Радиочастотный передатчик телеметрической информации из минимального количества компонентов

 В перечень требований к портативным телеметрическим системам малого радиуса действия часто включают низкое энергопотребление, небольшие размеры и низкую стоимость. В схеме на Рисунке 1, соответствующей этим критериям, используются всего три общедоступных микросхемы и несколько пассивных компонентов. Хотя эта схема предназначена для преобразования низкоуровневых сигналов тензометрического моста, она может работать практически с любым резистивным преобразователем на основе моста Уитстона. Схема содержит ПНЧ (преобразователь напряжение-частота), формирующий выходной сигнал фазоимпульсной модуляции (pulse-position-modulation, PPM), и радиочастотный передатчик с амплитудной манипуляцией (on/off-keyed, OOK). ПНЧ на Рисунке 1 включает микросхемы IC₁, IC₂, IC_3A и IC_3B. Выходной сигнал моста Уитстона, содержащего тензодатчик R_X, равен приблизительно 5 мВ. Каскад интегратора, состоящий из конденсатора C₆ и микросхемы IC₁ – операционного усилителя LTC1250 с компенсацией смещения и малым дрейфом, – подключается непосредственно к мосту. (Обратите внимание, что сопротивления остальных резисторов моста зависят от конкретного приложения).

Рисунок 1.	Для этого радиочастотного передатчика телеметрической информации и усилителя сигнала тензометрического моста требуются всего три микросхемы.

Для реализации логометрического преобразования напряжение V_COMP, подаваемое на мост, изменяется в зависимости от напряжения источника питания и равно разности между двумя пороговыми напряжениями схемы триггера Шмитта.

Триггер Шмитта на Рисунке 1 состоит из компаратора MAX9075 (IC₂), КМОП инвертора IC_3A и цепи положительной обратной связи, включающей элементы R₁, R₂ и C₁. Значения верхнего (V_TH) и нижнего (V_TL) порогов триггера Шмитта определяются формулами (1) и (2):

(1)

(2)

Чтобы понять работу схемы, предположим, что уровень сигнала на выходе компаратора высокий, а на выходе инвертора, соответственно, низкий. Также предположим, что сопротивление последовательно соединенных тензодатчика R_X и подстроечного резистора R_T всегда удовлетворяет условию R(1 + X) > R, где X – относительное изменение сопротивления датчика моста. То есть в линейном режиме работы изменение сопротивления датчика составляет небольшую часть сопротивления плеча.

В этих условиях напряжение на неинвертирующем входе IC₁ смещается до V_DD/2, и активное плечо моста Уитстона генерирует положительный ток I_I в суммирующий узел усилителя IC₁. Благодаря этому току выходное напряжение интегратора V_OI линейно спадает до уровня V_TL нижнего порога триггера Шмита.

Когда V_OI = V_TL, выходное напряжение компаратора становится равным нулю, а выходной уровень инвертора, соответственно, возрастает до V_DD. В результате направление входного тока интегратора меняется на противоположное, и выходное напряжение интегратора линейно увеличивается до уровня верхнего порога триггера Шмитта. Наконец, когда V_OI достигает уровня V_TH, компаратор вновь переключается, и его выходное напряжение становится высоким. Бесконечное повторение описанной выше последовательности дает выходной сигнал интегратора, линейно увеличивающийся и уменьшающийся между пороговыми напряжениями триггера Шмитта (Канал 1 на Рисунке 2). При этом на выходах компаратора и инвертора формируются две противофазные последовательности прямоугольных импульсов с коэффициентом заполнения 50% (Каналы 2 и 3, соответственно, на Рисунке 2), управляющие мостом.

Рисунок 2.	На этой осциллограмме показаны формы внутренних сигналов схемы: Канал 1 – выходное напряжение интегратора, Канал 2 – выходное напряжение компаратора, Канал 3 – выходное напряжение инвертора, Канал 4 – выходное напряжение PPM.

Для формирования сигнала PPM (Канал 4 на Рисунке 2) выход инвертора управляет ждущим мультивибратором, состоящим из второго инвертора IC_3B и времязадающих компонентов R₄ и C₂, определяющих длительность импульса 15 мкс. Токоограничивающий резистор R₃ предотвращает защелкивание микросхемы IC₃, а элементы R₂ и C₄ задают ширину выходного импульса.

