Как разговорить датчик?

July 2, 2014 by admin Комментировать »

Вас может смутить слово  «разговорить» Я вовсе не имел в виду, что  датчик будет оснащен синтезатором речи Но получение данных от датчика часто называют опросом датчика То есть, мы «спрашиваем» о чём-то датчик И как это сделать

Многообразие датчиков подразумевает не меньшее разнообразие схем их подключения Но в этой главе мне хотелось бы показать другое – мы не так много узнали из мира электроники, но это не должно помешает нам самостоятельно рассудить, как бы мы опрашивали датчики

Давайте ещё раз просмотрим предыдущую главу Все датчики реагируют на внешние воздействия: света, температуры, силы и тп Я не исключаю, что есть программы, предоставляющие такую возможность: изменить освещённость и получить изменения состояния фотоэлемента Но большинство программ, повторюсь, что не следует покупать все перечисленные датчики для проведения экспериментов, большинство программ не имеют таких компонентов, как фотоэлемент

Вместе с тем, мы можем заменить датчик некоторым эквивалентом Посмотрите, сколько датчиков меняет своё сопротивление при внешнем воздействии: это и фотоэлемент, это и тензодатчик, это и терморезистор Что нам мешает заменить такой датчик резистором, сопротивление которого мы можем менять в любой из программ

Часть датчиков меняет при внешнем воздействии свою ёмкость Конденсатор Есть датчики, которые генерируют напряжение Батарейка

Это не полные эквиваленты датчиков, но они отражают самый главный параметр, который нам и нужен Для проведения более тонких экспериментов может понадобиться и физический датчик, это так Но к тому времени вы полностью будете знать схему его подключения, в полной мере осознаете необходимость именно такого типа датчика, определитесь в требованиях к нему, и это поможет вам сделать правильный выбор

Генерация напряжения, как отклик датчика на внешнее воздействие, присуща таким датчикам, как пьезодатчики, фотодиоды или термопары Величина напряжения может быть небольшая, милливольты Но это просто напряжение Операционный усилитель, имеющий полосу частот от нуля до нескольких сот килогерц, имеющий очень большой коэффициент усиления, вполне нас устроит в опыте считывания напряжения

Рис 151 Опыт по считыванию напряжения

Обычно усиление постоянного напряжения при значениях порядка милливольта оказывается неудобно из-за сильного влияния внешних факторов Решают эту проблему преобразованием постоянного напряжения в переменное Какой простейший преобразователь мы знаем

Рис 152 Преобразование сигнала постоянного напряжения в переменное

Такой релейный преобразователь понятен Но количество срабатываний реле (срок службы) очень ограничено Что приводит нас к мысли – хорошо бы заменить реле каким-нибудь полупроводниковым элементом

Если бы напряжение было достаточно большим, то нас утроил бы биполярный транзистор:

Рис 153 Преобразование постоянного напряжения в переменное с транзистором Но постоянное напряжение маленькое, как быть в этом случае

Заглянем в интернет-магазин, нет ли там полупроводникового устройства, которое заменило бы нам реле

Рис 154 Активные компоненты в магазине «Чип и Дип»

Аналоговые ключи Я выделил этот раздел Если реле мы использовали как ключ, которым прерывали напряжение, то не подойдёт ли какая-то микросхема из раздела аналоговых ключей для этих целей Вот, что можно увидеть, если открыть справочный листок для микросхемы ADG411:

Рис 155 Функциональная схема микросхемы ADG411

Уж очень это похоже на реле Мы пока не будем покупать микросхему, а проведём виртуальный эксперимент

Рис 156 Виртуальный эксперимент с микросхемой аналогового ключа И осциллограммы при V1 равном 1 и 2 мВ:

Рис 157 Осциллограммы эксперимента

Мы пока не будем разбирать, как устроена микросхема аналогового ключа, просто запомним, что такой ключ есть

Если датчик ведёт себя как резистор, то нужно прочитать его сопротивление Рассмотрим, как это делает тестер

Рис 158 Измерение сопротивления тестером

Сопротивление RX в первом случае равно 10 Ом, во втором 100 Ом Как видно из показаний милливольтметра, разница в 10 раз отображается хорошо А отображение самого числа… можно и число для сопротивления 10 Ом: добавим делитель напряжения

Рис 159 Приведение показаний вольтметра к удобному виду Как работает измеритель сопротивления

Обратимся к предыдущему рисунку Я добавил миллиамперметр с тем, чтобы можно было увидеть, что и при измерении сопротивления 10 Ом, и при измерении сопротивления 100 Ом ток остаётся одинаков 03 мА Удобнее его было сделать равным, скажем, 01 мА, тогда не понадобился бы делитель напряжения Но это сейчас не так важно Важно, что при измерении разных сопротивлений ток остаётся одинаков

