет получить фильтр любого высокого порядка.

Как видно из рисунка 10.53 каскадное соединение фильтров 1-го и 2-го порядков дает фильтр 3-го порядка, каскадное соединение двух фильтров 2-го порядка дает фильтр 4-го порядка и т.д. Увеличивая число соединяемых фильтров 1-го и 2-го порядков, можно получить фильтр любого нужного нам порядка.

Рисунок 10.53

Фильтры четных порядков строятся из n/2 каскадов 2-го порядка, где n- порядок фильтра. Суммарный коэффициент передачи АФ, собранного каскадным соединением фильтров 1-го и 2-го порядков, равен произведению коэффициентов передачи исходных звеньев.

Существует несколько способов схемной реализации АФ: на ИНУН, биквадратный фильтр и другие.

Одной из наиболее простых схем АФ, реализующей требуемые передаточные функции отдельных звеньев фильтра, является схема с многопетлевой обратной связью (МОС) (рисунок 10.54).

Рисунок 10.54

Схема имеет такое название потому, что она содержит два пути прохождения сигнала обратной связи: через резистор и через конденсатор.

Фильтр с МОС имеет хорошую стабильность характеристик, низкое входное сопротивление и может эффективно применяться для значений коэффициента усиления, не превышающего 10.

На кафедре АУТС разработан пакет прикладных программ для расчета активных фильтров, который может быть использован в данной работе. В качестве схемы выбран фильтр с МОС.

10.6.3 Расчет ФНЧ

Исходные данные для расчета:

АЧХ ФНЧ должна быть монотонной в полосе пропускания и в полосе задерживания.

Коэффициент усиления К=1.

Частота среза fc=10Гц.

Максимальное затухание в полосе пропускания a1=3дБ.

Минимальное затухание в полосе задерживания a2=20дБ.

Ширина переходной области Тwнч=10Гц.

Эти данные были введены в программу расчета фильтра, которая определила, что заданным значениям удовлетворяет фильтр Баттерворта 4-го порядка. Его принципиальная схема показана на рисунке 10.55 и включает два звена 2-го порядка, реализованные на ИМС ОУ: DA1,DA2.

Рисунок 10.55

Расчетный порядок фильтра – 4.

Добротность: звено1 – 0.541196, звено2 – 1.306563

Значения элементов:

звено1: R1=34,8 кОм; R2=34,8 кОм; R3=1,74 кОм; С1=422 нФ; С2=1 мкФ;

звено2: R4=82,5 кОм; R5=82,5 кОм; R6=41,2 кОм; С3=73,2 нФ; С4=1 мкФ.

На рисунке 10.56 приведены характеристики: отдельных звеньев ФНЧ; АЧХ идеального ФНЧ, соответствующая расчетным значениям его компонентов без их округления; АЧХ реального ФНЧ, соответствующая реальным значениям компонентов схемы, полученным после их округления к конкретному стандартному ряду электронных элементов Е96.

1,3,5 – реальные характеристики всего фильтра, 1-го и 2-го звеньев

2,4,6 – теоретические характеристики всего фильтра, 1-го и 2-го звеньев

Рисунок 10.56

10.7 Разработка схемы алгоритма и управляющей программы

Неотъемлемой частью любой микропроцессорной системы является управляющая программа, которая обеспечивает выполнение системой заданных функций.

На рисунке 10.57 приведена схема алгоритма работы ЛМПСУ, структура которой показана на рисунке 10.1.

В начале производится начальная инициализация ведомой ОМЭВМ, включающая начальные установки, программирование таймеров, последовательного и параллельного портов, системы прерываний.

Затем обрабатывается первый (индекс 0) канал трехканальной системы сбора, обработки информации и управления. Это происходит в том случае, если отсутствует прерывание от установки флага RI=1 ведомой ОМЭВМ (входной буфер приемника последовательного канала полон). RI=0 отражает отсутствие необходимости удаленного управления, которое заключается в получении ведомой ОМЭВМ команды от микро ЭВМ более высокой ступени иерархии.

