Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс

Компания Linear Technology производит компонент LTC 1292, родственный вышеозначенным образцам. У него есть несколько важных отличий, в частности, совершенно непохожее расположение выводов (рис. 2.13).

Рис 2.13. Расположение выводов АЦП LTC 1292

Микросхеме LTC 1292 стоит посвятить несколько дополнительных строк, так как она используется в некоторых АЦП промышленного изготовления, для которых удобно писать специальные программы.

Протокол связи LTC 1292 приведен на рис. 2.14.

Рис. 2.14. Протокол связи АЦП LTC 1292

Он очень похож на протокол LTC 1286, но только с виду… В отличие от LTC 1286, y LTC1292 ограничена минимальная тактовая частота вывода информации на уровне 100 кГц. Это не вызывает трудностей при работе с программами на языках Assembler или С. но гораздо сложнее обстоит дело в случае работы с программами на языке BASIC или даже на языке PASCAL, работающих на медленном процессоре. Конечно, у нижнего предела тактовой частоты есть определенные допуски на практическое использование, но все же требуется осторожность при оценке точности получаемых результатов.

НАДО ЛИ ВЫХОДИТЬ ЗА ПРЕДЕЛЫ 12 РАЗРЯДОВ?

Попытаемся ответить на вопрос о том, насколько оправдано применение аналого-цифровых преобразователей с разрядностью, большей 12, для решения относительно простых задач при построении виртуального измерительного комплекса.

В промышленности и науке широко применяются 16-, 24-разрядные устройства и даже устройства с большей разрядностью. Оптимальная эксплуатация таких АЦП с высоким разрешением (0,015 % и 6 ppm = 6·10^{– 6 [1]} , соответственно) предполагает особую аккуратность в вопросах, касающихся высочайшей точности и калибровки всей измерительной цепи — от датчиков до устройств индикации и печати. В любом случае это предполагает большие затраты, что немаловажно.

1

В иностранной литературе часто встречается обозначение точности в единицах ppm (частей на миллион), что соответствует множителю 10^{– 6}.

Для того чтобы оценить ситуацию, следует принять во внимание, что по ширине листа формата А4 даже при разрешении 600 dpi лазерный принтер сможет разместить только 7000 отдельных точек, а хороший графический экран с трудом вмещает 800 точек по вертикали. Следовательно, нельзя и помышлять о том, чтобы с помощью этих устройств графически точно воспроизводить результаты измерений, сделанных шестнадцатиразрядными приборами, в десятки и сотни раз более точными. Исключение составляют случаи вывода особых участков с большим увеличением. В связи с этим в намерения автора не входило рассматривать в данной книге практические конструкции АЦП с разрядностью, большей 12, которые к тому же крайне редко выпускаются в корпусах с восемью выводами и снабжены последовательным интерфейсом.

Основное внимание в дальнейшем будет обращено на то, как добиться удачных результатов (зачастую самыми простыми способами), используя 8- или 10-разрядные АЦП; для самых взыскательных читателей приводятся и сведения о 12-разрядных аналого-цифровых преобразователях.

ИСТОЧНИКИ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Традиционным элементом стабилизаторов напряжения является стабилитрон, но ему присущи многие недостатки, не позволяющие использовать его в качестве точного источника опорного напряжения даже для 8-разрядного аналого-цифрового преобразователя.

Для тех направлений схемотохники, где требуется высокая точность результатов, были разработаны гораздо более удобные компоненты — интегральные источники опорного напряжения.

На рис. 2.15 приведена классическая вольт-амперная характеристика стабилитрона (диода Зенера). Напомним, что при прямом смещении стабилитрон ведет себя как обычный диод, а при большом обратном смещении проявляется эффект Зенера.

Рис. 2.15. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Эффект Зенера, или Зенеровский пробой (разновидность лавинного), — это явление, в результате которого диод становится проводящим при смещении р-n перехода в обратном направлении. Пороговое значение напряжения смещения V_z, при котором данный эффект становится возможным, называется напряжением Зенера или напряжением стабилизации.

Анализ вольт-амперной характеристики стабилитрона показывает, что, с одной стороны, ее излом в точке V_zне очень резкий, а с другой стороны, правая ветвь характеристики не является вертикальной. Если к этому добавить, что напряжение V_zсущественно зависит от температуры и имеет заметную шумовую составляющую, станет очевидно, что стабилитрон нельзя отнести к прецизионным компонентам.

Таким образом, стабилитрон прекрасно подходит для любых задач, связанных со стабилизацией или регулированием напряжения питания, но его нельзя использовать как эталон в измерительных приборах или в АЦП. Естественно, существуют различные способы улучшения характеристик стабилитрона. Например, при увеличении обратного (рабочего) тока рабочая точка удаляется от излома характеристики; это повышает точность напряжения V_z, но незначительно.

Для большинства маломощных стабилитронов рабочий ток составляет в среднем от нескольких единиц до нескольких десятков миллиампер, что существенно превышает ток потребления АЦП.

На практике широко применяется схема стабилитрона с термокомпенсацией, в которой последовательно со стабилитроном включен кремниевый диод в прямом направлении. Их температурные коэффициенты близки по величине, но противоположны по знаку; в результате флюктуации тока обоих диодов, вызванные изменениями температуры, компенсируются, однако и этого по-прежнему недостаточно…

Некоторые двухвыводные интегральные схемы могут легко заменить стабилитроны, при этом они обеспечивают существенно лучшие характеристики. Одна из самых старых моделей — это интегральный стабилитрон ТАА 550, который выпускался в корпусе типа ТО 18 с двумя выводами и широко использовался для стабилизации напряжения систем управления варикапами в телевизорах (от 31 до 35 В при токе до 5 мА). Для получения столь высокого напряжения стабилизации в нем было применено несколько одинаковых последовательно включенных каскадов.

Компонент LM 113 имеет практически идентичную конструкцию, но его номинальное напряжение составляет только 1,22 В с точностью 1 %, 2 % или 5 % в зависимости от исполнения, определяемого буквой, стоящей после названия. Эта величина напряжения основана на физических свойствах кремния (знаменитая «ширина запрещенной зоны») и легко повторяема в серийном производстве.

Рекомендуемый рабочий ток для этого интегрального стабилитрона составляет от 0,5 мА до 20 мА.

Компоненты подобного типа выпускают многие изготовители — в частности, можно назвать модели ICL 8069 фирмы Intersil, AD 589 фирмы Analog Devices и др. Интегральные источники опорного напряжения (ИОН) серий LM 185, LM 285 и LM 385 основаны на том же физическом принципе, существуют также версии с напряжением 2,5 В с точностью 1 % и 2 %. Некоторые источники выполняются в корпусах с тремя выводами, при этом дополнительный третий вывод позволяет, при необходимости, регулировать параметры стабилизаторов с помощью внешнего делителя на резисторах.

Указанные источники опорного напряжения обладают следующими основными характеристиками:

Рабочий ток… 20 мкА — 20 мА

Динамическое сопротивление (на частоте 20 Гц, при токе 100 мкА)… 1 Ом

ЭДС шума (при токе 100 мкА, в полосе 10 Гц — 10 кГц)… 120 мкВ

Долговременная нестабильность (при токе 100 мкА и температуре 25 ±0,1 °C)… 20 ppm за 1000 час

Температурный коэффициент (при токе 100 мкА)… 150 ррт/°С

Чуть более дорогие, но и более стабильные устройства типа LT 1009 компании Linear Technology и REF 25 Z компании GEC Plessey также формируют опорное напряжение 2,5 В, но с точностью, соответственно, 0,2 % и 1 %.