Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс

Для того чтобы оценить ситуацию, следует принять во внимание, что по ширине листа формата А4 даже при разрешении 600 dpi лазерный принтер сможет разместить только 7000 отдельных точек, а хороший графический экран с трудом вмещает 800 точек по вертикали. Следовательно, нельзя и помышлять о том, чтобы с помощью этих устройств графически точно воспроизводить результаты измерений, сделанных шестнадцатиразрядными приборами, в десятки и сотни раз более точными. Исключение составляют случаи вывода особых участков с большим увеличением. В связи с этим в намерения автора не входило рассматривать в данной книге практические конструкции АЦП с разрядностью, большей 12, которые к тому же крайне редко выпускаются в корпусах с восемью выводами и снабжены последовательным интерфейсом.

Основное внимание в дальнейшем будет обращено на то, как добиться удачных результатов (зачастую самыми простыми способами), используя 8- или 10-разрядные АЦП; для самых взыскательных читателей приводятся и сведения о 12-разрядных аналого-цифровых преобразователях.

ИСТОЧНИКИ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Традиционным элементом стабилизаторов напряжения является стабилитрон, но ему присущи многие недостатки, не позволяющие использовать его в качестве точного источника опорного напряжения даже для 8-разрядного аналого-цифрового преобразователя.

Для тех направлений схемотохники, где требуется высокая точность результатов, были разработаны гораздо более удобные компоненты — интегральные источники опорного напряжения.

На рис. 2.15 приведена классическая вольт-амперная характеристика стабилитрона (диода Зенера). Напомним, что при прямом смещении стабилитрон ведет себя как обычный диод, а при большом обратном смещении проявляется эффект Зенера.

Рис. 2.15. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Эффект Зенера, или Зенеровский пробой (разновидность лавинного), — это явление, в результате которого диод становится проводящим при смещении р-n перехода в обратном направлении. Пороговое значение напряжения смещения V_z, при котором данный эффект становится возможным, называется напряжением Зенера или напряжением стабилизации.

Анализ вольт-амперной характеристики стабилитрона показывает, что, с одной стороны, ее излом в точке V_z не очень резкий, а с другой стороны, правая ветвь характеристики не является вертикальной. Если к этому добавить, что напряжение V_z существенно зависит от температуры и имеет заметную шумовую составляющую, станет очевидно, что стабилитрон нельзя отнести к прецизионным компонентам.

Таким образом, стабилитрон прекрасно подходит для любых задач, связанных со стабилизацией или регулированием напряжения питания, но его нельзя использовать как эталон в измерительных приборах или в АЦП. Естественно, существуют различные способы улучшения характеристик стабилитрона. Например, при увеличении обратного (рабочего) тока рабочая точка удаляется от излома характеристики; это повышает точность напряжения V_z, но незначительно.

Для большинства маломощных стабилитронов рабочий ток составляет в среднем от нескольких единиц до нескольких десятков миллиампер, что существенно превышает ток потребления АЦП.

На практике широко применяется схема стабилитрона с термокомпенсацией, в которой последовательно со стабилитроном включен кремниевый диод в прямом направлении. Их температурные коэффициенты близки по величине, но противоположны по знаку; в результате флюктуации тока обоих диодов, вызванные изменениями температуры, компенсируются, однако и этого по-прежнему недостаточно…

Некоторые двухвыводные интегральные схемы могут легко заменить стабилитроны, при этом они обеспечивают существенно лучшие характеристики. Одна из самых старых моделей — это интегральный стабилитрон ТАА 550, который выпускался в корпусе типа ТО 18 с двумя выводами и широко использовался для стабилизации напряжения систем управления варикапами в телевизорах (от 31 до 35 В при токе до 5 мА). Для получения столь высокого напряжения стабилизации в нем было применено несколько одинаковых последовательно включенных каскадов.

Компонент LM 113 имеет практически идентичную конструкцию, но его номинальное напряжение составляет только 1,22 В с точностью 1 %, 2 % или 5 % в зависимости от исполнения, определяемого буквой, стоящей после названия. Эта величина напряжения основана на физических свойствах кремния (знаменитая «ширина запрещенной зоны») и легко повторяема в серийном производстве.

Рекомендуемый рабочий ток для этого интегрального стабилитрона составляет от 0,5 мА до 20 мА.

Компоненты подобного типа выпускают многие изготовители — в частности, можно назвать модели ICL 8069 фирмы Intersil, AD 589 фирмы Analog Devices и др. Интегральные источники опорного напряжения (ИОН) серий LM 185, LM 285 и LM 385 основаны на том же физическом принципе, существуют также версии с напряжением 2,5 В с точностью 1 % и 2 %. Некоторые источники выполняются в корпусах с тремя выводами, при этом дополнительный третий вывод позволяет, при необходимости, регулировать параметры стабилизаторов с помощью внешнего делителя на резисторах.

Указанные источники опорного напряжения обладают следующими основными характеристиками:

Чуть более дорогие, но и более стабильные устройства типа LT 1009 компании Linear Technology и REF 25 Z компании GEC Plessey также формируют опорное напряжение 2,5 В, но с точностью, соответственно, 0,2 % и 1 %.

Отметим также некоторые компоненты, родственные ИОН, но имеющие вполне определенный температурный коэффициент. Это, например, LM 135, LM 235 и LM 335, выходное напряжение которых меняется точно на 10 мВ при изменении температуры окружающей среды на один градус. В данной книге эти компоненты будут упоминаться при описании виртуальных приборов для измерения температуры (см. главу 6).

ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Итак, очевидно, что аналого-цифровой преобразователь нуждается в очень точном и стабильном источнике опорного напряжения, относительно которого схема преобразования оценивает уровень входного напряжения. В тех случаях, когда опорное напряжение выступает в качестве эталона, принято говорить об абсолютном преобразовании.

Однако бывают случаи, когда какая-либо измеряемая величина может быть определена не в виде одного напряжения, а в виде соотношения двух напряжений. Самым очевидным примером является потенциометрический датчик, но можно представить также струнные датчики, магниторезисторы, датчики температуры или давления, или, в более широком плане, любые способы измерений, использующие изменение сопротивления.

Напряжение на АЦП в таком случае подастся с резисторного делителя, питаемого от источника опорного напряжения. При этом достаточно использовать один источник опорного напряжения и для резисторного делителя АЦП, и для датчика, чтобы автоматически снять влияние погрешности или дрейфа опорного напряжения.

Таким образом можно очень точно измерять отношение напряжений в узлах резистивного моста, даже если опорное напряжение не очень стабильно. В этом случае принято говорить об относительном преобразовании.

На рис. 2.16 показан простой пример относительных измерений, а именно — определение положения оси потенциометра, отражающего, скажем, положение флюгера, пера руля или створки шлюза.