Когда мы говорим об источнике питания, то называем его и источником постоянного тока, и источником постоянного напряжения Это справедливо Но в данном случае между этими понятиями есть существенная разница, которую  можно  было  бы подчеркнуть, назвав первый источник генератором постоянного тока, а второй генератором постоянного напряжения

Для теоретических рассмотрений электрических цепей эти два понятия вводятся обязательно В чём между ними разница Генератор тока даёт ток, величина которого не зависит от величины нагрузки, от сопротивления нагрузки А генератор даёт напряжение, которое не зависит от сопротивления нагрузки

При измерении сопротивления мы используем именно генератор тока Конечно, идеальный генератор тока имеет очень большое внутреннее сопротивление, последовательно  с которым включается измеряемое сопротивление Поэтому ток определяется внутренним сопротивлением

генератора (или стабилизатора) тока, а измеряемое сопротивление не вносит своей доли в образование тока

Батарейка тестера – это генератор Чтобы превратить её в генератор тока мы последовательно включили резистор сопротивлением 10 кОм Измеряя сопротивления 10-100 Ом, мы получаем ток, который не меняется при измерениях Такой подход используется в тестерах Но, если мы хотим точнее измерять сопротивление, то нам понадобится более совершенная конструкция генератора постоянного тока

Лучшие параметры обеспечивает генератор тока (или стабилизатор постоянного тока), который можно сделать из стабилизатора напряжения

Рис 1510 Схема стабилизатора тока с использованием стабилизатора напряжения

Ток определяется сопротивлением R1 и параметром, который присущ данной модели стабилизатора, а для микросхемы LM137 равным 125: Iст = 125/R1 Прежде, чем разобраться, как работает стабилизатор тока с микросхемой LM137, рассмотрим поведение идеального источника постоянного тока

Рис 1511 Идеальный источник тока при разных сопротивлениях нагрузки R1

Программа Qucs позволяет, используя такой вид моделирования, как развёртка параметра, получить симуляцию цепи при разных значениях, как в данном случае, сопротивления Ток, измеряемый прибором Pr1, остаётся одинаков, как он задан изначально, 100 мА, а напряжение меняется (согласно закону Ома)

Из этого опыта мы можем сделать вывод, что для поддержания тока в нагрузке, когда сопротивление нагрузки меняется, нужно менять напряжение Что и происходит  в схеме стабилизатора тока на микросхеме LM317 Вспомните, что мы регулировали выходное напряжение стабилизатора, используя делитель напряжения и обратную связь При изменении сопротивления R2 (рис 1510) меняется выходное напряжение стабилизатора,  что  и поддерживает величину тока через R2 неизменной

Если бы мы не задались вопросом, как расспросить датчик о его состоянии, мы и не стали бы искать в Интернете и книгах ответа, и не нашли бы такое интересное решение Любопытным быть, оказывается, полезно

Некоторые датчики давления, имеющие  неподвижную пластину  и  подвижную диафрагму, конструктивно представляют собой конденсатор переменной ёмкости  Как  «прочитать» изменения этой ёмкости

Самый простой способ – как и в случае с сопротивлением, измерить напряжение на датчике Только использовать переменный ток И измерять реактивное сопротивление конденсатора Точнее, падение напряжения на реактивном сопротивлении конденсатора

Рис 1512 Эксперимент по измерению ёмкости

При изменении ёмкости напряжение тоже меняется Правда, напряжение, не как в случае с резистором, не растёт, а падает Но мы помним, что по закону Кирхгофа сумма падений напряжения на резисторе и конденсаторе должна быть постоянна Поменяем их местами

Рис 1513 Второй эксперимент по измерению ёмкости

Что ещё из нашего небольшого багажа мы могли бы использовать для измерения ёмкости

Давайте вспомним, что мы использовали таймер 555 для генерации сигналов Частота переменного напряжения у генератора на таймере 555 зависит от ёмкости Используя такой генератор, мы могли бы измерять частоту и получать данные об изменении ёмкости

Рис 1514 Измеритель «ёмкости» на микросхеме 555

И вот, как меняется частота, при увеличении ёмкости в 10 раз

Рис 1515 Изменение частоты генератора при ёмкости C1 1000 пФ (ранее 100 пФ)

То, как измерить частоту, мы знаем, а, значит, можем использовать и такой метод измерения ёмкости Более того, если под рукой нет частотомера, а собирать его нет времени или желания, можно воспользоваться мультиметром Переключить его в режим измерения постоянного напряжения, собрать простую схему и проделать все эксперименты, например, с датчиком влажности

