В статье описывается простейшая система одновременной передачи по цепи питания сигналов от двух датчиков, удаленных от приемной станции на значительное расстояние. Рассмотрены некоторые варианты использования датчиков температуры и освещенности. Приведены краткие рекомендации по настройке системы.
В какой-то мере эта статья является продолжением статьи [1], поскольку продолжает тему нестандартного использования микросхемы контроллера импульсных источников питания TL494. В статье [1] при описании базовой схемы было сказано, что эта схема «может быть использована для удаленного контроля двух параметров и передачи полученной информации по линии питания на значительное расстояние».
В основе системы передачи данных, описываемой в этой статье, лежит классическая «токовая петля», которая теоретически не ограничивает расстояние передачи данных по двухпроводной линии.
На Рисунке 1 показана упрощенная схема передачи сигнала от датчика по линии питания.
 |
|
| Рисунок 1. | Упрощенная схема передачи сигнала от датчика по линии питания. |
Изменение сопротивления резистивного датчика RD, вызванное изменением контролируемого параметра, преобразуется в частоту конвертором Т1.
Выходной сигнал конвертора управляет ключом S1, периодически замыкающим цепь питания через DZ2 и R2, вызывая в ней импульсы тока. Эти импульсы тока, проходя через резисторы нагрузки RL1 и RL2 на приемной станции, вызывают на них соответствующее падение напряжения, которое может быть использовано для регистрации состояния контролируемого параметра. Как и во всех схемах, где токовая петля используется для питания передатчика, напряжение, снимаемое с резисторов нагрузки RL1 и RL2, имеет постоянную составляющую, что необходимо учитывать при проектировании приемной части.
Резистор R2, включенный последовательно со стабилитроном DZ2, в принципе не обязателен, однако он играет роль своеобразного предохранителя, ограничивая ток через DZ2 при повышении напряжения в линии, поэтому он показан даже на упрощенной схеме.
Для проверки работоспособности системы передачи данных использовалась модель линии связи с элементами, имеющими следующие значения: RМ = 5 Ом; CМ = 10 нФ; LМ = 50 мкГ.
Перед подготовкой статьи к публикации последовательно с моделью линии были включены две 50-метровые бухты провода ТРП-0.5, не оказавшие существенного влияния на форму импульса и его амплитуду. Проверена работа на частотах до 10 кГц, однако наилучшая форма принимаемого сигнала соответствует частотам до 2 кГц.
Как известно, для подобных систем действует правило: чем больше расстояние передачи данных, тем ниже должна быть частота сигнала и выше питающее напряжение. Такие системы использовались в начале прошлого века для передачи телеграфных сообщений между городами на расстояние десятков и даже сотен километров. Наши амбиции так далеко не заходят, однако, используя провод с малой емкостью между жилами, например тот же дешёвый ТРП-0.5, а лучше военно-полевой провод П-274М, можно уверенно передавать сигнал на расстояние нескольких сотен метров.
На Рисунке 2 представлена принципиальная схема простейшей системы получения информации от удаленных датчиков.
 |
|
| Рисунок 2. | Принципиальная схема простейшей системы получения информации от удаленных датчиков. |
Обработкой сигналов от датчиков и формированием выходного сигнала занимается микросхема ТL494. На Рисунке 2 показаны три возможных способа подключения датчиков к входным контактам ТL494. Стрелки перед датчиками указывают на направление изменения в состоянии датчиков, при котором выходные параметры растут в сторону увеличения.
При уменьшении сопротивления датчика RD1 увеличивается коэффициент заполнения выходной последовательности. При уменьшении сопротивления датчика RD2 или емкости датчика CD1 частота выходного сигнала возрастает. Поскольку коэффициент заполнения и частота сигнала независимы друг от друга, появляется возможность одновременно передавать два сигнала. Например, изменения коэффициента заполнения будут соответствовать изменению температуры, а изменения частоты будут соответствовать изменению освещенности или влажности.
Поскольку внутренняя структура и работа микросхемы TL494 хорошо известна, останавливаться на этом моменте мы не будем и перейдем к описанию приемника сигналов от датчиков. Как видно из Рисунка 2, в схеме используется асимметричная токовая петля, где полезный сигнал снимается с резистора нагрузки R4 в верхнем плече. Постоянная составляющая тока в петле колеблется при указанных на схеме значениях резисторов R2, R3 и R4 между значениями 1 В при напряжении источника 11 В и 1.4 В при напряжении питания 14.7 В. Для компенсации постоянной составляющей в эмиттер транзистора VT1 включен красный светодиод LED1, падение напряжения на котором составляет около 1.4 В. На Рисунке 3 показана форма сигнала на резисторе R4 при напряжении батареи 12.8 В.
 |
|
| Рисунок 3. | Форма сигнала на резисторе R4 при напряжении батареи 12.8 В. |
Нагрузка в коллекторе VT1 состоит из двух ветвей. Резистор R7 и стабилитрон DZ2 осуществляют фиксацию уровня сигнала для согласования с регистратором, а R6 улучшает форму выходных импульсов.
Если регистратором служит микроконтроллер, напряжение стабилизации DZ2 должно быть равно 3.3 В. При необходимости гальванической развязки регистратора от системы передачи данных вместо стабилитрона DZ2 нужно включить светодиод оптрона.
В простейшей системе передачи сигналов используется аналоговый регистратор. Для работы аналоговых приборов важнейшим условием является стабильное напряжение питания, поэтому сигнал для измерения коэффициента заполнения берется непосредственно со стабилитрона DZ2, а для питания аналогового частотомера, выполненного на ждущем мультивибраторе CD4098B, используется стабилизация питания (резистор R9 и стабилитрон DZ3). Импульсы фиксированной длительности 100 микросекунд усиливаются по току транзистором VT2 и через ограничивающие резисторы подаются на микроамперметр, который в этом случае показывает частоту входного сигнала. В качестве показывающего прибора использован стрелочный микроамперметр c током полного отклонения стрелки 100 мкА. Шкала прибора может быть проградуирована в единицах измеряемого параметра (температуры, влажности и т.д.).
Для оценки точности преобразования был проведен эксперимент по использованию в качестве показывающего устройства микроамперметра М1102 класса 0.2. Погрешность измерения частоты не превышает одного - полутора делений шкалы в диапазоне 150-2000 Гц. Измерение коэффициента заполнения в этом диапазоне частот также не выявило существенной погрешности, но тут надо понимать, что при работе со стрелочными приборами, как и в квантовой механике, результат зависит от позиции наблюдателя 
.
Перед настройкой системы в целом следует настроить отдельно передающую часть, определиться с диапазонами измеряемых физических величин и согласовать их с частотами и коэффициентом заполнения выходной импульсной последовательности. Затем при помощи инструментальных методов откалибровать датчики, составить таблицы соответствия выходных параметров входным. Для этого могут потребоваться точные термостаты, люксометры и гигрометры.
Проверка работы системы в целом состоит из нескольких простых операций.
- Если кабель (провод), который должен будет соединить приемник и передатчик, уже проложен, то желательно измерить его параметры: сопротивление жилы кабеля, емкости между жилами и, если есть возможность, то и индуктивности. После чего собрать на рабочем столе модель длинной линии и подключить к ней приемник и передатчик. Если кабель еще не проложен, но есть в наличии, налаживаем систему, подключив приемник и передатчик к концам кабеля.
- Подаем питание 12 В и убеждаемся в наличии генерации в линии. Изменения состояния датчиков должны сопровождаться изменением соответствующих характеристик генерируемой импульсной последовательности – частоты и (или) коэффициента заполнения.
- Закорачиваем выводы коллектора и эмиттера выходного транзистора микросхемы TL494 и контролируем уровень напряжения в точке «а», постепенно понижая величину питающего напряжения. При напряжении источника питания 11 В напряжение в точке «а» должно быть от 7.2 до 7.5 В. Это гарантирует стабильную работу микросхемы TL494.
- Проверяем наличие на коллекторе VT1 прямоугольных импульсов с плоской вершиной и основанием; фронт импульсов должен быть не хуже 4 мкс. Если это не так, ищем причину и устраняем ее.
Настройка аналогового регистратора:
- Резистор R7 отсоединяем от коллектора VT1 и подаём на него прямоугольные импульсы с амплитудой 10 В, частота которых может изменяться от нуля до максимальной рабочей частоты передатчика, а коэффициент заполнения от 0 до 100%.
- Сначала проверяем показания прибора при измерении коэффициента заполнения, установив максимальное сопротивление резистора R10 и уменьшив коэффициент заполнения до 0. Постепенно увеличивая коэффициент заполнения и изменяя значения резистора R10, добиваемся, чтобы при 99% значении коэффициента заполнения стрелка прибора установилась перед последним делением шкалы.
- Перед настройкой аналогового частотомера желательно отключить микроамперметр, чтобы случайно не повредить его. Затем подаем на отсоединенный конец резистора R7 прямоугольные колебания с частотой из рабочего диапазона и амплитудой 10 В. Убеждаемся, что на эмиттере VT2 есть положительные прямоугольные импульсы длительностью 100 микросекунд, и эти импульсы сохраняются во всем диапазоне рабочих частот и изменении коэффициента заполнения от 2% до 98%.
- Затем увеличиваем сопротивление резистора R14 до максимального значения, а входную частоту уменьшаем до 100 Гц и только после этого (!) подключаем микроамперметр. Увеличивая частоту и корректируя сопротивление резистора R14, устанавливаем стрелку микроамперметра на деление шкалы, соответствующее высшему значению частоты рабочего диапазона.
На этом наладку аналогового регистратора можно считать законченной.
Далее мы рассмотрим практические примеры подключения удаленных датчиков.
Измерение температуры показано на Рисунке 4. В этом случае используется пропорциональное температуре изменение коэффициента заполнения выходного сигнала. Частота же определяется номиналами времязадающих элементов RT и CT генератора TL494.
 |
|
| Рисунок 4. | Измерение температуры. Поименованы только элементы, участвующие в процессе. |
В качестве датчика используется NTC-термистор с сопротивлением 10 кОм при 25 градусах Цельсия. Условная линеаризация сопротивления термистора в диапазоне 20 - 70 градусов достигается параллельным подключением металлопленочного резистора сопротивлением также 10 кОм. График зависимости коэффициента заполнения от температуры датчика показан на Рисунке 5.
 |
|
| Рисунок 5. | График зависимости коэффициента заполнения от температуры датчика. По оси Y коэффициент заполнения, по оси X - температура датчика. |
Оранжевая кривая отражает поведение некомпенсированного термистора. Зеленая ломаная линия – результат измерений. Синяя прямая получена методом укрупненных интервалов результатов измерения.
Калибровка датчика производится следующим образом.
Установив на задатчике термостата нижнюю температуру диапазона, например 25 градусов, изменяем сопротивление резистора R1 до тех пор, пока выходные импульсы не приобретут прямоугольную форму с минимально возможной длительностью. Искажение формы импульсов в начале диапазона может вызывать ошибку измерений коэффициента заполнения, вследствие чего начало диапазона измерений имеет большую ошибку, что видно на графике приведенном на Рисунке 5. На этом калибровка заканчивается.
Если необходим более низкий уровень температуры, то калибровку нужно проводить при более низкой температуре окружающей среды, либо использовать термостат, допускающий как нагрев, так и охлаждение.
Измерение освещенности показано на Рисунке 6.
 |
|
| Рисунок 6. | Измерение освещенности. Поименованы только элементы участвующие в процессе. |
Включение двухвыводного фототранзистора в цепь управления током заряда времязадающей ёмкости С1 обеспечивает линейное измерение освещенности в диапазоне от 1 до 16 условных единиц, например от 100 до 1600 люкс или от 1000 до 16000 люкс в зависимости от плотности рассеивающего фильтра за которым находится фотоприемник. На самом деле этот диапазон существенно шире, но мы можем говорить только о результатах эксперимента, где источник света имел 16 точных градаций. В качестве рассеивающего светофильтра для фототранзистора использовалась половинка шарика от пинг-понга.
В эксперименте использовался ИК фототранзистор SFH 300 FA-3/4, т.е. спектральный состав измеряемого светового потока был смещен в ИК область, но в нашем случае это не имеет значения.
Измерения освещенности при калибровке источника света производились люксометром CD158 имеющим основную погрешность 3%, при условии, что оптические оси источника света и люксометра совпадают.
Частота выходного сигнала зависит от величины времязадающего конденсатора микросхемы TL494. Частота, соответствующая максимальной освещенности, не должна превышать 4 кГц для уверенной передачи по линии связи. Резистором R1 устанавливаем скважность выходного сигнала, равной 2, для удобства визуального контроля.
На Рисунке 7 показан график зависимости выходной частоты от освещенности фотоприемника.
 |
|
| Рисунок 7. | Зависимость выходной частоты от освещенности. По оси Х освещенность в относительных единицах. По левой оси Y – частота, по правой оси Y – отклонение от скользящей средней в герцах. |
Другой способ получения линейной зависимости выходного сигнала от освещенности показан на Рисунке 8. В качестве фотоприемника используется мощный 3-ваттный янтарный светодиод ProLight PM2E-3LAS-SD, а в качестве трансимпедансного усилителя – один из усилителей ошибки TL494.
 |
|
| Рисунок 8. | Измерение освещенности при использовании в качестве фотоприемника цветного светодиода. Поименованы только элементы участвующие в процессе. |
Янтарный светодиод эффективно выделяет желто-зеленую часть спектра падающего светового потока. Для измерения в оранжево-красной области можно использовать темно-красный светодиод, а для сине-фиолетовой области спектра – зеленый светодиод.
Подробно о применении цветных светодиодов в качестве узкополосных фотоприемников можно прочитать в авторской работе [2]. На Рисунке 9 показана зависимость коэффициента заполнения от освещенности при использовании в качестве фотоприемника цветного светодиода.
 |
|
| Рисунок 9. | Зависимость коэффициента заполнения от освещенности при использовании в качестве фотоприемника цветного светодиода. По оси Х освещенность в относительных единицах. По левой оси Y – частота, по правой оси Y – отклонение от скользящей средней в процентах. |
Обращаем внимание читателей, что на Рисунке 9, как и на Рисунке 5, начальные участки преобразования параметра в коэффициент заполнения имеют явную нелинейность, поэтому при использовании данного вида преобразования следует учесть это обстоятельство и считать рабочим диапазоном коэффициента заполнения интервал от 10% до 90%.
В заключение нужно сказать, что приведенными выше примерами не исчерпываются варианты применения описанной системы передачи сигналов от датчиков по цепи питания. Читателям предоставляется великолепная возможность для экспериментов в этом направлении.
Ссылки
- М.П. Басков. Лабораторный генератор прямоугольных импульсов.
- М.П. Басков, О.Д. Левашов. К вопросу об использовании светодиодов в качестве фотоприемников.
Купить TL494 на РадиоЛоцман.Цены
