Многоканальный преобразователь сопротивление-частота
     Контролировать температуру в нескольких точках при помощи платиновых или медных термометров сопротивления типа ТСП и ТСМ ( ГОСТ Р 8.625-2006 ) поможет несложный и недорогой восьмиканальный преобразователь сопротивление-частота, к достоинствам которого можно отнести также помехоустойчивость, однополярное питание и малое энергопотребление.
 
     Согласно пункту 3.2 ГОСТ Р 8.625-2006 "Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний" чувствительный элемент (ЧЭ) термометра сопротивления представляет собой "резистор, выполненный из металлической проволоки или пленки", "имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры". Эта зависимость именуется "номинальной статической характеристикой" (НСХ) термометра сопротивления (ТС) и во всем температурном диапазоне измерений для каждого типа ТС устанавливается этим же стандартом. Задача измерения температуры сводится к измерению электрического сопротивления ЧЭ с последующим пересчетом в соответствующее значение температуры.
     Электрическая принципиальная схема восьмиканального преобразователя сопротивление-частота приведена на рис.1, а подключение к нему термометров сопротивления - на рис.2. Принцип работы схемы заключается в том, что частота прямоугольного цифрового сигнала на выходе FOUT пропорциональна напряжению на чувствительном элементе ТС, через который проходит постоянный электрический ток. Сила этого тока известна и неизменна. В этом случае, согласно закону Ома, напряжение на ЧЭ и его электрическое сопротивление связаны между собой вполне определенной линейной зависимостью. Таким образом, изменение частоты выходного сигнала с изменением электрического сопротивления чувствительного элемента ТС имеет линейный характер.
 
Рис.1. Схема восьмиканального преобразователя сопротивление-частота.
 
     Выходной сигнал, частота которого является функцией напряжения на чувствительном элементе ТС, формируется преобразователем напряжение-частота D6. Для работы в этом качестве была выбрана недорогая микросхема AD7742 производства Analog Devices. Детальную информацию об этой микросхеме можно найти на сайте фирмы-производителя, здесь же отметим лишь некоторые ее функциональные особенности, а именно:
  • высокая линейность преобразования;
  • не требует подключения внешних времязадающих RC-цепей;
  • возможность установить на выбор одно из двух значений коэффициента преобразования для работы либо с максимальной чувствительностью, либо в наиболее широком диапазоне изменения входного напряжения;
  • встроенный источник опорного напряжения 2,5 В с отдельным выходом;
  • отдельный вход для подачи опорного напряжения позволяет подключить либо встроенный, либо внешний источник опорного напряжения;
  • схема встроенного тактового генератора позволяет работать либо с подключенным к нему кварцевым резонатором, либо с внешним источником тактовых импульсов;
  • четыре вывода для подачи измеряемого напряжения могут использоваться как пара дифференциальных входов;
  • однополярное питание напряжением 5 В ± 5 %.
     Показанное на рис.1 подключение управляющих входов микросхемы D6 устанавливает такой режим ее работы, когда коэффициент преобразования соответствует максимальной чувствительности частоты выходного сигнала к изменению входного напряжения, а в качестве дифференциального входа используется только пара выводов Vin1 и Vin2, причем входной сигнал - однополярный, то есть измеренное относительно общего провода напряжение на входе Vin2 не должно превышать напряжения на входе Vin1. Источником тактовых импульсов, как показано на схеме, служит встроенный тактовый генератор с подключенными к нему кварцевым резонатором ZQ1 и конденсаторами C10 и C11. Необходимое для работы преобразователя опорное напряжение поступает на предназначенный для его подачи вход REFIN также со встроенного источника. Это же напряжение с выхода RFOUT служит опорным и для источника стабильного тока, выполненного на основе операционного усилителя D5.
 
