Для подключения линейных датчиков к АЦП достаточно начальной математики

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2017

Robert F. Coughlin

Electronic Design

Добавление «интеллекта» к измерительным системам стало общепринятой практикой благодаря широкой доступности и дешевизне 8-разрядных микроконтроллеров, которые можно программировать на многих популярных современных языках высокого уровня (например, C или Basic). При этом основная проблема зачастую бывает связана с формированием нормализованного несимметричного выходного сигнала датчика, обеспечивающего использование полного размаха входного напряжения аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера.

С помощью начальной математики и системного подхода можно легко определить параметры необходимого оборудования и спроектировать его. Эта технология достаточно универсальна и может применяться ко всем линейным датчикам.

Рисунок 1.	Несколько простых уравнений позволяют легко сконструировать схему преобразования сигнала для подключения датчика температуры к микроконтроллеру.

Рассмотрим устройство, которое должно преобразовывать температуру от 0 °C до 50 °C в сигнал 0…5 В – распространенный диапазон входных напряжений 8-битных АЦП. Эта линейная система описывается следующим уравнением:

(1)

Если в качестве датчика температуры выбрать недорогой кремниевый диод 1N914A, мы сможем описать его поведение линейным выражением, типичным для подобных полупроводниковых датчиков температуры:

(2)

где V_T – падение напряжение на диоде, зависящее от температуры. Решая Уравнение 2 относительно температуры T, и подставляя это значение в Уравнение 1, мы получим расчетную формулу, описывающую электронную схему, необходимую для правильного подключения датчика к входу АЦП микроконтроллера:

(3)

Уравнение 3 показывает, что схема преобразования сигнала должна усилить V_T на –50 и сдвинуть это напряжение на 33.5 В. Реализовать такую расчетную формулу может схема, изображенная на Рисунке 1, поскольку ее характеристическое уравнение выглядит следующим образом:

(4)

Сопоставляя члены расчетного Уравнения 3 и характеристического Уравнения 4, выбор компонентов схемы можно упростить. Преобразование сигнала датчика при его прохождении через инвертирующий сумматор описывается двумя членами выражения, первый из которых

определяет коэффициент усиления, а второй

– смещение, которое должно быть сделано равным требуемому значению 33.5 В.

Выбрав R_NULL = R_I, вы сможете калибровать нулевую точку схемы при любой температуре. Прежде всего, измерьте напряжение V_NULL и 50-килоомным подстроечным резистором R_OFF установите его равным –670 мВ, что будет соответствовать отклику датчика при 0 °C. Затем при установившейся и известной температуре датчика (например, при 24 °C) 50-килоомным потенциометром R_F приведите выходное напряжение операционного усилителя в соответствие системному выражению:

V_O(24 °C) = (100 мВ/°C)×(24 °C) = 2.40 В.

Материалы по теме