Значение контролируемого параметра 1-го канала (в нашем случае – расход газа) через аналоговый мультиплексор и устройство выборки-хранения, встроенные в микросхему MAX154, поступит на вход АЦП этой микросхемы.

Затем формируется сигнал запуска АЦП, ожидается окончание преобразования и после его завершения информация о текущем значении контролируемого параметра вводится в ОМЭВМ. Здесь это значение сравнивается с заданным, в результате чего вырабатывается сигнал рассогласования, который поступает на цифровой ПИД-регулятор, реализованный программно, и предназначенный для обеспечения требуемого качества процесса управления.

С выхода регулятора снимается управляющее воздействие, которое через параллельный порт ОМЭВМ выводится сигналом  – запись в предварительно выбранный регистр – защелку четырехканального ЦАП MAX506.

Цифровое значение, сохраненное в регистре, непосредственно цифро-аналоговым преобразователем, выполненном на матрице R-2R и операционном усилителе, преобразуется в аналоговую величину – напряжение, которая выдается на соответствующий исполнительный элемент.

После завершения обработки первого канала формируется сигнал сброса для АЦП и аналогично обрабатываются второй канал – измерения давления, а затем третий – измерения температуры.

Если после этого работа системы не завершена, то управление вновь передается обработке 1-го канала и т.д.

Если перед очередным циклом обработки появляется сигнал необходимости удаленного управления, то основная программа прерывается и управление передается подпрограмме, осуществляющей взаимодействие с микро ЭВМ более высокого уровня.

Рабочая управляющая программа, реализующая данный алгоритм на языке Ассемблер ОМЭВМ МК51 приведена в таблице 10.7.

Рисунок 10.57

Таблица 10.7 – Рабочая управляющая программа

На рисунке 10.58 дана схема электрическая принципиальная ЛМПСУ, реализующая описанную выше задачу

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Цифровая и вычислительная техника. Э.В.Евреинов и др. Под редакцией Э.В. Евреинова. Москва: Радио и связь, 1991. -464с.:ил.

2 Электронные промышленные устройства :Уч. для студ. вузов спец. "Промышленная электроника" В.И. Васильев, Ю.М. Гусев, В.Н. Миронов и др. –М.: Высшая школа, 1988.-303стр.:ил.

3 Руденко В.С. и др. Приборы и устройства промышленной электроники. В.С. Руденко, В.И. Сенько, В.В. Трифонюк (Библиотека инженера ) К.: Техника, 1990. -368cтp.

4 Токхейм Р. Основы цифровой электроники :Пер. с англ. -М.: Мир, 1988. - 392стр.ил.

5 Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е издание, перераб. и дополн. –Л.:Энергоатомиздат. Ленингр. Отделение, 1988.-304стр.: ил.

6 Браммер Ю.А., Пащук И.Н., Импульсная техника .-К.: Высшая школа , 1985.-320стр: ил.

7 Зубчук В.И. и др. Справочник по цифровой схемотехнике /В.И. Зубчук, В.П. Сигорский, А.Н. Шкурко.-К.:Техника, 1990.-448стр.

8 Тули М. Справочное пособие по цифровой электронике:Пер. с англ.-М.: Энергоатомиадат, Ленингр. отделение, 1990. 176стр.: ил.

9 Димитрова М.И., Пунджев В.П. 33 схемы с логическими элементами И-HЕ: Пер. с болг.-Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1988. 112стр.:ил.

10 Федорков Б.Г., Телец В.А. Мкросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. -М .Энергоатомиздат, 1990. -320стр.:ил.

11 Цифровые интегральные микросхемы: Справочник /П.П. Мальцев, Н.С. Долидзе, М.И. Критенко и др. –М.: Радио и связь, 1994.-240стр : ил.

12 Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н.. Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справ. Пособие.-3-е изд., перераб. и доп.-М . Радио и связь, 1989 240стр.:ил.-(Массовая радиобиблиотека: Вып. 1143).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33