ampermeter s transimpedančnim ojačevalnikom
UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO Bernard Beber AMPERMETER S TRANSIMPEDANČNIM OJAČEVALNIKOM DIPLOMSKO DELO UNIVERZITETNEGA ŠTUDIJA Mentor: doc. dr. Boštjan Murovec Ljubljana, marec 2010 Zahvala Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Boštjanu Murovcu, univ. dipl. inž. el., za idejo, pomoč in nasvete pri sestavljanju vezja ter programiranju in za hitre odzive na moja vprašanja pri nastajanju diplomske naloge. Prav tako se zahvaljujem mojim staršem, ki so mi omogočili študij, in za vso podporo v času študija. Zahvaljujem se tudi vsem, ki so mi na kakršen koli način pomagali pri sestavi vezja in nastajanju diplome. Povzetek V diplomski nalogi je predstavljena izdelava prototipnega laboratorijskega ampermetra merilnega območja od 0 mA do 400 mA, točnostnega razreda vsaj 0,1 %, s čim manjšim padcem napetosti na priključnih sponkah. Izvedba instrumenta temelji na transimpedančnem ojačevalniku, ki s povratno zvezo meri padec napetosti na priključnih sponkah, in ga skuša izregulirati na 0 V. Diplomska naloga je razdeljena na tri dele. V prvem delu je predstavljena izvedba instrumenta, ki ga sestavljajo mikrokrmilnik in analogna vezja. Opisano je delovanje posameznih sklopov ter podane pripadajoče sheme. Drugi del vsebuje razlago kalibracije instrumenta in opis njegove praktične izvedbe. Temu sledi analiza merilne negotovosti in empirični testi ampermetra. Instrument nima lastnega prikazovalnika merilnih rezultatov, zato komunicira z osebnim računalnikom preko USB povezave. Osebni računalnik poleg zajemanja podatkov tudi krmili delovanje instrumenta in sproža postopek kalibracije. Ključne besede: ampermeter, transimpedančni ojačevalnik, eProDas, SPI, kalibracija, USB. i ii Abstract This thesis represents a design of a prototype laboratory ampere-meter, which measuring range is from 0 mA to 400 mA, with accuracy at least 0,1 % and with minimum voltage drop on the terminals. Implementation of the instrument is based on transimpedance amplifier, which with help of the feedback loop, measures a voltage drop at the terminals and tries to regulate it to 0 V. The thesis task is divided into three parts. The first part presents the implementation of the instrument, which consists of microcontroller and analog circuits. It describes the operation of individual parts with corresponding schemes. The second part contains the explanation of the instrument calibration and description of its practical realization. This is followed by the implementation of measurement uncertainty analysis and empirical testing of ampere-meter. The instrument doesn't have its own display of measuring results, that's why it communicates with a PC via USB connection. The PC, besides for capturing of data, also controls the operation of the instrument and the calibration procedure. Keywords: amperemeter, transimpedance amplifier, eProDas, SPI,calibration, USB. iii iv Kazalo 2. Merjenje toka....................................................................................................................................... 3 2. 1 Splošno o merjenju toka ............................................................................................................... 3 2.2 Ideja našega ampermetra ............................................................................................................... 5 2.3 Napake operacijskega ojačevalnika ............................................................................................... 6 2.3.1 Vhodni mirovni tok ................................................................................................................ 6 2.3.2 Tokovni premik ...................................................................................................................... 6 2.3.3 Napetostni premik .................................................................................................................. 7 3. Sestavni deli ampermetra .................................................................................................................... 9 3.1 Mikrokrmilniški del ..................................................................................................................... 10 3.1.1 eProDas .................................................................................................................................... 10 3.1.2 Izbira mikorkrmilnika in povezava z osebnim računalnikom .............................................. 10 3.1.3 Vodilo SPI ............................................................................................................................ 13 3.1.4 Opis mikrokrmilniškega dela ............................................................................................... 15 3.1.5 Pregled signalov mikrokrmilnika ......................................................................................... 18 3.2 Analogna vezja ............................................................................................................................ 19 3.2.1 Transimpedančni ojačevalnik ............................................................................................... 21 3.2.2 Odštevalnik ........................................................................................................................... 23 3.2.3 Elektrometerski ojačevalnik ................................................................................................. 25 3.2.4 Tokovna referenca ................................................................................................................ 26 3.2.5 Vezje za krmiljenje relejev ................................................................................................... 29 4. Kalibracija ......................................................................................................................................... 31 4.1 Kalibracija (umerjanje) ampermetra............................................................................................ 31 4.1.1 Enačba parabole ................................................................................................................... 33 4.1.2 Postopek kalibracije.............................................................................................................. 34 4.1.3 Uporaba parabol za izračun toka .......................................................................................... 36 5. Praktična izvedba ampermetra .......................................................................................................... 37 5.1 Strojni del .................................................................................................................................... 37 5.2 Programski del............................................................................................................................. 42 6. Merilna negotovost ............................................................................................................................ 45 6.1 Analiza merilne negotovosti ........................................................................................................ 45 7. Empirični testi ................................................................................................................................... 49 7.1 Merjenje pogreška merilnika ....................................................................................................... 51 v 7. Zaključek ........................................................................................................................................... 55 8. Literatura ........................................................................................................................................... 