PROTOTYPOWANIE UKA
ADÓW ELEKTRONICZNYCH
Wykład III
Sygnały pomiarowe i sterujące
Sposoby konwersji sygnałów
EAIiE, IV rok AR, AGH Kraków 2003 Copyright by Maciej Rosół
PROTOTYPOWANIE UKA
ADÓW ELEKTRONICZNYCH
Standardy elektrycznych sygnałów pomiarowych
i sterujących występujących w układach automatyki
NapiÄ™ciowe: 0÷5 V, 0÷3.3 V, Ä…10 V,
PrÄ…dowe: 4÷20 mA, 0÷20 mA,
PWM: w wybranym standardzie napięciowym.
Problemy:
" Przeskalowanie zakresu sygnałów pomiarowych (sterujących)
do wymaganego przez kartÄ™ pomiarowÄ… (sterujÄ…cÄ…) lub
system mikroprocesorowy zakresu napięć i/lub prądów.
" Konwersja typów sygnału na drodze czujnik -> karta
pomiarowa (system mikroprocesorowy), karta pomiarowa ->
sterownik.
EAIiE, IV rok AR, AGH Kraków 2003
PROTOTYPOWANIE UKA
ADÓW ELEKTRONICZNYCH
Sygnał PWM
U [V]
Czas [s]
Podstawowy okres sygnału
PWM
" Stała częstotliwość.
" Zmienny współczynnik wypeÅ‚nienia 0÷100 % (0÷1).
" Poziom napięcia zależny od wymagań.
EAIiE, IV rok AR, AGH Kraków 2003
PROTOTYPOWANIE UKA
ADÓW ELEKTRONICZNYCH
Dobór częstotliwości PWM
S ygnal P WM 100 Hz
S ygnal P WM 10 Hz
1
1
0.8
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
P redkos c s ilnika
P redkos c s ilnika
0.8
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Czas [s ]
Czas [s ]
EAIiE, IV rok AR, AGH Kraków 2003
PROTOTYPOWANIE UKA
ADÓW ELEKTRONICZNYCH
Zalety i wady sygnału PWM
Zalety:
Możliwość bezpośredniego użycia w systemach
mikroprocesorowych,
Brak konieczności budowy skomplikowanych interfejsów
analogowych.
Wysoka użyteczność w sterowaniu indukcyjnymi
urządzeniami wykonawczymi (silnik, zawór
elektromagnetyczny tłumik magnetoreologiczny itp.).
Wady
Generuje zakłócenia w urządzeniach pomiarowych.
W przypadku użycia PWM o wysokiej częstotliwości
powoduje nagrzewanie się urządzeń wykonawczych.
EAIiE, IV rok AR, AGH Kraków 2003
PROTOTYPOWANIE UKA
ADÓW ELEKTRONICZNYCH
Schemat blokowy generatora PWM
Generator
Programowalny dzielnik przez
Licznik 12 bitowy
40MHZ
liczbÄ™ z zakresu 1÷(216-1)
Stan
licznika
Dzielnik częstotliwości
Dane z
podstawowej (rejestr)
komputera
Sygnał
PWM
Czas trwania stanu Komparator
wysokiego (rejestr) (8 lub 12 bitów)
EAIiE, IV rok AR, AGH Kraków 2003
PROTOTYPOWANIE UKA
ADÓW ELEKTRONICZNYCH
Konwersja napięcie-PWM
PWM
Generator Stopień
Komparator
piłokształtny wyjściowy
Napięcie wejściowe
0 - UMAX
UMAX
UWE
0 Czas [s]
PWM
Ton
Czas [s]
T
EAIiE, IV rok AR, AGH Kraków 2003
PROTOTYPOWANIE UKA
ADÓW ELEKTRONICZNYCH
Realizacja praktyczna. Napięcie-PWM
+12V
R1
R2 R3
2 100k 2 100k 10k
+12V
+12V
U1
0-Umax
U2
9
U3
SQUARE
7 3
+
Umod
3 3 6
+ PWM
PILA
8 6 2
-
UFunMod
2 2
-
SINUS
LM741
LM741
8038
-12V
-12V
R5 10k
3 1
C1 R4
47n 10k
R6
1k
-12V
Napięcie reg. -12-0 V
-12V
EAIiE, IV rok AR, AGH Kraków 2003
3
3
1
4
5
1
6
+VCC
7
1
FREQ1
FREQ2
7
1
4
5
4
5
C
-VSS
CTR
10
11
12
2
PROTOTYPOWANIE UKA
ADÓW ELEKTRONICZNYCH
Konwersja prąd-napięcie
RF
II
U0 = -II RF
UO
" Bardzo mała impedancja wejściowa.
" Mała impedancja wyjściowa.
" W przypadku przetwarzania małych prądów należy
stosować wzmacniacze o niewielkich wejściowych prądach
polaryzujÄ…cych.
EAIiE, IV rok AR, AGH Kraków 2003
PROTOTYPOWANIE UKA
ADÓW ELEKTRONICZNYCH
Konwersja napięcie-prąd
IL
IL
R1
RL
UI RL
UI
UO
R1
" Duży pobór prądu ze " Praktycznie cały prąd ze
z
ródła sygnału. wzmacniacza.
" Stosunkowo mała " Duża rezystancja
rezystancja wejściowa. wejściowa.
" Obciążenie nie uziemione.
UI
IL =
R1
EAIiE, IV rok AR, AGH Kraków 2003
PROTOTYPOWANIE UKA
ADÓW ELEKTRONICZNYCH
R2
R1
IL
ëÅ‚ öÅ‚
UI ìÅ‚ R2 ÷Å‚
IL =
UI
R1 ìÅ‚1+ R3 ÷Å‚
RL
íÅ‚ Å‚Å‚
R3
RF
UI
R1
IL =
R2
UI
II
R3 I3
R3 RF
=
U0
R2 R1
I2 R2
RL IL
EAIiE, IV rok AR, AGH Kraków 2003
PROTOTYPOWANIE UKA
ADÓW ELEKTRONICZNYCH
Przykład obliczeń
(U+ -U-)KOtw = U0
R3 RF
I2R2 = ILRL = U+
=
R2 R1
I2 + IL = I3
R2RF = R1R3
U0 = I3R3 +U+
UI - II R1 -U- = 0
UI - II R1 - II RF -U0 = 0
StÄ…d:
R2RF
IL = -UI
R1R2R3 + (R1R3 - R2RF )RL
RF UI
IL = -UI = -
R1R3 R2
EAIiE, IV rok AR, AGH Kraków 2003
PROTOTYPOWANIE UKA
ADÓW ELEKTRONICZNYCH
Zmiana poziomów napięć
R1
ëÅ‚ öÅ‚
R2 R2
ìÅ‚
U0 =
ìÅ‚1+ R3 ÷Å‚ -
÷Å‚UI R3 Vref
U0
UI
íÅ‚ Å‚Å‚
+Vcc
R2
Vref
R3
Vref
-Vss
EAIiE, IV rok AR, AGH Kraków 2003
PROTOTYPOWANIE UKA
ADÓW ELEKTRONICZNYCH
R2
R1
UI
+Vcc
R3
R4
R6
U0
R5
-Vss
EAIiE, IV rok AR, AGH Kraków 2003
PROTOTYPOWANIE UKA
ADÓW ELEKTRONICZNYCH
Konwersja napięcie-częstotliwość [1]
EAIiE, IV rok AR, AGH Kraków 2003
PROTOTYPOWANIE UKA
ADÓW ELEKTRONICZNYCH
CINT
RIN
duC
UIN
iC = C
UO
dt
IIN
UIN
UIN - IIN RIN = 0 Ò! IIN =
RIN
UIN dU0
= CINT
RIN dt
UIN
U0 = t
RINCINT
EAIiE, IV rok AR, AGH Kraków 2003
PROTOTYPOWANIE UKA
ADÓW ELEKTRONICZNYCH
CIN CIN
IIN IIN
1mA -IIN 1mA -IIN
+ +
VIN RIN VIN
RIN
- -
1mA
S1 S1
1mA 1mA
-VSS -VSS
Tryb zerowania Tryb całkowania
Jeżeli wyjście z bloku One-Shot
wynosi  0 to układ pracuje w trybie
całkowania (Integrate Mode)
Jeżeli wyjście z bloku One-Shot
wynosi  1 to układ pracuje w trybie
zerowania (Reset Mode)
EAIiE, IV rok AR, AGH Kraków 2003
PROTOTYPOWANIE UKA
ADÓW ELEKTRONICZNYCH
Konwersja częstotliwość-napięcie
EAIiE, IV rok AR, AGH Kraków 2003
PROTOTYPOWANIE UKA
ADÓW ELEKTRONICZNYCH
tOS
VOUTSR = Ä… RIN fIN = 1
TIN
TIN
VOUTSR = Ä… Å" RIN Å"tOS Å" fIN
Ä… - amplituda prÄ…du
EAIiE, IV rok AR, AGH Kraków 2003
PROTOTYPOWANIE UKA
ADÓW ELEKTRONICZNYCH
Zmiana napięcia na wyjściu Zmiana napięcia na wyjściu
(ładowanie/rozładowanie) (ładowanie/rozładowanie)
1
VOUT (s) CIN
Zapis dynamiki układu
=
1
IIN (s)
s +
RINCIN
EAIiE, IV rok AR, AGH Kraków 2003
PROTOTYPOWANIE UKA
ADÓW ELEKTRONICZNYCH
Literatura
1. Analog Devices, AD650. Voltage-to-Frequency and Frequency-to-Voltage
Converter, Data Sheet, http://www.analog.com, 2000.
2. Kuta St., Krajewski G., Jasielski J., Układy elektroniczne, Tom 2,
Wydawnictwa AGH, Kraków, 1994.
3. Nadachowski, Kulka, Analogowe układy scalone, 1981.
4. Soclof Sidney, Zastosowania analogowych układów scalonych,
Wydawnictwo Komunikacji i A
ączności, Warszawa, 1991.
EAIiE, IV rok AR, AGH Kraków 2003