Чтобы смоделировать передаточную функцию ПНЧ, нужно вычислить период T_X выходных импульсов компаратора. Из-за симметрии выходного сигнала усилителя IC₁ этот период в два раза превышает время, необходимое выходному напряжению интегратора для линейного изменения между двумя порогами триггера Шмитта. Следовательно, T_X можно выразить формулой (3):

(3)

где dV_OI/dt – наклон пилообразного напряжения на выходе интегратора. Считая, что входной ток интегратора в течение одного периода постоянен, наклон пилообразного напряжения можно вычислить по формуле (4):

(4)

Применив преобразование Тевенена к активному плечу моста, входной ток интегратора можно выразить как

(5)

Наконец, замена V_TL, V_TH и dV_OI/dt в формуле (3) соответствующими выражениями из формул (1), (2) и (4) дает частоту модуляции F_X:

(6)

Учитывая, что X<<1, формулу (6) для выходной частоты PPM можно упростить:

(7)

Эта передаточная функция подчеркивает три наиболее важные особенности ПНЧ: частота модуляции F_X прямо пропорциональна относительному изменению сопротивления датчика моста R_X, частота модуляции не зависит от напряжения источника питания V_DD и, следовательно, этот преобразователь PPM является логометрическим. Эта особенность привлекательна для любых портативных приложений, в которых напряжение питания снижается по мере старения батареи.

Частота модуляции не зависит от длительности импульса PPM, что устраняет источник ошибок, с которыми обычно сталкиваются при использовании ПНЧ с однократным интегрированием.

При использовании компонентов с номиналами, показанными на Рисунке 1, частотный диапазон преобразователя составляет:

200 Гц < F_X < 600 Гц

для относительного изменения сопротивления тензометрического моста

Следовательно, при нулевой силе, приложенной к тензодатчику (ΔR/R = 0) преобразователь выдает модулирующий сигнал частотой 400 Гц. Осциллограммы на Рисунке 2 соответствуют этому случаю.

Для передачи данных на расстояние в несколько метров 80-мегагерцовый радиочастотный OOK передатчик модулируется сигналом PPM. Этот передатчик содержит стробируемый генератор Колпитца на основе быстродействующего КМОП логического элемента «ИЛИ-НЕ» 74VHC02 (IC_3C) и резонансного контура, образованного двумя идентичными конденсаторами обратной связи C₃ и C₄ и печатной спиральной индуктивностью L₁. Для надежного запуска генерации должно выполняться условие C₃ = C₄ = C. Пренебрегая влиянием паразитных емкостей, выходную частоту f_C генератора Колпитца можно рассчитать с помощью формулы (8):

(8)

При номиналах компонентов L₁, C₃ и C₄, показанных на Рисунке 1, значение несущей частоты f_C составляет приблизительно 80 МГц. Индуктивность L₁ также служит антенной передатчика. Ее восемь витков, занимающие на печатной плате площадь 8 × 8 мм, создают конфигурацию, которая гарантирует, что мощность, излучаемая передатчиком на частоте 80 МГц, никогда не превысит 250 нВт.

Согласно европейскому телекоммуникационному стандарту I-ETS 300 220, передатчик не требует лицензирования и может работать на любой несущей частоте в диапазоне от 74 до 87.5 МГц. Проконсультируйтесь относительно регулирующих документов, действующих в вашем регионе.

При излучаемой мощности менее 250 нВт АМ приемник с тангенциальной чувствительностью 1 мкВ обеспечивает дальность приема до 10 м, что достаточно для многих приложений внутренней телеметрии. При максимальной частоте фазоимпульсной модуляции 600 Гц ток, потребляемый схемой на Рисунке 1, составляет примерно 2 мА при напряжении питания 4 В.

Ссылки

1. Williams, Jim, “Circuits allow direct digitization of low-level transducer outputs,” EDN, Nov 29, 1984, pg 183.
2. Williams, Jim, “Digitize transducer outputs directly at the source,” EDN, Jan 10, 1985, pg 201.

Материалы по теме

1. Datasheet Analog Devices LTC1250
2. Datasheet Maxim MAX9075
3. Datasheet onsemi MC74VHC02