Лекция 10

Тема 10. Применение ОУ в микропроцессорных схемах

10.1 Функциональные преобразователи с использованием

множительных устройств

 

     Аналоговое множительное устройство является специализированным вычисли­тельным  средством,   предназначенным  для  формирования  произведения двух сомножителей, которые представлены напряжениями постоянного или перемен­ного тока. При этом возможна реализация методов плавной аппроксимации на основе дробно-рациональных и полиномиальных зависимостей, сочетающих сниже­ние методических погрешностей с сокращением аппаратурных затрат. Применение множительных устройств позволяет выполнить операции умножения и деления, воз­ведение в квадрат и извлечение корня, обеспечивая решение многих задач авто­матического управления и контрольно-измерительной техники. Совместно с опе­рационными усилителями множительные устройства осуществляют приближенное формирование различных тригонометрических и специальных функций.

     Среди многообразия методов построения аналоговых множительных устройств наиболее распространены параметрические методы, основанные на использовании экспоненциальной зависимости тока на открытом переходе диода от приложенного к нему напряжения или тока коллектора через транзистор от базо-эмиттерного напряжения.

     В качестве примеров реализации функционального преобразователя с использо­ванием множительных устройств рассмотрим построение синусного (косинусного). Построение синусного (коси­нусного) преобразователя может быть выполнено, например, с использованием зависимости

где х и у — входная и выходная переменные, обеспечивающей приближение к синус­ной функции с методической погрешностью ±0,17% в диапазоне 0...1. Представляя аппроксимирующую зависимость в неявной форме, получим

у = 4(0,4х - 0,2х²) + (0,4х – 0,2х²)у.

     Такое устройство реализуется при помощи двух множительных устройств и двух сумматоров (рис.10.1).

Рисунок 10.1 – Структурная схема функционального преобразователя для формирования синусной (косинусной) функции

     На первом множительном устройстве А1 с развязывающим . усилителем А2 выполняется возведение в квадрат входного напряжения U_x.

     Полученное напряжение U₂ = U_x² в масштабе R₁/R₂ вычитается из напряжения U_x в масштабе [(R₁ + R₂)/R₂][R₃/(R₃ + R₄)] на сумматоре A3, образуя на выходе при R₁ = R, R₂ = 2,5R; R₃ = 2R и R₄ = 1,5R напряжение

U₃ = 0,8U_x - 0,4U_x².

     Это напряжение поступает на второе множительное устройство А4 с развязывающим усилителем А5, на выходе которого формируется напряжение

U₅ = (0,8U_x - 0,4U_x²)U_y.

     Напряжение U₃ в масштабе [R₆/(R₆ + R₅)][(R₇ + R₈)/R₇] и напряжение U₅ в масштабе [R₅/(R₆ + R₅)][(R₇ + R₈)/R₇] суммируются на прямом входе второго сумматора А6, образуя искомую зависимость

U_y = 4(0,4U_x - 0,2 U_x² ) + (0,4U_x - 0,2 U_x² )U_y

при номиналах резисторов R₅ = 0,5R; R₆ = 2R; R₇ = R и R₈ = 1.5R. С выхода второго сумматора напряжение U_y поступает в качестве второго сомножителя на второе множительное устройство А4.

 

10.2 Цифровой амперметр

 

     В цифровых приборах, в отличие от аналого­вых, обязательными элементами схемы являются аналого-цифровые пре­образователи (АЦП) и цифровые отсчетные устройства (ЦОУ) (рис.10.2). Измеряемое напряжение в таких приборах вначале преобразуется вход­ным аналоговым преобразователем (ВАП) к виду, удобному для последу­ющего преобразования; далее с помощью АЦП происходит его дискретизация и кодирование; а затем в ЦОУ осуществляется цифровой отсчет зна­чения  измеряемой  величины.

Рисунок 10.2 – Структурная схема цифрового амперметра

      Основой всякого цифрового прибора служит аналого-цифровой пре­образователь (АЦП), который осуществляет дискретизацию, квантова­ние и кодирование информации.

      Аналого-цифровые преобра­зователи - это измерительные преобразователи, предназначенные для автоматического преобразования измеряемой аналоговой ве­личины в дискретную, представленную в виде цифрового кода.

     Современные микроконтроллеры (интегральные микросхемы) имеют встроенные АЦП, Flash-память, таймеры, приемопередатчики, т.е. могут обрабатывать цифровые и аналоговые сигналы от датчиков информации, осуществлять хранение и передачу закодированных сигналов.

     Рассмотрим функциональную схему амперметра на микроконтроллере PIC16F877 (рис.10.3).

Рисунок 10.3 – Функциональная схема цифрового амперметра

где Д – датчик тока (шунт); У – операционный масштабирующий усилитель; МК – микроконтроллер; ЦИ – цифровой индикатор – микросхема семисегментного светодиодного индикатора

     Принципиальная электрическая схема цифрового амперметра приведена на (рис.10.4).

Рисунок 10.4 – Принципиальная электрическая схема цифрового амперметра

     Шунт R₁₂ изготавливается из константанового или манганинового провода диаметром 1,5 мм и равен 0,01 Ом.

     Стабилизатор напряжения DA1 на ИМС К142ЕН12А обеспечивает микроконтроллер напряжением питания Е_п = 5В и опорным напряжением АЦП.

Подстройка напряжения питания осуществляется при помощи потенциометра R₄ типа СП5-16А.

     На операционном усилителе DA2.1 собран масштабирующий усилитель напряжения. Операционный усилитель DA2.2 включен по схеме  повторителя входного сигнала. Оба ОУ представлены в виде ИМС LM741.

     Микроконтроллер DD1 тактируется внешним кварцевым генератором с частотой 4 МГц.

    Семисегментные светодиодные индикаторы HG1 – HG3 представлены в виде ИМС АЛС324А. Для нормальной работы семисегментных светодиодных индикаторов с общим катодом необходимо использовать гасящие резисторы R₃, R₅-R₁₁.

     Сегмент запятой Н горит постоянно от источника питания через гасящий резистор R₃ во втором разряде 2.

     Данная схема цифрового амперметра рассчитана на предел измерения 5,12А. Например, во втором разряде (2) горит цифра 5 и запятая Н;.в первом разряде – цифра 1; в нулевом разряде – цифра 2.

     В схеме цифрового амперметра используются четыре ОУ:

- в стабилизаторе напряжения DA1;

- в масштабирующем усилителе DA2.1 и повторителе DA2.2;

- в кварцевом генераторе.

     Таким образом, при обработке аналоговых сигналов, согласования уровней, стабилизации напряжения и тока, фильтрации и т.д. без операционных усилителей не обойтись.