57 vi Kazalo slik: Slika 1: Primer vezja in njegove veje, v kateri želimo izmeriti tok................................................4 Slika 2: Vključitev ampermetra v vezje.........................................................................................4 Slika 3: Transimpedančni ojačevalnik s plavajočim potencialom vhoda...................................... 6 Slika 4: Simbol operacijskega ojačevalnika...................................................................................7 Slika 5: Bločna shema merilnika.................................................................................................10 Slika 6: Primer najosnovnejšega eProDas sistema na prototipni plošči (preslikano iz [1, stran 24])....12 Slika 7: Pet nivojev sistema eProDas (preslikano iz [1, stran 20])................................................12 Slika 8: Shema najosnovnejše strojne opreme eProDas-a(preslikano iz [1, stran 22]).................13 Slika 9: Primer SPI povezave gospodar suženj............................................................................14 Slika 10: Primer povezave gospodarja s tremi suženji.................................................................15 Slika 11: Blok shema mikrokrmilniškega dela............................................................................16 Slika 12: Krmilni del merilne naprave.........................................................................................17 Slika 13: Blok shema analognega vezja......................................................................................20 Slika 14: Analogni del merilne naprave......................................................................................21 Slika 15: Naša izvedba transimpedančnega ojačevalnika............................................................23 Slika 16: Shema odštevalnika.....................................................................................................25 Slika 17: Elektrometerski ojačevalnik.........................................................................................27 Slika 18: Tokovni izvor s kombinacijo MOSFET in bipolarnega tranzistorja...............................28 Slika 19: Shema vezja za ojačitev izhodov PIC-a........................................................................30 Slika 20: Idealna odvisnost toka I od napetosti V0......................................................................32 Slika 21: Graf parabole s tremi točkami......................................................................................34 Slika 22: Parabola y1 skozi tri točke pri toku I1..........................................................................35 Slika 23: Kalibracijske točke s pripadajočimi parabolami y1, y2 in y3........................................36 Slika 24: Nove tri točke in pripadajoča parabola y pri potencialu X...........................................37 Slika 25: Prototipne plošče..........................................................................................................39 Slika 26: Hladilna rebra in močnostni Darlington tranzistorji.......................................................40 Slika 27: Priključne sponke........................................................................................................41 Slika 28: Vezje tokovne refernce in vezja za tokovno ojačanje izhodov mikrokrmilnika...........42 Slika 29: Mikrokrmilniški del......................................................................................................43 Slika 30: Začetni menu................................................................................................................44 Slika 31: Izračun parabol pri kalibraciji.......................................................................................45 Slika 32: Meritev toka.................................................................................................................46 vii viii Kazalo tabel Tabela 1: Pregled digitalnih signalov v sistemu.......................................................................19 Tabela 2: Analogni signali AD pretvornika ADS1211P..........................................................19 Tabela 3: Primerjava ampermetrov pri različnih tokovih.........................................................52 Tabela 4:Primerjava pogreškov našega ampermetra z multimetrom Agilent 34401A.............54 ix x Kazalo grafov Graf 1: Grafični prikaz rezultatov v tabeli 3.............................................................................53 xi xii 1.Uvod V elektrotehniki je poznavanje vrednosti toka zelo pomembno, saj z meritvami te veličine ugotavljamo pravilnost delovanja električnih vezij in naprav, ocenjujemo njihovo obremenjenost, izkoristek energije in ostale parametre. Električnega toka ne moremo zaznati z našimi čutili, zato ga merimo z namenskimi inštrumenti, pri čemer imamo na voljo več merilnih metod. Pri merjenju električnega toka običajno v tokokrog zaporedno vežemo merilno napravo (ampermeter), skozi katero teče merjeni tok. Z vključitvijo merilne naprave spremenimo razmere v vezju, saj merjeni tok na njenih priključnih sponkah povzroča padec napetosti, s čimer se prvotna vrednost toka spremeni. Nastala sprememba vodi v sistematični pogrešek merilne metode. Sledi, da se priključne sponke idealnega ampermetra obnašajo kot kratek stik (notranja impedanca 0 Ω), medtem ko v realnosti te vrednosti notranje impedance praktično ne moremo doseči, ampak se ji lahko le bolj ali manj približamo. Cilj diplomske naloge je razvoj in izdelava pedagoškega ampermetra merilnega območja od 0 mA do 400 mA, točnostnega razreda vsaj 0,1 %, s čim manjšim padcem napetosti na priključnih sponkah. Slednjo zahtevo dosegamo z uporabo povratne zveze, ki padec napetosti na sponkah meri in jo skuša izregulirati na 0 V. Merilno območje ampermetra je 0,4 A. Izdelana naprava v trenutni izvedbi nima prikazovalnika rezultatov meritev, zato je povezana na osebni računalnik, s katerim zajemamo meritve ter krmilimo samo delovanje merilnika. Izvajanje meritev ter kalibracija naprave sta popolnoma pod kontrolo programske opreme na osebnem računalniku. Naprava z računalnikom komunicira preko USB povezave, ki je izvedena s sistemom eProDas [1]. 1 2 2. Merjenje toka Za merjenje električnega toka je bilo razvitih več merilnih metod. Vsaka metoda ima svoje prednosti in slabosti. V tem poglavju predstavljamo nekaj splošnih principov merjenja toka, med drugim tudi idejo, ki temelji na transimpedančnem ojačevalniku. 2. 1 Splošno o merjenju toka Vključitev merilnih instrumentov v vezje ima posledico, da se razmere (napetosti in tokovi) na splošno spremenijo. Na sliki 1 je primer vezja in njegove povezave po kateri teče tok IAB, ki bi ga radi izmerili z ampermetrom. Slika 1: Primer vezja in njegove veje, v kateri želimo izmeriti tok. V veji AB izhodiščnega vezja teče tok IAB, ki po vključitvi ampermetra spremeni vrednost v tok IA. Na sliki 2 je primer vezja in njegove veje v kateri z ampermetrom merimo tok, nadomestna upornost vezja je označena z R in upornost ampermetra z Ra. Tokovni vir je označen z IAB. Slika 2: Vključitev ampermetra v vezje. 3 Tok IA izračunamo z naslednjo enačbo. R IA = IAB R+R A (1) Posledica vključitve ampermetra je zmanjšanje toka v veji. Če zavestno poenostavimo in rečemo, da tudi pred vključitvijo ampermetra teče tok, ki ga kaže ampermeter (kar vemo, da ni res), naredimo naslednji sistematični pogrešek. 