Схемы для проведения экспериментов могут быть разными Вот одна из них

Рис 1516 Одна из схем измерения частоты при экспериментах с ёмкостью

Суть процесса измерения в том, что на элементах U1A и U2B собрано устройство, формирующее импульсы постоянной длительности Вот как выглядят осциллограммы:

Рис 1517 Осциллограммы на двух частотах

С ростом частоты увеличивается среднее напряжение А, поскольку импульсы однополярные, то и результирующее напряжение получается постоянным (но с пульсациями) Процесс похож на тот, где мы применяли конденсатор для сглаживания пульсаций в блоке питания

Мы начинали измерение ёмкости с использования делителя переменного напряжения, составленного из измеряемого конденсатора и резистора Часто для повышения точности измерения, а иногда это и удобнее, используют два делителя напряжения То, как это можно сделать, мы рассмотрим с варианта, который проще – использования резистивных делителей напряжения на постоянном токе То есть, заменим измеряемый конденсатор резистором

Рис 1518 Измерение сопротивления с помощью двух делителей напряжения

Такая схема называется мостовой, а интересна она тем, что при определённых условиях напряжение на резисторе R5 (в диагонали моста) становится равным нулю Что и изображено на рисунке справа Напряжение 444*10-16 – это, фактически, нулевое напряжение Так, при каких условиях мы получаем нулевое напряжение в диагонали моста

Напряжение источника V1 поделится делителем R1R2 пропорционально величине сопротивлений И то же самое можно сказать и про делитель R3R4 Если соблюдается равенство R1/R2 = R2/R4, то падение напряжения на резисторах R2 и R4 будут равны (как и на R1 и R3), а напряжение в диагонали моста (на резисторе R5) станет нулевым – нет разницы потенциалов

Как правило, в мостовой схеме используют амперметр с нулём в середине шкалы или индикатор Добавив несколько резисторов к R2 и переключатель, можно расширять пределы измерений, потому что, согласитесь, если сопротивление резистора R1 равно 10 Ом, то удобнее измерение проводить при R2 равном 100 Ом Резистор R3 может быть переменным, снабжённым шкалой, или быть собран из постоянных резисторов так, что общее сопротивление набирается с помощью переключателей

Рис 1519 Расширение пределов измерения

Вернёмся, однако, к конденсатору Что следует изменить в мостовой схеме, чтобы измерять сопротивление конденсатора

А мы будем измерять реактивное сопротивление конденсатора, то есть… думаю, вам понятно, что источник постоянного напряжения следует заменить источником переменного напряжения

Рис 1520 Мостовая схема для измерения сопротивления конденсатора

Использование амперметра, а для измерения малых токов он превратится в миллиамперметр или микроамперметр, на переменном токе не самая хорошая мысль Но мы знакомы со многими компонентами электрических цепей, и мы в состоянии придумать ему замену Например, мы можем усилить маленькое напряжение, остающееся в диагонали моста из-за разброса параметров, и использовать мультиметр, определяя момент баланса по минимальным показаниям вольтметра Или придумать что-то ещё, что-то, что было бы удобнее Но этим мы займёмся позже

А сейчас отметим, что емкостной датчик, включённый в диагональ моста, вполне может сказать нам, что величина ёмкости достигла интересующей нас величины

Обычно такой способ «разговорить» датчик не используется Но он интересен сам по себе Чем Думаю, вы поймёте

Возьмём двоичный счётчик Мы уже знаем, что каждый приходящий импульс на его входе отображается на выходе в виде двоичного числа (совокупностью уровней напряжения на выходах)

Возьмём резисторы Мы уже знаем, что при параллельном их соединении получается резистор, имеющий другое сопротивление

И ещё мы знаем, что: резисторы образуют делители напряжения при правильном их включении

Рис 1521 Получение ступенчатого напряжения с помощью счётчика

В данном случае я подобрал величину сопротивления так, чтобы последовательное переключение счётчика формировало на выходе схемы (в месте соединения резисторов) ступенчатое нарастающее напряжение

Напряжение нарастает от 0 до 5 вольт (если уровень логической единицы на выходе 5 вольт) При этом каждый шаг увеличивает его (а всего шагов 15) на 5/15 = 033 В

Кроме того, мы знаем такое устройство, как компаратор – он сравнивает два напряжения, поданные на его вход Пусть одно из них будет измеряемым напряжением, а на второй вход компаратора мы подадим сформированное нами ступенчатое напряжение Когда ступенчатое напряжение превысит измеряемое напряжение, компаратор изменит своё состояние, и в этот момент мы остановим счётчик Что мы получим

На выходе счётчика в двоичном виде отобразится количество шагов, сделанное до изменения состояния компаратора, то есть, до того момента, когда ступенчатое напряжение стало больше измеряемого А, зная количество шагов, зная «цену» шага (033 В), мы в двоичном виде получим значение измеряемого напряжения

