Микропроцессорная система экологического мониторинга вредных газовых выбросов
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
? характеристик ПП для удобства сравнения занесены в таблицы и указаны в приложении Б.
7.3 Разработка электрической принципиальной схемы измерительной части прибора
Электролитические сенсоры и на выходе выдают очень слабый аналоговый сигнал, порядка нескольких десятков наноампер, поэтому требуется усиление этого тока. Для этих целей подойдут дифференциальные усилители с большим коэффициентом усиления, но истинный коэффициент определяется схемотехническим видом ОУ и петлей ООС. К тому же их ток потребления чрезвычайно мал, а входы усилителя тока не потребляют. Схема включения датчиков с инвертирующим ОУ приведена на рисунке 7.3.[14].
Рисунок 7.3 - Схема усилителя для датчиков газа
Резисторы R5 и R4, устанавливаемые между неинвертирующим входом и землей, уменьшает ошибку, возникающую из-за тока смещения. Так как ОУ имеет емкостную нагрузку, то последняя вместе с выходным сопротивлением усилителя образует инерционное звено, которое дает дополнительный фазовый сдвиг выходного напряжения. Все это уменьшает запас по фазе, и схема усилителя может самовозбудиться уже при незначительной величине нагрузочной емкости.
Для устранения этого явления в цепь обратной связи включается дополнительный конденсатор С1, С2 и С3. В этом случае обратная связь представляет собой интегродифференцирующее фазо-опережающее звено, создающее в окрестности частоты среза положительный фазовый сдвиг, компенсирующий запаздывание, вносимое емкостью нагрузки.[15].
Основные критерии для параметрического поиска ОУ: предельно малые значения смещения нуля, входного тока и дрейфа нуля, низкое энергопотребление и низкий уровень шума.
Таким характеристикам удовлетворяют прецизионные и низковольтные ОУ, такие как AD707, MAX4289, КР140УД12, К140УД14А, 140УД24. Окончательно был выбран ОУ MAX4289, имеющий ультранизкий уровень напряжения с малым потребляемым током, что делает MAX4289 идеальным для применения в системах с автономным питанием, даже от одного щелочного элемента. Также ОУ имеет широкий диапазон входного синфазного сигнала, и размах выходного сигнала, который практически равен диапазону напряжения питания, что позволяет использовать почти всю энергию питания в выходном сигнале.
Отличительные особенности:
-Низкое рабочее напряжение: гарантировано от 1.0 В до 5.5 В;
-Диапазон входных сигналов: от 0 до (VCC - 0.2 В);
-Ультранизкое энергопотребление: 9 мкА (типичное);
-Оптимизирован для работы с источником питания из одного элемента;
-Совместимость с однополярными источниками питания 3.0 В и 5.0 В;
-Низкое напряжение смещения: 0.2 мВ;
-Низкий входной ток смещения: 5 нА;
-Высокий коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи: 90 дБ;
-Выходной уровень сигнала питания и выходное сопротивление 5 кОм;
-Выпускается в миниатюрном корпусе 6-Pin SOT23 (3x3мм).
В схеме подключения ОУ с датчиками значения сопротивлений RG и RL подбираются для каждого сенсора индивидуально. Заявленная производителем величина RL нагрузки для любого датчика выбирается из диапазона 10-47 Ом. Для всех цепей примем его за 10 Ом, в целях удобства расчетов. В ОУ резисторы RG и RL образуют делитель, падении напряжения на резисторе RG равняется Uвых, а падение напряжения на RL равно Uвх. Тогда можно записать:
, (7.2)
или коэффициент усиления по напряжению:
, откуда (7.3)
. (7.4)
Uвх можно определить исходя из максимальной концентрации газа и чувствительности датчика:
Uвх=макс. концентр. газа (ppm) * чувствительность (нА/ppm).
Окончательно формула выглядит так:
. (7.5)
Пример для расчета датчика угарного газа CO-AE:
макс.концентр.газа (ppm)= 100.000, чувствительность (нА/ppm)= 20, тогда
25 кОм.
Аналогичные расчеты проведем и для других преобразователей, после чего занесем их в таблицы характеристик сенсоров, приведенные в приложении Б.
7.4 Моделирование в среде EWB
Проведем моделирование ОУ с датчиком в среде EWB. Так как нижний предел току в программе - 1 мкА, поэтому будем использовать его как заменитель нА. Для наглядности примем RG = 10 кОм, RL = 1 кОм, что соответствует усилению в 10 раз. Создадим разность потенциалов между вспомогательным и индикаторном электроде, подключив малый источник тока. То же самое сделаем между электродами сравнения и индикаторным, но в этом случае источник тока будит моделировать малый входной ток для датчика. Результаты моделирования представлены ниже на рисунках 7.4 и 7.5.
Моделирование показало, что ОУ с заданными параметрами успешно проходит тестирование: коэффициент усиления пропорционален делителю напряжения RG и RL, а значит и концентрации газа на выходе датчика пропорционально его количеству.
Рисунок 7.4 - Результат моделирования датчика №1
Рисунок 7.5 - Результат моделирования датчика №2
7.5 Модуль динамической индикации
Взаимодействие сложного прибора с пользователем осуществляется с помощью элементов управления и отображения информации.
Результат измерений должен быть представлен в удобной форме для человека. Такой системой счисления является десятичная. Для отображения единиц измерения ЖКИ должен обладать и алфавитной формой представления. Вывод служебной информации для пользователя требует дополнительных единиц знакомест. Минимальное количество отображаемых знакомест от 10 (концентрация газа плюс размерность величины). По?/p>