Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс
Шрифт:
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 Vz, 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 Vzне очень резкий, а с другой стороны, правая ветвь характеристики не является
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 Vz, 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
Отметим также некоторые компоненты, родственные ИОН, но имеющие вполне определенный температурный коэффициент. Это, например, LM 135, LM 235 и LM 335, выходное напряжение которых меняется точно на 10 мВ при изменении температуры окружающей среды на один градус. В данной книге эти компоненты будут упоминаться при описании виртуальных приборов для измерения температуры (см. главу 6).
ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Итак, очевидно, что аналого-цифровой преобразователь нуждается в очень точном и стабильном источнике опорного напряжения, относительно которого схема преобразования оценивает уровень входного напряжения. В тех случаях, когда опорное напряжение выступает в качестве эталона, принято говорить об абсолютном преобразовании.
Однако бывают случаи, когда какая-либо измеряемая величина может быть определена не в виде одного напряжения, а в виде соотношения двух напряжений. Самым очевидным примером является потенциометрический датчик, но можно представить также струнные датчики, магниторезисторы, датчики температуры или давления, или, в более широком плане, любые способы измерений, использующие изменение сопротивления.
Напряжение на АЦП в таком случае подастся с резисторного делителя, питаемого от источника опорного напряжения. При этом достаточно использовать один источник опорного напряжения и для резисторного делителя АЦП, и для датчика, чтобы автоматически снять влияние погрешности или дрейфа опорного напряжения.
Таким образом можно очень точно измерять отношение напряжений в узлах резистивного моста, даже если опорное напряжение не очень стабильно. В этом случае принято говорить об относительном преобразовании.
На рис. 2.16 показан простой пример относительных измерений, а именно — определение положения оси потенциометра, отражающего, скажем, положение флюгера, пера руля или створки шлюза.
Рис. 2.16. Пример схемы относительного преобразования
Опорное напряжение формируется непосредственно из напряжения питания VCC, обычно стабилизированного и равного 5 В. Представим, что в схеме R4 = R1, a R3 = R2, или что отношения R1/R2 и R4/R3 одинаковы. Когда подвижный контакт потенциометра находится в верхнем положении, на входах ANALOG+IN и REF+ будет одинаковое напряжение, и преобразователь сформирует двоичный код, соответствующий его полной шкале (эквивалент числа 255 для 8-разрядного преобразователя). В нижнем положении подвижного контакта потенциометра на нем будет нулевое напряжение, и АЦП, естественно, сформирует код, соответствующий нулевой входной величине. Результат измерения между указанными крайними точками будет очень точно отражать угловое положение подвижного контакта, при условии, что этот потенциометр — прецизионный и имеет линейную характеристику.
Если напряжение питания уменьшится до 4,5 В или увеличится до 5,5 В (что соответствует десятипроцентной погрешности!), это изменение повлияет на потенциалы и на измерительном, и на опорном входах преобразователя, а разность между ними останется прежней.
Данная схема позволяет ввести поправочные коэффициенты путем изменения величины сопротивления резистора R4. Это необходимо, в частности, из тех соображений, что механический ход подвижного контакта (угол поворота оси) обычного потенциометра меньше 360 градусов.