Как и все остальные, я читал, что аналоговая техника сходит с арены и все вокруг должно стать цифровым. Недавно, я реализовал проект конструкции, которая во многих случаях иллюстрирует неправильность данного утверждения. Решаемой проблемой было введение двух новых оптических датчиков в механизм управления группой телескопов с роботизированным управлением, доступных через Интернет в одном образовательном проекте. Механизм управления имел явные следы износа в результате пробуксовок по достижению упора: датчики должны помочь отследить этот момент, с тем чтобы не допустить пробуксовки. Коленные сочленения и другие монтажные короба закрывают внутреннюю проводку телескопов, таким образом, изменение проводки телескопов является сложной задачей.
Лучшее, что мы могли придумать, это закодировать сигналы новых датчиков и передать данные по уже имеющимся проводам. У нас был один цифровой сигнал, теперь необходимо было решить, как передать по нему сигнал еще от двух датчиков. Использование цифровой техники требовало добавления небольшого микропроцессора в аппаратуру управления и кодирования последовательного цифрового сигнала для передачи, с соответствующими импульсами синхронизации, данными и контрольной суммой, которые затем будут декодироваться центральным процессором. Но данный подход имеет ряд изначальных недостатков, связанных с тем, что телескоп должен работать автономно в течении нескольких месяцев, а этот последовательный цифровой сигнал будет искажаться паразитными импульсными помехами. Кроме того, центральный процессор должен тратить время на считывание, декодирование и синхронизацию получаемых сигналов. Ну и наконец, мы должны были написать некоторый объем рутинный программы восстановления поврежденных данных: это конечно не самая тяжелая работа, но в то же время и не самая простая и приятная.
Взамен этого, в данной конструкции использована разновидность схемы суммирования, в которой каждый датчик имеет свой уникальный вес. По аналогии с цифровой техникой: первый датчик добавляет ± 1; следующий ± 2; последний ± 4, что позволяет однозначно определить любую комбинацию сигналов датчиков. Основу схемы составляют источник опорного напряжения, несколько операционных усилителей и схема суммирования. В данном случае использована IC4, REF3040, микросхема источника опорного напряжения компании Texas Instruments, имеющая допуск на величину выходного напряжения 0,2 % при стоимости всего около $ 1 (рис.1). Микросхема формирует опорное напряжение величиной 4,096 В и ток достаточный для управления операционными усилителями, которые работают во всем диапазоне питания за исключением нескольких милливольт. С данными операционными усилителями будьте осторожны: некоторые из них, при работе вблизи уровней питания, потребляют повышенный ток. В схеме используются 0,1% прецизионные резисторы, которые стоят всего около 20 центов. Помните, что вы можете использовать два 10 кОм-резистора, соединенных последовательно или параллельно для получения номиналов 20 кОм и 5 кОм, которые вам понадобятся далее. Монтаж и комплектование схемы упрощаются, кроме того, улучшается результирующая точность, так как две случайных величины отклонения от номинала имеют тенденцию к компенсации.
В таблице 1 приведены расчетные величины напряжений. Проверка схемы с помощью вольтметра показала совпадение полученных выходных напряжений с расчетными значениями с точностью до 1 мВ. Полученная величина ошибки, менее 1 %, демонстрирует, что данным способом вы можете закодировать и большее число датчиков. В телескопе, встроенное АЦП микроконтроллера считывает выходное напряжение схемы. Считывание сигнала проводится два раза для исключения считывания переходного процесса в момент переключения датчиков. К преимуществам схемы относится тот факт, что использование сигналов постоянного тока исключает влияние шумов, а обновление выходного напряжения происходит непрерывно. Кроме того, так как операционные усилители являются простыми устройствами, теоретически не разрушаемыми и нечувствительными к шумам, нет необходимости в схеме начального сброса. А что лучше всего, конструкция вовсе не требует программирования.