1 e = 1+R/R (2) A Iz enačbe 2 vidimo, da bo meritev tem bolj pravilna, čim manjša bo upornost ampermetra RA v primerjavi z nadomestno upornostjo vezja R. Idealno bi bilo, da bi bila notranja imepdanca ampermetra enaka 0 Ω, kar pa je v realnosti neizvedljivo. Merilni pogrešek lahko izrazimo v aboslutni obliki z enotami merjene veličine, ali v relativni obliki, tako da povemo kolikšen je v razmerju s pravo vrednostjo veličine. Pogrešek v absolutni obliki imenujemo absolutni pogrešek, ki je definiran z razliko izmerjene vrednosti in prave vrednosti. Aboslutni pogrešek označimo z E in ga izračunamo z enačbo 3. E = xi − x (3) Izmerjena vrednost je označena z xi in prava vrednost z x. Relativni pogrešek označimo z e in ga izračunamo z enačbo. e= E x = x i −x x (4) Rezultat relativnega pogreška je neimenovano število, ker imata števec in imenovalec isto mersko enoto. Relativni pogrešek pogosto podajamo v procentih, včasih pa tudi v promilih in miljoninkah. Če relativni pogrešek podamo v procentih, moramo številsko vrednost povečati, da se vrednost ne spremeni. 4 2.2 Ideja našega ampermetra Naš ampermeter temelji na vezju, prikazanem na sliki 3 [2, stran 33], kjer operacijska ojačevalnika IC1 in IC2 s svojo povratno zvezo preko uporov R1 primerjata potenciala na priključnih sponkah in skušata njuno razliko čimbolj izregulirati proti 0 V. Slika 3: Transimpedančni ojačevalnik s plavajočim potencialom vhoda. Za začetek predpostavimo, da so operacijski ojačevalniki idealni. Tok i teče skozi upora R1 in na njiju povzroča padec napetosti. Operacisjki ojačevalk IC3 in upori R3 tvorijo odštevalni sistem, ki odšteva vrednosti potenciala na izhodnih sponkah operacijskih ojačevalnikov IC1 in IC2 ter na izhodu generira napetost V0. Če V0 delimo z dvojno upornostjo R1, dobimo vrednost toka i, ki teče skozi vezje. Prenosna funkcija vezja na sliki 3 je naslednja: V0 i = −2R1 → i = V0 −2R1 Pri enačbi 5 smo predpostavili, da so vsi elementi idealni, kar pomeni, da nimamo napak zaradi napetostnih in tokovnih premikov operacijskih ojačevalnikov ter vhodnih mirovnih tokov. Ne smemo pozabiti tudi na upore, ki so podvrženi tolerancam upornosti. Omenjene napake omejujejo točnost analognega dela vezja, kar poskušamo omiliti s kalibracijo instrumenta. 5 (5) 2.3 Napake operacijskega ojačevalnika Dejanski operacijski ojačevalnik močno odstopa od idealnega. V tem poglavju so definirane sledeče napake operacisjekga ojačevalnika: Vhodni mirovni tok ter tokovni in napetostni premik. Slika 4: Simbol operacijskega ojačevalnika. Simbol operacijskega ojačevalnika je na sliki 4. Vhodni napetosti sta označeni kot u0 in u1 ter izhodna napetost kot u2. 2.3.1 Vhodni mirovni tok Vhodni mirovni tok iB je definiran kot povprečje tokov i0 in i1, ki tečeta v vhodni sponki operacijskega ojačevalnika, ko sta vhodni napetosti u0 in u1 enaki 0 V. Vhodni mirovni tok izračunamo z enačbo: iB = i 0 +i 1 2 pri u0 = u1 = 0 V (6) 2.3.2 Tokovni premik Tokovni premik (angl.: current drift) je razlika vhodnih tokov i0 in i1, ki ga zapišemo z enačbo: 𝑖𝑜𝑓𝑓 = 𝑖0 − 𝑖1 za u0 = u1 = 0 V 6 (7) 2.3.3 Napetostni premik Napetostni premik (angl.: offset voltage) je v našem primeru najpomembnejša napaka operacijskega ojačevalnika. Definirana je kot tista diferenčna napetost uoff, ki jo moramo vsiliti vhodoma operacijskega ojačevalnika, da je njegova izhodna napetost u2 enaka 0 V. Napetostni premik zapišemo z enačbo: uoff = u0 − u1 za u2 = 0 V 7 (8) 8 3. Sestavni deli ampermetra Bločno shemo merilnika prikazuje slika 5. Slika 5: Bločna shema merilnika. Podsistemi na bločni shemi so razdeljeni na dva dela. Prvi del predstavlja mikrokrmilniško vezje, s katerim preko računalnika upravljamo merilnik in zajemamo podatke. Drugi del predstavljajo analogna vezja, med katere spadajo transimpedančni ojačevalnik in njegova kalibracija. 9 Mikrokrmilniški del sestavlja eProDas strojna oprema z mikrokrmilnikom PIC 18F4550 [3]. Mikrkormilnik je preko USB vmesnika povezan na osebni računalnik. Analogni del predstavljajo: - vezje transimpedančnega ojačevalnika preko katerega teče merjeni tok, - vezje tokovne reference, - analogno digitalni pretvornik, - digitalno analogni pretvornik, - pomožna vezja: - upravljanje tokovne reference, - prilagoditev napetostnih nivojev na vrednosti 0 V – 5 V vhodnih napetosti AD pretvornika, - tokovna ojačitev izhodov mikrokrmilnika. 3.1 Mikrokrmilniški del Mikrokrmilniški del pod nadzorom programske opreme na osebnem računalniku upravlja analogne dele sistema in omogoča prenos podatkov, zajetih z AD pretvorniki. 3.1.1 eProDas Merilni sistem posreduje dobljene meritve osebnemu računalniku, kar poteka preko sistema eProDas [1], ki tudi diktira izbiro mikrokrmilnika. 3.1.2 Izbira mikorkrmilnika in povezava z osebnim računalnikom Najosnovnejšo strojno opremo eProDas [1] sestavlja Microchipov (www.microchip.com) krmilnik PIC18F4550, ki je preko USB povezave priključen na osebni računalnik. V mikrokrmilnik so vgrajeni 10-bitni AD pretvornik s 13 vhodi, napetostna primerjalnika, nastavljiva referenčna napetost, vhodno/izhodne sponke, ... 10 V mikrokrmilnik je vpisana programska oprema (firmware), ki ukaze, prejete preko USB povezave, interpretira in izvede ustrezno akcijo. Primer osnovne izvedbe sistema eProDas na prototipni plošči prikazuje slika 5. Slika 6: Primer najosnovnejšega eProDas sistema na prototipni plošči (preslikano iz [1, stran 24]). Sistem eProDas sestavlja pet nivojev: Slika 7: Pet nivojev sistema eProDas (preslikano iz [1, stran 20]). Najnižji nivo je strojna oprema, katero sestavlja mikrokrmilnik PIC 18F4550 z vgrajenim USB vmesnikom ter ostale vgrajene periferne naprave. Na mikrokrmilnik so povezani vsi elektronski elementi potrebni pri posamezni aplikaciji. Mikrokrmilnik je lahko napajan preko USB povezave. Shema najosnovnejše strojne opreme eProDasa je prikazana na sliki 8. 11 Slika 8: Shema najosnovnejše strojne opreme eProDas-a(preslikano iz [1, stran 22]). eProDas vpisana programska oprema: mikrokrmilnik potrebuje del programske opreme, ki mu pove to, kar želimo iz naprave in na kakšen način jo kontroliramo. Programska oprema se nahaja v spominu integrirnega vezja in se angleško imenuje firmware. MS Windows gonilnik: ko napravo povežemo z računalnikom preko USB kabla, MS Windows zahteva gonilnike naprave. MS Windows že vsebuje gonilnike naprav za več kategorij, vendar pa je sistem eProDas preveč specifičen, kar pomeni, da eProDas naprava zahteva svoje posebne gonilnike. 12 eProDas.dll: končni uporabnik dostopa do funkcij eProDas naprave preko eProDas API (Application Programming Interface) vmesnika, ki definira višjenivojske funkcije. Le te omogočajo pošiljanje podatkov po SPI vodilu, branje AD pretvornika, branje oziroma nastavljanje stanja mikrokrmilniških vhodno-izhodnih sponk, itd... Uporabniška aplikacija: na najvišjem nivoju je program, ki ga uporabnik napiše v enem izmed programskih jezikov, katere sistem podpira (C/C++, Delphi, Visual Basic). Osnovni eProDas sistem lahko nadgradimo tako, da na mikrokrmilnik preko različnih povezav (SPI, vhodno-izhodne sponke, ...) priključimo ostale elektronske elemente kot so AD pretvorniki, DA pretvorniki, ... Nekatere elemente lahko takoj uporabimo, saj za njih že obstajajo API funkcije, za ostale pa jih je možno razviti [1, stran 19 -24]. 3.1.3 Vodilo SPI Vodilo SPI (Serial Peripheral Interface Bus) je sinhrona serijska podatkovna povezava, ki ga je osnovala Motorola s podporo različnih proizvajalcev. SPI vodilo deluje tako, da signali nosijo podatke v obe smeri hkrati. SPI vmesnik je vgrajen v mnogo mikrokrmilnikov. Komunikacijske naprave so v razmerju gospodar/suženj, kjer gospodar diktira prenos. Ko gospodar definira uro in izbere napravo, s katero komunicira (podrejena naprava, suženj), se podatki prenesejo v eni ali v obeh smereh hkrati. V bistvu se podatki preko SPI vodila vedno prenašajo v obeh smereh. Ali je prejeti bit pomemben ali ne je odvisno od nadrejene naprave gospodar ali podrejene naprave suženj. Primer komunikacije preko SPI vodila med napravama gospodar in suženj prikazuje slika 9. Slika 9: Primer SPI povezave gospodar suženj. 13 SPI določa štiri signale: - SCLK (serial clock) je ura, ki je generira gospodar, - MOSI (master data output, slave data input) je podatkovni izhod gospodarja, preko katerega pošilja podatke suženju, - MISO (master input, slave output) je podatkovni izhod sužnja, preko katerega pošilja podatke gospodarju, - SS (slave select) je vhod, s katerim gospodar določa, kdaj je konkretna naprava izbrana. Slika 9 predstavlja primer povezave gospodarja s sužnjem. Gospodar generira signal SCLK, ki je povezan na vse podrejene naprave. Po signalu MOSI se prenašajo podatki iz nadrejene naprave gospodar k izbrani podrejeni napravi, po signalu MISO pa obratno. Suženj je izbran s strani nadrejene naprave s signalom SS. Če obstaja več podrejenih naprav, gospodar generira ločen SS signal za vsako podrejeno napravo, kar prikazuje slika 10. Slika 10: Primer povezave gospodarja s tremi suženji. Gospodar generira SS signal z uporabo vhodno/izhodnih sponk ali kakšne druge logike. Gospodar izbere samo eno podrejeno napravo naenkrat. Ko imamo v vezju več podrejenih naprav (Slika 10), nadrejena naprava ob spremembi izbire suženj naprave, SPI vodilo (npr. frekvenco ure) po potrebi rekonfigurira glede na lastnosti podrejene naprave. 14 Parametra imenovana polariteta (CPOL) in faze (CPHA) ure določata robove signala ure (SCLK), pri katerem so podatki poslani in vzorčeni. Vsak od teh dveh parametrov ima dve možni stanji, ki omogočata štiri različne kombinacije. Nadrejeni in podrejeni napravi morata biti enako nastavljeni, da lahko med seboj komunicirata. 3.1.4 Opis mikrokrmilniškega dela Mikrokrmilniški del je sestavljen iz mikrokrmilnika PIC 18F4550 z vgrajeno programsko opremo eProDas. Na mikrokrmilnik so preko vodila SPI povezani štirikanalni 24-bitni AD pretvornik ADS1211P [7] in dva 12-bitna DA pretvornika DAC7611 [8]. Blok shemo mikrokrmilniškega dela prikazuje slika 11. Slika 11: Blok shema mikrokrmilniškega dela. Shema krmilnega dela merilne naprave, ki vsebuje integrirna vezja (PIC 18F4550, ADS1211P in DAC7611 ) z vsemi potrebnimi elementi, je prikazana na sliki 12. 15 Slika 12: Krmilni del merilne naprave. Vsako integrirno vezje obdajajo elementi, ki so potrebni za njihovo delovanje. Mikrokrmilnik potrebuje natančno uro 4 MHz, AD pretvornik (ADS1211P) pa 10 MHz; oboje izvedemo z 16 ustreznima kvarčnima kristaloma. Blokirni kondenzatorji dušijo tokovne konice na napajalnih linijah ter s tem povezano gladijo napajalne napetosti za stabilno delovanje. Vsa integrirna vezja komunicirajo z mikrokrmilnikom preko SPI povezave in so napajana z napetostjo 5 V. Mikrokrmilniški del vezja nismo napajali preko USB vodila zaradi velike občutljivosti na nihanje napajalne napetosti osebnega računalnika, zato smo se odločili za samostojno napajanje z laboratorijskim usmernikom, katerega sponko +15 V smo izregulirali na 5 V z napetosnim regulatorjem LM7805 [5] in dodatno zgladili z blokirnimi kondenzatorji. Blokirni kondenzator C2 zagotavlja stabilno 3,3 V napetost, ki je potrebna za pravilno delovanje USB povezave. Posebno pozornost smo namenili razporeditvi mas. Mikrokrmilniški del ima svojo digitalno maso, saj mikrokrmilnik (IC11) zaradi svojega digitalnega in visokofrekvenčnega značaja preko tokovnih konic na napajalnih vodih povzroča znatne motnje. Če mas nebi ločili, bi se te motnje prenesle na analogni del vezja ter povzročale interferenco z meritvami. Na shemi je digitalna masa označena s simbolom GNDD. Fizično so mase integrirnih vezij povezane v skupni točki na napajalniku celotnega vezja. Precizni 24-bitni AD pretvornik ima štiri popolnoma diferencialne vhode z napetostnim območjem od 0 V do 5 V, kar lahko razširimo z uporabo generatorja Vbias. Na prvem vhodu AD pretvornika smo potrebovali območje napetosti za napetosti ±15 V, zato smo ga razširili s štirimi upori (R51, R52, R53 in R54), ki so vidni na sliki 12. DA pretvornika IC12 in IC13 generirata referenčni napetosti za tokovno in napetostno referenco. DAC7611 je 12-bitni DA pretvornik z vgrajeno napetostno referenco, saj jo ima že vgrajeno. Nominalno območje izhodne napteosti je od 0 V do 4,095 V. Pri spremembi digitalne vhodne besede za 1 LSB se izhodna napetost spremeni za 1 mV, kar je glavna prednost tega pretvornika. 17 3.1.5 Pregled signalov mikrokrmilnika Digitalni signali mikrokrmilnika, ki jih uporabljamo, so povzeti v tabeli 1. PIC sponka funkcija RA0 internal AD kanal 0 RA1 internal AD kanal 1 RB0 SPI vodilo, linija SDI (gospodar) RB1 SPI vodilo, linija SCK (gospodar) RB2 linija LD (DAC7611 - 1) RB3 linija CS (DAC7611 - 1) RB4 linija CS (DAC7611 -2) RB5 linija LD (DAC7611 - 2) RC7 SPI vodilo, linija SDO (gospodar) RD0 vklop releja 1 RD1 vklop releja 2 RD2 vklop releja 3 RE1 linija CS (ADS1211P) RE3 linija DRDY (ADS1211P) Tabela 1: Pregled digitalnih signalov v sistemu. Poleg naštetih signalov, so v vezju pomembni še trije analogni signali, ki vstopajo v AD pretvornik. Ti signali so: napetost V0 in obe izhodni napetosti operacijskih ojačevalnikov IC1 in IC2. Tabela 2 podaja analogne signale, ki jih zajemamo z AD pretvornikom ADS1211P. Vhodni kanal ADS1211P analogni sigal AIN1 signal napetosti V0 AIN2 napetost na izhodni sponki operacijskega ojačevalnika IC1 AIN3 napetost na izhodni sponki operacijskega ojačevalnika IC2 Tabela 2: Analogni signali AD pretvornika ADS1211P. 18 3.2 Analogna vezja Analogna vezja so transimpedančni ojačevalnik, tokovna referenca in pomožna vezja. Slednja vsebujejo odštevalnik, elektrometrski ojačevalnik in vezje za krmiljenje relejev. Na sliki 13 je predstavljena bločna shema analognega vezja, na kaetri so prikazane povezave posameznih sklopov analognih vezij med seboj. Slika 13: Blok shema analognega vezja 19 Slika 14: Analogni del merilne naprave. 20 Na sliki 14 je shema analognega dela merilne naprave, na kateri so označena posamezna vezja. Transimpedančni ojačevalnik je na vhodnih sponkah vezan preko relejev na tokovno referenco ali vhodne sponke. Izhodni sponki (U1 in U2) transimepdančnega ojačevalnika sta vsaka posebej povezani na odštevalnik, ki prilagodi napetostne nivoje na 0 V – 5 V. Izhoda odštevalnika sta vezana na drugi in tretji kanal AD pretvornika ADS1211P. Elektrometerski ojačevalnik je vezan na tokovno referenco. 3.2.1 Transimpedančni ojačevalnik Ampermeter temelji na transimpedančnem ojačevalniku (poglavje 2.2). Vezje na sliki 3 je osnovna izvedba transimepdančnega ojačevalnika, ki je v naši napravi realiziran tako, kot prikazuje slika 15. Operacijska ojačevalnika IC1 (OPA177GP) [6] in IC2 imata manjšo tokovno zmogljivost, kot je merilno območje ampermetra (400 mA), zato smo njun izhod tokovno ojačili z dvema NPN Darlington tranzistrjema T1 [9] in T3 ter dvema PNP Darlingotn tranzistorjema T2 [10] in T4. Upora R1 in R2 sta 17 W s 5 % natančnostjo. Z upori R5 in R6 oz. R9 in R10 ter diodami (1N4148) [12] od D1 do D8 smo določili prednapetosti na tranzistorjih od T1 do T4 in tako dobili izvedbo močnostnega ojačevalnika v AB razredu. Ddiode od D1 do D8 krmilimo tokovno preko uporov R7 in R8 ter R11 in R12. Za preprečitev termičnega pobega dodamo emitorske upore R7 in R8 ter R11 in R12. V vezju na sliki 3 operacijski ojačevalnik IC3 in upori R3 tvorijo odštevalni sistem, ki odšteva napetosti U1 in U2. Analogni vhodi AD pretvornika ADS1211P so diferencialni (AINP - AINN) kar pomeni, da se potencial vhodnih sponk A INN pri AD pretvorbi odšteva od potenciala vhodnih sponk AINP. Tako smo kar z AD-jem odšteli napetosti U1 in U2, in zato odstranili predhodno omenjeni odštevalni sistem. S tem smo se izognili delu pogreška, ki bi ga dobili zaradi napak odštevalnega sistema in hkrati zmanjšali število elementov. 21 R1 10 VCC 15V VCC 15V R5 10k T1 2N6058 R13 10 D1 1N4148 C1 VHOD R7 0.5 D2 OPA177GP IC1 10nF R17 1N4148 U1 1.0k D3 C2 1N4148 R8 0.5 D4 10nF 1N4148 T2 R14 10 R19 1.0k R6 2N6052 10k R3 1.0k VEE VEE -15V -15V VCC 15V VCC 15V R20 1.0k R9 10k R4 1.0k T3 2N6058 R15 10 D5 1N4148 C3 IC2 R11 D6 10nF 0.5 1N4148 R18 VHOD U2 1.0k D7 OPA177GP 1N4148 C4 D8 1N4148 R16 10nF 10 R10 10k R12 0.5 T4 2N6052 VEE VEE -15V -15V R2 10 Slika 15: Naša izvedba transimpedančnega ojačevalnika. 22 Pri majhnih vhodnih tokovih dobimo na izhodih operacijskih ojačevalnikov IC1 in IC2 znatna nihanja izhodne napetosti, ker operacijska ojačevalnika izmenično odpirata tranzistorje T1 in T2 oz. T3 in T4, kar odpravimo z ojačevalnikom v AB razredu, ki krmili že majhne signale. Za zmanjšanje šuma na obeh napajalnih sponkah operacijskih ojačevalnikov dodamo 10 ohmske upore (na sliki 15 upori od R13 do R16) [22, stran 5]. S kondenzatorji od C1 do C4 zmanjšamo nihanje izhodnih napetosti operacijskih ojačevalnikov IC1 in IC2. Ker idealnih elementov ni, dobimo napake zaradi napetostnega in tokovnega premika ter vhodnih mirovnih tokov operacijskih ojačevalnikov IC1 in IC2 ter ostalih neidealnosti ostalih elektronskih elementov. Zaradi vhodnega mirovnega toka operacijskih ojačevalnikov IC1 in IC2 dobimo majhen padec napetosti na uporih R3 in R4, kar prispeva k napaki. Vplive teh napak na merilni rezultat skušamo zmanjšati s programsko kalibracijo, opisano v poglavju 4. 3.2.2 Odštevalnik Informacija o nasičenju operacijskih ojačevalnikov IC1 in IC2 je zelo pomembna. Kljub temu, da se eden izmed operacijskih ojačevalnikov IC1 oz. IC2, ali kar oba skupaj nahajata v nasičenju, lahko površno narejena naprava vseeno izda rezultat izmerjenega toka. Seveda je v primeru nasičenja operacijskega ojačevalnika vrednost toka nepravilna. Operacijski ojačevalnik OPA177GP ima pri napajanju +15 V nasičenje pri ±13,5 V. Vhodna kanala (AIN2 in AIN3) AD pretvornika (ADS1211P) omogočata merjenje napetosti od 0 V do 5 V. Da lahko s pomočjo AD pretvornika zaznamo nasičenje operacijskih ojačevalnikov IC1 in IC2, smo signal spremenili v unipolarnega in prilagodili napetostne nivoje z vezjem odštevalnika na sliki 16. 23 R23 VHOD od -10.75V do 10.75V 3.3k UVH R24 R21 3.3k 1.0k GNDA IC3 IZHOD 0V do 5V UD VCC OPA177GP 15V UIZH R22 1.0k R29 R27 R25 3.3k 3.3k R28 R26 1.0k 1.0k 1.5k GNDA D9 GNDA C5 LM336-2.5V 10nF GNDA GNDA GNDA Slika 16: Shema odštevalnika. Na vhodu vezja upora R21 in R22 predstavljata napetostni delilnik, ki določa napetost na invertirajočem vhodu operacijskega ojačevalnika po enačbi: R22 U = R21+R22 UVH (9) Če je na vhodu vezja UVH = -10,75 V, izhod operacijskega ojačevalnika IC3 generira 0 V, če imamo na vhodu vezja UVH = 10,75 V dobimo na izhodu 5 V. Pri vhodni napetosti UVH = 0 V se izhod postavi na 2,5 V. Vrednost 10,75 V je manjša od predhodno omenjene napetosti nasičenja zaradi upoštevanja varnostnega faktorja. Za realizacijo odštevanja mora biti razmerje uporov enako: R23‖R24 R21‖R22 R25‖R26 = R27‖R28 24 (10) Preciznost odštevalnika je odvisna od preciznosti uporov. Ker ne potrebujemo preciznega odštevalnika, nam zadostujejo upori s 5 % toleranco. Ojačanje sistema je določeno z razmerjem uporov: G= R25‖R26 R27‖R28 = U IZH UD (11) Tako smo uskladili napetostna območja in smo lahko izhodni signal povezali na vhodni kanal AD pretvornika. [14, poglavje 1 str. 9] 3.2.3 Elektrometerski ojačevalnik Pri kalibraciji ampermetra potrebujemo tokovno referenco na različnih napetostnih potencialih. Ker je nominalna napetost 12-bitnega DA pretvornika DAC7611 enaka 4,095 V, smo morali izhod DA pretvornika napetostno ojačiti, da smo lahko nastavljali poljuben potencial med 14 V in -14 V. Shema elektrometerskega ojačevalnega sistema je prikazana na sliki 17. Refernčna dioda D11 (LM336-2.5V) [13] drži potencial neinvertirajočega vhoda operacijskega pojačevalnika IC6 na 2,5 V. Ta ojačevalnik deluje kot sledilnik in drži potencial uporov R40 in R41 na 2,5 V. Operacijski ojačevalnik IC5 in upora R40 ter R41 tvorijo elektrometrski ojačevalni sistem [14, poglavje 1 str. 6] s čimer dobimo izhodno napetost po enačbi: R41 UIZH = 1 + R40 UVH Vhodno napetost UVH nastavljamo z digitalno analognim pretvornikom DAC7611. 25 (12) IC5 UVH VCC UIZH OPA177GP 15V R41 3.9k GNDA GNDA R39 1.5k R40 1.0k IC6 D11 OPA177GP LM336-2.5V GNDA Slika 17: Elektrometerski ojačevalnik 3.2.4 Tokovna referenca Za kalibracijo ampermetra potrebujemo precizijski tokovni izvor, ki ga prikazuje slika 18. Zgrajen je po principu tokovnega ponora v kombinaciji z MOSFET tranzistorjem (BS107) [15] T5 in bipolarnim Darlington tranzistorjem (2N6058) [9] T6. Za MOSFET tranzistor smo se odločili, ker je pri teh tranzistorjih parazitni tok preko vrat (nagl.: gate) zelo majhen, in ga je zato lažje krmiliti. Za MOSFET tranzistor smo se odločili, ker je pri teh tranzistorjih parazitni tok preko vrat (angl.: gate) zelo majhen, in je zato tranzistor lažje krmiliti. Ker ima tranzistor T5 majhno tokovno zmogljivost, smo dodali tranzistor T6, s čimer dobimo konceptualno ekvivalentno delovanje Darlington vezavi bipolarnih tranzistorjev. Razpršenost parametrov FET tranzistorja nima pomembne vloge, ker je napetost na uporu R46 krmiljena z operacijskim ojačevalnikom IC8 in instrumentacijskim ojačevalnikom (AD620A) [16] IC9. 26 Slika 18: Tokovni izvor s kombinacijo MOSFET in bipolarnega tranzistorja. 27 Instrumentacijski ojačevalnik IC9 meri padec napetosti na uporu R46 in nato operacijski ojačevalnik IC8 to napetost primerja z vhodno napetostjo UDAC1. Iz tega sledi, da je tok I konstanten in enak: I= U DAC 1 R46 (13) S spreminjanjem napetosti UDAC1, poljubno nastavljamo vrednosti toka, ki jih potrebujemo za kalibracijo ampermetra. Napetost na uporu R46 merimo diferencialno, pri čemer je sofazna napetost motilna, zato uporabimo instrumentacijski ojačevalnik z visokim CMRR. Instrumentacijski ojačevalnik AD620A ima poleg visokega CMRR (od 73 dB do 90 dB) tudi sponko referenčnega terminala (Reference terminal), ki določa napetost nič na izhodni sponki ojačevalnika. Upor R46 je preko releja RL3 vezan na negativno sponko napajanja. Negativno nasičenje uporabljenega inštrumentacijskega ojačevalnika IC9 znaša –Vs + 1,6 V, zato smo vrednost negativnega potenciala na uporu R46 dvignili z diodami (UF5408) [18] D16 - D24 na približno -10 V. Ker je upor R46 na negativnem potencialu, napetosti na uporu R46 ne moremo direktno primerjati (preko operacijskega ojačevalnika IC8) z vhodno napetostjo DA pretvornika UDAC1. Zato potrebujemo instrumentacijski ojačevalnik s sponko referenčnega terminala, ki nam omogoča izenačitev napetosti 0 V instrumentacijskega ojačevalnika IC9 z maso DA pretvornika DAC1. Zgornji del vezja na sliki 18 predstavlja močnostni ojačevalnik v AB razredu, ki ga preko releja RL1 priključimo na vhodno sponko ampermetra. Ker potrebujemo tokovno referenco na različnih potencialih, s pomočjo napetostnega sledilnika, ki ga tvori operacijski ojačevalnik IC7, in vhodno napetostjo UVH nastavljamo različne vrednosti potenciala na vhodni sponki ampermetra. Vhodno napetost UVH nastavljamo z DA pretvornikom DAC2, katerega izhod ojačimo z elektrometerskim ojačevalnikom, ki je prikazan v poglavju 3.2.3. Tokovno referenco preko relejev (JW1FSN) [17] RL1 in RL2 priključimo na vhodne sponke ampermetra. Upor R28 za vsak slučaj odklopimo od negativnega napajanja z relejem RL3 zato, da tok ne teče skozi upor R46, ko tokovne reference ne potrebujemo. 28 3.2.5 Vezje za krmiljenje relejev Mikrokrmilnik PIC18F4550 lahko na posamezni vhodno/izhodni sponki dovaja maksimalen tok 25 mA, skupno na vseh sponkah pa do 200 mA. Nominalni tok pri vklopu releja (JW1FSN) je približno 106 mA. Da mikrokrmilnik ne bi bil tokovno preobremenjen, smo izhode močnostno ojačili. Shema vezja je na sliki 19. VCC 15V LM7805 IC10 D25 GNDA VHOD R47 1N4148 RL JW1-FSN-DC5V 10A/30VDC T7 820 GNDD BD137 GNDA Slika 19: Shema vezja za ojačitev izhodov PIC-a. Nominalna napetost releja (JW1FSN) RL je 5 V, zato smo uporabili napetostni regulator LM7805, ki napajalno napetost 15V izregulira na 5 V. Diodo D25 smo dodali zato, da v času izklopa releja RL preprečuje povratne sunke inducirane napetosti iz navitja releja, ki bi sicer lahko uničili tranzistor (BD137) [21] T7. Vhod ojačimo s tranzistorjem T7, kjer pri 5 V vhodnem signalu teče bazni tok 5,2 mA, kar izkrmili tranzistor v področje nasičenja, zato se rele vklopi. Pri vhodnem signalu 0 V tranzistor T7 ne prevaja in rele je izklopljen. 29 30 4. Kalibracija Osnovni namen kalibracije instrumentov je trajno zagotavljanje specificiranih karakteristik in sledljivosti merilnih rezultatov. Vsak merilni instrument mora biti občasno pregledan, da se preveri točnost njegovih merilnih rezultatov. 4.1 Kalibracija (umerjanje) ampermetra Pri kalibraciji ampermetra pod določenimi pogoji (temperatura, vlaga, ...) nanj priključimo znani električni tok in merimo njegov odziv. V našem primeru ampermeter kalibriramo pri treh različnih vrednostih tokovne reference, zato dobimo tudi tri odzive. Dobljene vrednosti odzivov in vrednosti tokovnih referenc določajo kalibracijske točke, s katerimi izračunamo pripadajočo parabolo, ki je osnova za interpolacijo ali ekstrapolacijo dejanskih merilnih rezultatov. Določiti moramo odvisnost napetosti V0 od vrednosti toka i, ki teče skozi vezje transimepdančnega ojačevalnika (slika 3). Tok izračunamo iz enačbe 3, in če bi imeli idealne elemente, bi napetost V0 linearno naraščala z vrednostjo toka I. Slika 20: Idealna odvisnost toka I od napetosti V0. 31 Referenčni vrednosti tokov I1 in I2 priključimo na ampermeter, ki na uporu R1 povzročita padca napetosti V1 in V2. Dobljeni vrednosti določata točki T1 in T2, skozi kateri narišemo premico (slika 20). Premica na sliki 20 podaja odvisnost napetosti V0 od toka I oziroma obratno, zato lahko zapišemo enačbo: V I = −2R0 = V0 · k 1 (14) Vrednost koeficienta k določimo pri kalibraciji, zato za izračun toka potrebujemo samo napetost V0. Na ampermeter priključimo tok in pomerimo napetost V0. Z enačbo premice, ki jo izračunamo pri kalibraciji, določimo merjeni tok. Ker v praksi nimamo idealnih elementov bi z določitvijo linearne odvisnosti napetosti V0 od toka I, naredili določeno napako, ki jo zmanjšamo s kalibracijo pri treh različnih vrednostih toka, s čimer skozi pripadajoče točke izračunamo parabolo. S kalibracijo poskušamo zmanjšati napake uporabljenih operacijskih ojačevalnikov ter ostalih neidealnih elementov v vezju. Viri napak so tokovni in napetostni premiki operacijskih ojačevalnikov, njihovi vhodni mirovni tokovi ter ostale neidealnosti ostalih elektronskih elementov. Poudariti je potrebno, da so omenjeni parametri odvisni od temperature, vlage, itd., torej je kalibracija veljavna le v omejenem območju merilnih pogojev. Ob spremembi pogojev se napaka meritve poveča, zato je smiselno kalibracijo periodično ponavljati. Npr. če ampermeter uporabljamo v drugem prostoru s spremenjeno temperaturo, je zelo priporočljivo, da se kalibracijo ponovi. V elektrotehniki ne moremo trditi, da je nek elektronski element povsem linearen. Za lažje razumevanje, računanje, analizo itd. si lastnosti nelinearnega elementa, v okolici vnaprej izbrane delovne točke, nadomestimo z lastnostmi linearnega elementa. Vendar linearne lastnosti veljajo samo v okolici izbrane delovne točke. Pri kalibraciji ampermetra bi tudi mi lahko uporabili linearno enačbo oziroma premico, vendar smo se odločili, da bomo skozi kalibracijske točke namesto premice, potegnili parabolo. 32 4.1.1 Enačba parabole Pri kalibraciji potrebujemo izračun parabole iz treh znanih točk. Enačba parabole v splošni obliki je: y = ax 2 + bx + c; a, b, c ∈ ℛ, a ≠ 0 (15) Parabolo lahko izračunamo, če poznamo vsaj tri točke. T1 = x1 , y1 , T2 = x2 , y2 in T3 = (x3 , y3 ) Slika 21: Graf parabole s tremi točkami. Če točka T1 = x1 , y1 leži na grafu parabole, njeni koordinati zadoščata enačbi funkcije: y1 = ax12 + bx1 + c1 Isto lahko zapišemo še za ostali dve točki s čimer dobimo tri enačbe s tremi neznankami: y1 = ax12 + bx1 + c1 y2 = ax22 + bx2 + c2 y3 = ax32 + bx3 + c3 Vstavimo vrednosti točk in dobimo sistem treh linearnih enačb za izračun neznanih koeficientov a, b, in c 33 4.1.2 Postopek kalibracije Pri kalibraciji na vhodne sponke ampermetra priključimo znano vrednost električnega toka in merimo odziv. Ker za izračun parabole potrebujemo vsaj tri točke, potrebujemo tudi tri referenčne vrednosti toka. Napetostni premik operacijskih ojačevalnikov se spreminja tudi s potencialom na priključnih sponkah ampermetra. Neinvertirajoča vhoda operacijskih ojačevalnikov IC1 in IC2 sta direktno vezana na priključne sponke, torej je vhod na istem potencialu, kot je potencial vira merjenega toka. Pomembno je, da pomerimo spremembo napetostnega premika v odvisnosti od potenciala na vhodnih sponkah, in to pri meritvi upoštevamo. Odvisnost spremembe napetostnega premika od vhodnega potenciala zajamemo v kvadratni enačbi oziroma z grafom parabole, zato potrebujemo tri različne vrednosti tokovne reference na treh različnih potencialih. Postopek kalibracije ampermetra je sledeč. V prvem koraku na vhod priključimo tokovno referenco I1 na potencialu X1 in z AD pretvornika preberemo razliko napetosti U1 in U2. Nato potencial tokovne reference I1 nastavimo na X2 in kasneje na X3, ter v obeh pogojih zopet z AD pretvornika preberemo napetostno razliko. Tako dobimo tri točke (T11, T12 in T13) prikazane na sliki 22 iz katerih izračunamo parabolo y1. Slika 22: Parabola y1 skozi tri točke pri toku I1 34 Drugi korak in tretji korak potekata enako, le da na vhod priključimo tokovni referenci I2 in I3 ter z dobljenimi meritvami izračunamo paraboli y2 in y3. Dobljene parable y1, y2 in y3 podajajo odvisnost razlike napetosti U1 in U2 od treh vrednosti potenciala X na vhodnih sponkah pri treh konstantnih vrednostih toka. Vse tri parabole so prikazane na sliki 23. Slika 23: Kalibracijske točke s pripadajočimi parabolami y1, y2 in y3. Vrednosti tokovnih referenc I so poljubne, prav tako potenciali tokovnih referenc X. V našem primeru smo izbrali tokovne reference: I1 = 60 mA, I2 = 150 mA in I2 = 250 mA. Vrednosti potencialov tokovnih referenc X smo izbrali: X1 = -5 V, X2 = 0 V in X3 = +5 V. 35 4.1.3 Uporaba parabol za izračun toka Na priključne sponke ampermetra priključimo merjeni tok. Pomerimo vrednost potenciala X na vhodnih sponkah in z interpolacijo po točkah parabol y1, y2 in y3 izračunamo nove tri točke pri vrednostih tokovnih referenc I1, I2, in I3. Iz dobljenih točk izračunamo parabolo y (slika 24) in odčitamo razliko napetosti U1 in U2. Z interpolacijo parabole y glede na izmerjeno vrednost AD pretvornika izračunamo merilni rezultat. Postopek ponovimo pri vsaki meritvi. Slika 24: Nove tri točke in pripadajoča parabola y pri potencialu X. 36 5. Praktična izvedba ampermetra Praktično izvedbo ampermetra razdelimo na strojni in programski del. Strojni del predstavljajo vezja na prototipnih ploščah in hladilna rebra za hlajenje močnostnih Darlingotn tranzistorjev. Programski del predstavlja program napisan v programskem jeziku C. 5.1 Strojni del Med razvojem merilnega sistema smo imeli vsak del analognega vezja na svoji prototipni plošči, da smo lažje, hitreje in enostavneje prilagajali vezja svojim zahtevam. Z dosegom zadovoljivega delovanja posameznih sklopov, smo vezja strnili skupaj in število prototipnih plošč zmanjšali na tri. Na dveh prototipnih ploščah imamo analogna vezja in na eni prototipni plošči mikrokrmilniški del. Slika 25: Prototipne plošče. 37 Slika 26: Hladilna rebra in močnostni Darlington tranzistorji. Za hlajenje močnostnih Darlington tranzistorjev smo uporabili hladilna rebra TO3. Le ta smo namestili čim bližje prototipnim ploščam, da smo skrajšali povezave med priključnimi sponkami (baze in emitorja) tranzistorjev in elementi na prototipnih ploščah. Darlingotn tranzistorji s hladilnimi rebri so prikazani na sliki 26. 38 Slika 27: Priključne sponke. Glavni cilj ampermetra je (poleg točnosti meritev) doseganje čim manjšega padca napetosti med njegovimi priključnimi sponkami, katerega skušamo izregulirati na 0 V z operacijskima ojačevalnikoma IC1 in IC2. Priključne sponke so direktno povezane na neinvertirajoča vhoda teh elementov, zato smo skušali doseči čimkrajše povezave med njimi. Priključne sponke, ki so vidne na sliki 27, smo pritrdili direktno na prototipno ploščo, na kateri je vezje transimpedančnega ojačevalnika. Pri izgradnji vezj na prototipnih ploščah smo posebno pozornost posvetili večim stvarem. Kot prvo smo morali biti pozorni na same povezave analognih elementov na prototipnih ploščah. Za zmanjšanje parazitnih oscilacij in ostalih motenj v vezjih, smo se skozi celoten razvoj nagibali k čimkrajšim povezavam med elementi. Napajanje operacijskih ojačevalnikov in tranzistorjev smo realizirali z ločenimi vezicami in jih združili v skupni točki, ki se nahaja direktno na izhodu napajalnika celotnega vezja. Vsem 39 elementom, ki potrebujejo napajanje, smo dodali blokirne kondenzatorje za glajenje tokovnih konic na napajalnih vodih. Posebno pozornost smo namenili pravilnemu ločevanju mas. Analogni del vezja ima svojo maso, digitalni del svojo, obe masi smo združili skupaj v eni točki, ki se nahaja direktno na izhodu napajalnika. Z izvedbo vezij sestavljenih na prototipnih ploščah je skoraj nemogoče, da bi se izognili modulaciji mase [19]. Modulacijo mase povzročajo povratni tokovi, ki tečejo v maso. Ta pojav nam povzroča napake tudi na vezju tokovne reference, ki je na sliki 18 oz. na sliki 28. Slika 28: Vezje tokovne refernce in vezja za tokovno ojačanje izhodov mikrokrmilnika. Na uporu R46 z DA pretvornikom DAC1 nastavljamo napetost. Upor R46 je preko releja RL3 vezan na analogno maso, ki se nahaja direktno na napajalniku celotnega vezja. DAC1 ima digitalno maso. Ker se padec napetosti na analogni masi drugače spreminja od padca na digitalni masi, dobimo napako. DAC1 ne občuti spremembe potenciala analogne mase, ker je 40 vezan na digitalno maso, zato dobimo pri konstantni vrednosti DAC1 majhno nihanje vrednosti tokovne reference. Problem masne modulacije bi lahko zmanjšali z izdelavo tiskanega vezja, kjer bi za povezave mas uporabili masni sloj (angl.: ground plane). Masni sloj reši veliko problemov s svojo majhno impedanco, se pa moramo zavedati, da to ni rešitev za vse probleme [19, str. 866]. V merilnem sistemu imamo analogne in digitalne signale. Za preprečevanje vpliva digitalnih signalov z veliko vsebovanostjo višjih harmonskih frekvenc na občutljive analogne signale, smo pri načrtovanju vezja posvečali posebno pozornost pravilni razporeditvi elementov in povezovanju signalnih vezic. Slika 29: Mikrokrmilniški del. Na slki 29 je mikrokrmilniški del sestavljen iz mikrokrmilnika PIC 18F4550, katerega obdajajo AD pretvornik in dva DA pretvornika ter regulator napetosti 5 V. Vsak element obdajajo blokirni kondenzatorji za dušenje tokovnih konic in stabilnejše napajanje. 41 5.2 Programski del Program s katereim upravljamo instrument in zajemamo odčitke je napisan v programskem jeziku C. Program omogoča izvedbo kalibracije, računanje koeficientov parabole ter merjenje toka. Ob zagonu programa se nam izpiše menu za upravljanje instrumenta (slika 30). Prikazane izbire so opisane v nadaljevanju. Slika 30: Začetni menu. Z releji preklapljamo povezavo vhodnih sponk med zunanjimi sponkami instrumenta in tokovno referenco, katere vrednost nastavljamo z DA pretvornikom DAC1, medtem ko DAC2 določa potencial tokovne reference. Oboje nastavitev potrebujemo za izvedbo kalibracije opisano v poglavju 4.1.2. Rezultat izračuna parabol pri kalibraciji je na sliki 31. 42 Slika 31: Izračun parabol pri kalibraciji. Na vhod ampermetra priključimo merjeni tok. Z AD pretvornikom pomerimo razliko napetosti U1 in U2 ter napetosti na izhodnih sponkah operacijskih ojačevalnikov IC1 in IC2. Zaradi manjšanja vpliva šumov in motenj, program omogoča poljubno nastavljivo ponavljanje meritve AD pretvornika. Dobljene rezultate sortiramo od največjega do najmanjšega, nato iz nabora izločimo poljubno število največjih in najmanjših vrednosti, nakar iz preostalih vrednostih izračunamo aritmetično sredino. Z interpolacijo parabol izračunanih pri kalibraciji, glede na izračunano aritmetično sredino, izračunamo merilni rezultat. Primer meritve toka je na sliki 32. 43 Slika 32: Meritev toka. 44 6. Merilna negotovost Merilna negostovost je parameter, ki pripada merilnemu rezultatu in označuje razpršenost vrednosti, ki jih je mogoče z določeno verjetnostjo pripisati merjeni veličini. Merilna negotovost je torej veličina, ki navaja kakovost merilnega rezultata s številsko vrednostjo in enoto in nikakor ne kaže le na dvom v pravilnost merilnih rezultatov na splošno [20, stran 78]. Pri razvoju sistema smo v analognem delu vezja, kjer je bilo to le mogoče, uporabili cenene (neprecizijske) elektronske elemente. Analognemu delu sledi kakovosten AD pretvornik z visoko ločljivostjo, ker zajem podatkov odločilno vpliva na merilno negotovost instrumenta. Omenjeni pristop s kalibracijo, ki se pogosto uporablja na merilnih področjih, kjer želimo doseči čimmanjšo merilno negotovost, ima očitne prednosti pred uporabo dragih analognih elektronskih elementov. Največja prednost je doseganje nižje cene naprave pri enaki merilni negotovosti, kot bi jo dosegli z dražjimi in preciznejšimi elementi brez kalibracije. Seveda pa moramo biti pri takšnih pristopih načrtovanja merilnih naprav previdni, saj vseh slabosti cenenih analognih elektronskih elementov ne moremo kompenzirati. Veliko težavo predstavlja temperatura, ki opazno vpliva na vse elemente. S spremembo temperature se spreminjajo upornosti uporov, parametri traznistorjevev in operacijskih ojačevalnikov ter ostale karakteristike. Ceneni elementi so navadno bolj podvrženi temperaturnim spremembam v primerjavi s precizijskimi elementi, kar lahko omilimo s pogosto kalibracijo instrumenta. Naslednji problem nam predstavlja nelinearnost analognega dela vezja, saj za noben elektronski element ne moremo trditi, da je povsem linearen. Potrebno pa se je zavedati, da se tudi nelinearna karakteristika spreminja, ne samo s temperaturo, pač pa tudi s katerim izmed drugih vplivov iz okolja. 6.1 Analiza merilne negotovosti Napako merjenja povzročajo napetostni in tokovni premiki operacijskih ojačevalnikov ter njihovi vhodni mirovni tokovi, napake AD pretvornikov (napaka kvantizacije, itd.) in merilna negotovost ampermetra, s katerim pri kalibraciji merimo tokovno referenco. 45 Pri seštevanju napetostnih premikov upoštevamo maksimalne vrednosti, da so dobljeni rezultati veljavni v najmanj ugodnih primerih. Napetosni premik operacijskega ojačevalnika OPA177GP pri 25 ºC znaša maksimalno 60 μV. Vhodni mirovni tok in tokovni premik pri tej temperaturi znašata maksimalno 2,8 nA; tokovni premik je enak vhodnemu mirovnemu toku, ker operacijski ojačevalnik vsebuje tokovna zrcala za kompenzacijo vhodnega mirovnega toka. Toleranca uporov R1 in R2, na katerih merimo padec napetosti, znaša 5 % in predstavlja največji prispevek h končni toleranci merilnika. Za vrednosti uporov R1 in R2 ob upoštevanju tolerance velja, da je upornost upora enaka R = 10 Ω ± 0,5 Ω. Skupna napaka zaradi napetostnega premika operacijskih ojačevalnikov IC1 in IC2 znaša 120 μV. Omenjeno napako preračunamo v tok tako, da jo delimo z vrednostjo uporov R1 in R2, s čimer dobimo: U OFF ΔIR = R 1 +R 2 120 μV = 9,5 Ω+9,5 Ω = 6,32 μA (16) Pri izračunu smo upoštevali spodnjo mejo vrednosti uporov R1 in R2 glede na njuno toleranco, s čimer dobimo najbolj neugoden vpliv na končno napako. Skupna napaka zaradi tokovnih premikov in vhodnih mirovnih tokov omenjenih operacijskih ojačevalnikov znaša: ΔITOK = 4 · 2,8 nA = 11,2 nA (17) Vsaka AD pretvorba vodi v napako kvantizacije, ki jo v našem primeru zmanjšamo na zadovoljiv nivo z uporabo kakovostnega 24-bitinega AD pretvornika ADS1211P. Le ta ponuja bogato izbiro možnih konfiguracij [7, stran 21 tabela XI], s katerimi glede na konkretno situacijo izberemo optimalen kompromis med protislovnimi veličinami, kot sta točnost in hitrost pretvorbe. V našem primeru ne potrebujemo hitrega zajemanja napetosti (frekvenca vzorčenja pod 1 kHz), pretvornik konfiguriramo za izvajanje počasnih pretvorb visoke ločljivosti 21 efektivnih bitov. Maksimalna napetost V0, ki jo še lahko preberemo na kanalu AIN1 AD pretvronika ADS1211P, znaša 30,5 V. Omenjeno vrednost vstavimo v enačbo 16 namesto UOFF in dobimo 46 maksimalni tok 1,6 A. Iz tega izračunamo, da napaka zaradi kvantizacije AD pretvornika pri 21 bitih zajema znaša: I ΔIK = 2N = 1,6 A 221 = 0,76 μA (18) Pri kalibraciji vrednost tokovne reference, ki jo merimo z digitalnim multimetrom Agilent 34401A točnostnega razreda 0,0035 %, vstavimo v kalibracijske točke. Merilna negotovost omenjenega multimetra prispeva k napaki našega ampermetra, ki jo izračunamo z enačbo 19. Merilno območje instrumenta je 400 mA, zato je maksimalna vrednost tokovne reference IKAL enaka 400 mA. Napaka tokovne reference pri omenjeni vrednosti znaša: ΔIM = IKAL ⋅ 0,000035 = 0,4 A ⋅ 0,000035 = 14 μA (19) Izračunani pogrešek v najslabšem primeru znaša: ΔI = ΔIR + ΔITOK + ΔIK + ΔIM = 21,1 μA (20) V relativni obliki: ΔI 21,1 μA e % = I = 400 mA ⋅ 100 % = 0,01 % N 47 (21) 48 7. Empirični testi V tem poglavju primerjamo karakteristike našega ampermetra s štirimi certificiranimi ampermetri uveljavljenih proizvajalcev. Prvi nabor meritev primerja padec napetosti na priključnih sponkah pri različnih merjenih tokovih. Med meritvami so bili vsi instrumenti vezani zaporedno. Dobljeni rezultati so prikazani v tabeli 3. merjeni naš merilnik Agilent 34401A HP 34401A METEX M- Finest 701 tok [mA] [mV] [mV] [mV] 4660 [mV] [mV] 10 0,2 55 59 22 35 15 0,4 85 133 27 54 25 0,6 140 148 30 127 50 1,1 277 316 76 184 75 1,6 350 391 111 271 90 1,9 473 517 131 326 100 2,1 522 586 147 368 150 3,1 72 124 230 570 180 3,6 84 143 267 651 200 4,0 94 159 270 1000 230 4,6 108 183 273 1050 250 5 119 203 282 1130 275 5,5 129 219 289 1200 300 6 141 239 294 1260 325 6,6 152 258 301 1320 350 7,1 164 278 305 1390 375 7,6 176 298 309 1470 400 8,1 318 318 325 1530 Tabela 3: Primerjava ampermetrov pri različnih tokovih. 49 Na podlagi dobljenih rezultatov lahko trdimo, da smo dosegli zastavljeni cilj zmanjšanja parazitnega padca napetosti na priključnih sponkah. Nazornejši prikaz rezultatov v tabeli 3 podaja graf 1. Graf 1: Grafični prikaz rezultatov v tabeli 3. 50 7.1 Merjenje pogreška merilnika Za določitev merilnega pogreška izdelanega instrumenta, smo primerjali rezultate našega ampermetra z rezultati certificiranega multimetra Agilent 34401A z natančnostjo 6,5 decimalnih mest. Rezultati meritev so podani v tabeli 4. IAGILENT [mA] IAMPERMETER [mA] ΔI [mA] e[%] 0,430 0,4304 0,0004 0,005 1,080 1,077 -0,003 -0,14 1,120 1,117 -0,003 -0,13 2,080 2,075 -0,005 -0,07 3,000 2,994 -0,006 -0,05 4,090 4,084 -0,006 -0,07 5,079 5,069 -0,010 -0,098 6,068 6,057 -0,011 -0,09 7,140 7,131 -0,009 -0,06 8,050 8,04 -0,01 -0,06 9,120 9,11 -0,01 -0,0548 10,02 10,014 -0,006 -0,03 11,01 11,001 -0,009 -0,04 12,07 12,067 -0,003 -0,012 13,06 13,051 -0,009 -0,034 14,04 14,035 -0,005 -0,0178 15,02 15,015 -0,005 -0,0166 17,42 17,411 -0,009 -0,026 20,14 20,133 -0,007 -0,0173 23,21 23,2 -0,01 -0,022 25,02 25,015 -0,005 -0,01 30,07 30,064 -0,006 -0,01 35,05 35,041 -0,009 -0,013 Tabela 4:Primerjava pogreškov našega ampermetra z multimetrom Agilent 34401A. 51 IAGILENT [mA] IAMPERMETER [mA] ΔI [mA] e[%] 40,055 40,05 -0,005 0,01 45,05 45,048 -0,002 0,002 50,078 50,067 -0,011 0,01 55,16 55,153 -0,007 -0,01 60,14 60,131 -0,009 -0,01 65,06 65,048 -0,012 -0,009 70,12 70,107 -0,013 -0,009 75,03 75,018 -0,012 -0,008 80,23 80,215 -0,015 -0,009 85,25 85,215 -0,035 -0,02 90,08 90,069 -0,011 -0,006 95,16 95,147 -0,013 -0,007 100,07 100,056 -0,014 -0,007 110,01 109,985 -0,025 -0,01 120,03 120,011 -0,019 -0,008 130,01 129,989 -0,021 -0,008 139,99 139,957 -0,033 -0,01 150,14 150,109 -0,031 -0,01 160,84 160,803 -0,037 -0,01 170,4 170,340 -0,06 -0,017 180,16 180,109 -0,051 -0,014 190,1 190,039 -0,061 -0,016 200,09 200,024 -0,066 -0,016 210,12 210,04 -0,08 -0,019 220,48 220,385 -0,095 -0,022 230,16 230,067 -0,093 -0,02 240,11 240,005 -0,105 -0,02 250,23 250,11 -0,12 -0,024 260,7 260,561 -0,139 -0,027 270,07 269,928 -0,142 -0,026 Tabela 4: Nadaljevanje. 52 IAGILENT [mA] IAMPERMETER [mA] ΔI [mA] e[%] 280,27 280,117 -0,153 -0,027 290,07 289,895 -0,175 -0,03 300,41 300,217 -0,193 -0,032 310,03 309,838 -0,192 -0,031 320,29 320,066 -0,224 -0,035 330,01 329,775 -0,235 -0,036 340,04 339,781 -0,259 -0,038 350,15 349,873 -0,277 -0,039 360,61 360,315 -0,295 -0,041 370,05 369,721 -0,329 -0,039 380,16 379,799 -0,361 -0,047 390,2 389,809 -0,391 -0,05 400,18 399,766 -0,414 -0,05 425,7 425,211 -0,489 -0,057 450,11 449,554 -0,556 -0,062 500,24 499,553 -0,687 -0,069 Tabela 4: Nadaljevanje. Razliko med izmerjenima vrednostima toka ΔI podaja tretji stolpec tabele, pripadajoči procentualni pogrešek e pa je podan v četrtem stolpcu. Absolutni pogrešek je enak maksimalnemu odstopanju vrednosti našega ampermetra od vrednosti multimetra Agilent 34401A. ΔIA = ±max (IAMPERMETER − IAGILENT ) = ±0,414 mA (22) In pogrešek zapisan v relativni obliki: e% =± ΔI A IN =± 0,414 mA 400 mA ⋅ 100 = ±0,1 % Na podlagi dobljenih rezultatov lahko trdimo, da naš merilnik dosega natančnost 0,1 %. 53 (23) Procentualni pogrešek je za celoten velikostni red večji od teoretično izračunanega po enačbi 21, kar pomeni da je bila izvedena analiza pomankljiva. Zlasti bi morali upoštevati vpliv interferenc zaradi prevelikih dimenzij sistema na preizkusni plošči. Te interference, ki jih do sedaj nismo omenjali, so bile med razvojem in preizkušanjem dobro vidne na osciloskopu. Sklepamo, da bi natančnost instrumenta lahko povečali z bolj kompaktno izvedbo (tiskano vezje, masna površina) ter uporabo oklopitev. 54 7. Zaključek Cilj diplomske naloge je razvoj in izdelava prototipnega laboratorijskega ampermetra točnostnega razreda vsaj 0,1 % s čim manjšim padcem napetosti na priključnih sponkah. Izvedba ampermetra temelji na vezju transimpedančnega ojačevalnika, ki s povratno zvezo meri padec napetosti na priključnih sponkah, in ga skuša izregulirati na 0 V. V diplomski nalogi je predstavljena izvedba takega instrumenta ter opisan postopek kalibracije, s katero poskušamo izničiti vplive napak operacijskih ojačevalnikov ter neidealnosti ostalih elementov. Z empiričnimi testi smo preverili razred točnosti ampermetra, ki znaša 0.1 %. Opravili smo meritve padca napetosti na njegovih priključnih sponkah ter naredili primerjavo s štirimi splošno namenskimi ampermetri. Iz dobljenih rezultatov smo ugotovili, da ima naš ampermeter občutno manjši padec napetosti od ostalih instrumentov. 55 56 8. Literatura [1] eProDas Data Acquisition system, User's guide and programming manual, http://lie.fe.uni-lj.si/eProDas/eProDas_Version_1_0.pdf, 21. december 2007 [2] Arie F. Arbel, