Автор работы: Пользователь скрыл имя, 18 Июня 2014 в 17:56, курсовая работа
Цель: В работе проведен сравнительный анализ существующих методов и схем измерения отклонения значения электрической емкости датчика от номинального значения, обеспечивающих эффективное использовании диапазона преобразования измерительных устройств. Рассмотрена возможность расширения, как номинального значения исследуемой емкости, так и диапазона преобразования отклонения от номинала. Рассмотрены методы и схемы преобразования относительного отклонения емкости от номинала с использованием двух интеграторов и показана возможность их реализации на базе аналогового микроконтроллера и на базе серийных специализированных микросхем.
Новосибирский Государственный Технический Университет
Факультет Автоматики и Вычислительной Техники
Кафедра Систем Сбора и Обработки Данных
КУРСОВАЯ РАБОТА
Выполнил: студент группы АИ-02 Преподаватель:
Сидоров Д.К. доцент Гусев В.П.
Новосибирск
2014
Цель: В работе проведен сравнительный анализ существующих методов и схем измерения отклонения значения электрической емкости датчика от номинального значения, обеспечивающих эффективное использовании диапазона преобразования измерительных устройств. Рассмотрена возможность расширения, как номинального значения исследуемой емкости, так и диапазона преобразования отклонения от номинала. Рассмотрены методы и схемы преобразования относительного отклонения емкости от номинала с использованием двух интеграторов и показана возможность их реализации на базе аналогового микроконтроллера и на базе серийных специализированных микросхем.
Теория:
В абсолютном большинстве задач контроля и управления технологическими объектами с использованием емкостных датчиков различного назначения информацию несет не абсолютное значение их электрической емкости, а его отклонение от некоторого номинального значения. В то же время широко используемые измерительные преобразователи основаны на измерении полного значения емкости датчиков, что не позволяет эффективно использовать диапазон преобразования измерительных устройств. В последнее время ряд фирм и отдельные разработчики предлагают оригинальные решения построения измерителей отклонения электрической емкости датчиков относительно некоторого эталонного значения. Прежде всего, следует выделить аналого-цифровые преобразователи приращения емкости с использованием сигма-дельта модуляции [1], которые реализованы в виде законченных интегральных микросхем, среди которых наибольшее распространение нашли AD7745/AD7746 [2] и AD7747 [ 3].
Микросхемы позволяют с высоким разрешением (эффективная разрешающая способность до 21 разряда) с точностью до ±4fF измерять приращение до ±4pF относительно эталонного значения емкости от 0 до 17 pF.
Принцип работы:
Схема включения двух емкостных датчиков и (рисунок1) обеспечивает преобразование . Один из них может быть эталонным с номиналом от 0 до 17 pF, относительно которого измеряемое приращение . Емкости подключаются между соответствующими входами , и выходом EXC источника возбуждения (Excitation Source), формирующего прямоугольные импульсы, управляющие цепями перезаряда сигма-дельта модулятора.
Рисунок 1 — Схема включения двух емкостных датчиков в измерительных устройствах на базе микросхем AD7745
Наличие в микросхемах программно перестраиваемых преобразователей код – емкость CAPDAC позволяет программно смещать уровни емкостей Cx и (или) Cy на величину до 17 pF (рисунок.2).Результат преобразования разности двух емкостей с учетом влияния CAPDAC:
(1) |
Так при одиночном включении емкости Cx (емкости Cy задается нулевое значение управляющим битом CAPDIFF) и значении CAPDAC(+) = 17 pF будет фиксироваться изменение Cx от 13 pF до 21 pF.
Преобразователи CAPDAC имеют 7 битное разрешение, что при диапазоне 21 pFсоответсвует 164 fF. Такая точность не соответствует 21 разрядному разрешению собственно CDC. Эта погрешность может быть скомпенсирована при калибровке, при которой в 16 разрядный регистр CAP OFFSET CALIBRATION REGISTER вносится поправка нулевого смещения в диапазоне ±1 pF, с разрешением 31 aF.
Рисунок 2 — Схема включения двух емкостных датчиков с использованием встроенных программируемых преобразователей код – емкость (CAPDAC)
Существенным ограничением широкого использования рассмотренных микросхем является ограниченный диапазон номинальных значений емкости (0 – 20 pF) , относительно которого производится измерение приращений (до ±8 pF). Расширение указанного диапазона можно осуществить изменением величины заряда емкости датчика импульсами источника опорного напряжения [4]. Заряд емкости определяется произведением:
(2) |
При одиночном включении емкости датчика он заряжается импульсами источника возбуждения (ExcitationSource) , в то время как внутренняя эталонная емкость заряжается от внутреннего опорного напряжения .
При использовании в качестве источника возбуждения напряжения , формируемого дополнительной внешней схемой (рис.3) можно уменьшить амплитуду сигнала возбуждения в раз и, тем самым уменьшить величину заряда емкости, за счет чего расширяется диапазон преобразуемых емкостей.
Микросхемы имеют по два источников напряжения возбуждения и .
Величина и может задаваться программно, обычно ее задают равной VDD/2. Кроме того можно запрограммировать для каждого вывода прямое или инверсное значение выходного сигнала, т.е. можно получить VEXCpeak-to-peak = VDD. ,
Сигналы с выходов этих источников подается на неинвертирующий суммирующий усилитель с единичным коэффициентом передачи
При равенстве амплитуд и и их противофазном режиме работы получим:
(3) | |
(4) | |
(5) |
Выбором резисторов R1, R2 обеспечивается значение коэффициента α из условия требуемого расширения величины номинального значения контролируемой емкости и, соответственно, диапазона преобразования:
(6) |
Так, при использовании микросхемы AD7745 для увеличения номинального значения емкости датчика от 17 pF до в соответствии с вышеприведенными выражениями необходимо подбором соотношения резисторов , обеспечить значение . С тем же коэффициентом увеличится и диапазон измеряемого приращения емкости, т.е при заданном для AD7745 значении , получим возможность измерять приращение .
В отличие от микросхем AD745/746, в которых обкладки исследуемых конденсаторов не имеют связи с сигнальной землей Gnd в микросхемах AD747 предусмотрено подключение одного из выводов конденсатора непосредственно к земле. При этом обостряется проблема влияния паразитных емкостей, шунтирующих исследуемую. Для уменьшения этого эффекта предусмотрена возможность экранирующей обмотки входной цепи к выводу SHLD (рисунок 3), с которого снимается сигнал, повторяющий форму сигала возбуждения, что выравнивает потенциалы входа Cin и экранирующей оплетки SHLD.
Рисунок 3 — Схема включения исследуемой емкости с подключением непосредственно к сигнальной земле
Более широкий диапазон преобразования относительного изменения емкости обеспечивают преобразователи приращения емкости в напряжение на базе двух интеграторов (рисунок 4). Заряд измеряемого и эталонной емкости от двух источников тока и с синхронным изменением направления тока заряда приводит к формированию двух пилообразных напряжении, снимаемых с конденсаторов и с амплитудой:
(7) | |
(8) |
где – период пилообразного напряжения.
Изменение направления токов заряда осуществляется коммутацией токовых цепей ключами S1…S4, управляемых тактовым генератором прямоугольных импульсов G.
При обеспечении равенства токов I1 = I2 = I амплитуда разностного сигнала, выделяемая вычитающим усилителем с коэффициентом усиления k:
(9) |
С учетом равенства Cy.ном = Cxдля напряжения на выходе усилителя можно представить в виде:
(10) |
Рисунок 4 — Принцип преобразования относительного приращения емкости от номинала на базе двух интеграторов
Выделенная с помощью фильтра низких частот ФНЧ постоянная составляющая сигнала является выходным сигналом преобразователя , который может далее поступать на вход аналого-цифрового преобразователя:
(11) |
Относительное изменение измеряемой емкости в соответствии с полученным выражением определится как:
(12) |
где – относительное отклонение измеряемой емкости от номинального значения :
(13) |
Полученные выражения позволяют при заданном номинальном значении измеряемой емкости выбрать требуемой ток и период следования импульсов синхронизирующего генератора или при известных предельных значениях периода и тока определить минимальное номинальное значение измеряемой емкости.
Рисунок 5 — Структурная схема преобразователя относительного отклонения величины емкости от номинала на базе аналогового микроконтроллера
Несмотря на кажущуюся сложность рассмотренной схемы, ее реализация на современной элементной базе приводит к весьма простому решению (рисунок 5). Использование прецизионного аналогового микроконтроллера, например ADuCM360/ADuCM361 [5], с встроенным дифференциальным усилителем с программируемым коэффициентом усиления (PGA), двумя 24-разрядными аналого-цифровыми преобразователями, двумя встроенными программируемыми источниками тока и 32-разрядными таймерами позволяют решить поставленную задачу с привлечением дополнительных внешних ключей и фильтра низких частот. На базе встроенного таймера легко реализуется функция тактового генератора прямоугольных импульсов G.
Для использования полного диапазона преобразования необходимо обеспечить условие:
(14) |
где – внутреннее опорное напряжение АЦП, – напряжение на входе АЦП. При максимальном значении отклонения в соответствии с выражением (2) получим необходимое значение .
При известном значении α для минимального значения тока возбуждения I = 10 мкА, и периода тактовой частоты таймера T= (1/16) мкс при k = 1, в соответствии с (1) определим минимальное номинальное значение измеряемой емкости. Теоретически данная схема может обеспечить минимальное номинальное значение Cxmin = 32 pF с разрешением 1fF (при эффективной разрешающей способности АЦП 15 разрядов при частоте опроса 8 кГц).
Естественно, что достижение этих результатов будет ограничиваться влиянием различных паразитных параметров, таких как входное сопротивление PGA, сопротивление утечки коммутирующих ключей и т.д.
При использовании быстродействующего АЦП функцию фильтра низких частот можно осуществить программными средствами.
Преобразователь относительного изменения величины измеряемой емкости в напряжение на базе двух интеграторов реализован в серийно выпускаемых микросхемах CAV414/424 Analog Microelectronics [6, 7] (рисунок 6).
Токи интеграторов и задаются внешними резисторами , ( - измеряемая емкость , - опорная емкость – ) и опорным напряжением :
(15) | |
(16) |
а)б)
Рисунок 6 — Структурная схема преобразователя емкость – напряжение а), схема подключения внешних элементов б)
Частота тактового генератора G (referenceoscillator):
(17) |
где ток также задается внешним резистором :
(18) |
Дальнейшее преобразование разности напряжения заряда емкостей и в дифференциальное напряжение происходит аналогично описанию схемы рисунок 3.
Несколько иной принцип преобразования отклонения электрической емкости от номинального значения используется в микросхеме CAV444 [8]. В схеме сначала осуществляется частотно-импульсное преобразование контролируемой емкости. Полученный тактовый сигнал используется далее в преобразователе , на выходе которого формирующего формируется напряжение .
Таким образом, представляемые на рынке микросхемы позволяют решить большинство технических задач, связанных с контролем приращений электрической емкости емкостных датчиков. Однако, большое количество используемых навесных элементов создает определенные трудности для обеспечения высокой точности измерений. Используемые в рассмотренных микросхемах принципы преобразования могут успешно реализованы на базе современных микроконтроллеров.
Литература