Рис.2. Подключение термометров сопротивления
 
     Работает восьмиканальный преобразователь сопротивление-частота следующим образом. Аналоговые мультиплексоры D2 и D3 подключают к дифференциальному входу преобразователя напряжение-частота D6 тот термометр сопротивления, который аналоговым мультиплексором D4 подключен к источнику стабильного тока. Какой именно термометр сопротивления подключен к преобразователю определяет состояние управляющих цифровых сигналов A0..A2 (см. табл.1). Напряжение с того или иного ТС подается на вход микросхемы D6 по двум проводам так, что собственное сопротивление этих проводов и сопротивление электронных ключей мультиплексоров на работе схемы практически не сказывается. Обусловлено это тем, что входные токи преобразователя напряжение-частота D6 и токи утечки аналоговых мультиплексоров ничтожно малы. Кроме того, попарно открываемые электронные аналоговые ключи сдвоенных четырехканальных мультиплексоров D2 или D3 почти не отличаются друг от друга своим сопротивлением, влияние которого поэтому может носить лишь синфазный характер и дифференциальной схемой преобразователя D6 эффективно и окончательно подавляется.
 
  Таблица 1.
Состояние адресных входов управления Значение
A2 A1 A0
0 0 0 RK1
0 0 1 RK2
0 1 0 RK3
0 1 1 RK4
1 0 0 RK5
1 0 1 RK6
1 1 0 RK7
1 1 1 RK8
 
     Источник стабильного тока выполнен по схеме с "плавающей" нагрузкой и состоит из элементов D5, VT1..VT3 и R1..R4. Внешняя цепь с тем или иным термометром сопротивления подключается к нему между коллектором транзистора VT3 и подключенным к инвертирующему входу операционного усилителя D5 выводом образцового резистора R1. На неинвертирующий вход этого операционного усилителя подается опорное напряжение. Суть работы схемы состоит в том, чтобы поддерживать неизменным и равным опорному напряжение на образцовом резисторе R1, через который протекает тот же ток, что и через подключенный в данный момент аналоговым мультиплексором D4 термометр сопротивления. Сила тока, протекающего через термометр сопротивления, определяется таким образом как:
 
 
     Пункт 6.1 ГОСТ Р 8.625-2006 рекомендует выбирать это значение "таким, чтобы самонагрев ТС не приводил к выходу ТС за пределы допуска. Повышение сопротивления ТС, обусловленное самонагревом, не должно превышать 20% допуска. В цепях постоянного тока для ТС номинальным сопротивлением 100 Ом рекомендуется использовать ток 1 мА или менее". При указанном на схеме номинальном сопротивлении резистора R1 сила протекающего через ТС тока составит 0,926 мА. Стабильность источника тока определяется стабильностью опорного напряжения, сопротивления резистора R1 и напряжения смещения операционного усилителя D5.
     Управляемое операционным усилителем так называемое "токовое зеркало" на элементах VT1..VT3, R3 и R4 служит для развязки выхода операционного усилителя и внешних цепей, паразитная собственная электрическая емкость которых может приводить к самовозбуждению операционного усилителя D5.
     Цепь из элементов L1, C8 и C9 служит для дополнительного подавления возможной высокочастотной синфазной помехи на входе преобразователя. Индуктивность L1 можно выполнить скрученным вдвое обмоточным проводом, намотав им 4..8 витков либо на небольшом ферритовом кольце, либо на ферритовом "бинокуляре". Диаметр провода выбирают исходя из конструктивных соображений.
     Одновентильный инвертор D1 - триггер Шмитта SN74LVC1G14DBV в 5-выводном корпусе SOT-23-5. Напряжение питания +5В необходимо подать на пятый вывод этой микросхемы, а ее третий вывод подключить к общему проводу. Выводы питания микросхемы D6 AD7742 также на схеме не показаны, к общему проводу надо подключить ее третий вывод, а к цепи "+5В" - второй.
     Конденсаторы С1..С6 подавляют помехи по цепям питания и устанавливаются на печатной плате в непосредственной близости от микросхем D1..D6. Трассировку проводников печатной платы необходимо выполнять с учетом тех же требований, что и для прочих схем аналого-цифровых преобразователей.
 
 
Литература:
  1. ГОСТ Р 8.625-2006 "Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний";
  2. Описание микросхемы AD7742: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7741_7742.pdf .
 
Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru Яндекс цитирования
Походное зарядное устройство
ДИНАМО-МАШИНА

До пяти минут связи хватает подзарядки мобильного телефона если вращать ручку динамо-машины в течение трех минут с частотой 2-2.5 оборота в секунду.

350 руб.