Рис 1522 Использование компаратора для сопоставления напряжений

Переключение компаратора в «точке измерения» можно использовать для считывания двоичного числа (шагов) с выходов счётчика, запуская, например, формирователь импульса на таймере 555 Формируемый им импульс на заданный промежуток времени остановит счётчик, а затем процессы будут повторяться

Для проведения экспериментов за компьютером можно придумать разные варианты, что не только полезно, но может пригодиться в дальнейшем Например, можно использовать такой вариант:

Рис 1523 Один из вариантов считывания информации с выходов счётчика

Приведённый мною пример использования счётчика, как вы, наверное, поняли, предназначался для того, чтобы дать некоторое представление о том, как аналоговые сигналы можно превратить в цифровые значения, то есть, оцифровать На практике для этого применяют микросхемы АЦП (аналогово-цифровые преобразователи), предназначенные для разных целей, соответственно, имеющие разные схемы (и принципы) преобразования

Если вы пользуетесь мультиметром, то, скорее всего, он построен на базе специализированного АЦП, к выходу которого подключается жидкокристаллический дисплей Слушая музыку с компакт- диска, вы пользуетесь плодами оцифровки аналогового звукового сигнала Последнее возможно по той причине, что преобразование аналогового сигнала – переменного напряжения, имеющего бесконечно много мгновенных значений, образующих непрерывную последовательность – в цифровой вид подчиняется закономерности, о которой говорит теорема Котельникова:

Тема аналогово-цифровых преобразователей интересна сама по себе, и, если она вас заинтересует, вы наверняка найдёте много  книг, посвященных этому вопросу Нам же сейчас достаточно запомнить, что есть такие устройства, как АЦП, позволяющие превратить напряжение в последовательность чисел Применительно к датчикам это означает, что мы можем либо считывать с экрана дисплея все значения, формируемые датчиком, либо  использовать самый простой вид АЦП – компаратор Компаратор вполне можно считать одноразрядным преобразователем, и использовать его тогда, когда нас интересует только, превысило или нет значение параметра некоторую величину

АЦП можно использовать для непрерывного наблюдения, например, за температурой, влажностью,  давлением  (в  последнее  время  часто  употребляют  слово  «мониторинг»)  или

расстоянием Компаратор полезен тогда, когда нужно привлечь внимание к конкретной ситуации, то есть, включить сигнал, световой или звуковой, или тогда, когда следует автоматически изменить состояние устройства Это может быть производственный процесс, это может быть аварийное устройство: при срабатывании пожарного датчика может включаться автоматическая подача воды в охраняемое помещение при срабатывании датчика тока в блоке питания может срабатывать аварийная защита от перегрузки при срабатывании датчика уровня  воды в стиральной машине клапан на подводящей воду трубе перекрывается, а машина переходит в режим стирки

Как видите, АЦП разного вида так широко применяется на практике, что знать о существовании этого очень полезного элемента электроники, следует обязательно Позже, в разговоре о микроконтроллерах, мы ещё вернёмся к этому, а сейчас рассмотрим антипод АЦП, который называется ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь

АЦП позволяет превратить, скажем, музыку в ряд двоичных чисел, который записывается на компакт-диск Но мы не компьютер, и музыка чисел нам чужда Чтобы удовлетворить нас требуется превратить цифры в непрерывный сигнал, к которому мы привыкли Этим обратным преобразованием занимается ЦАП

И, заметьте, некоторое представление о том, как он это делает, мы уже получили Вот:

Рис 1724 Преобразование числовых данных в аналоговый сигнал

Изменения, которые я внёс в схему эксперимента, незначительны: RC интегрирующая цепь, призванная «подчеркнуть» эффект преобразования

Как и  микросхемы АЦП, микросхемы ЦАП находят  широкое  применение на практике, и существуют во множестве видов, соответствующих разным задачам, которые они призваны решать Позже мы рассмотрим такой встроенный модуль микроконтроллера, как ШИМ (PWM)

ШИМ – это аббревиатура слов широтно-импульсная модуляция Модуль, по сути, простейший цифро-аналоговый преобразователь, находящий сегодня применение, например, в устройствах регулировки скорости вращения электромоторов К слову, мы использовали этот принцип ранее для получения информации о частоте импульсов при рассмотрении датчиков, имеющих емкостной характер

Сегодня широтно-импульсная модуляция становится популярна и в аудиотехнике при создании высококачественной аппаратуры А мы завершим разговор о датчиках и преобразователях аналоговых сигналов в цифровые и наоборот, и перейдём к следующей теме

Источник: Гололобов ВН,- Самоучитель игры на паяльнике (Об электронике для школьников и не только), – Москва 2012

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты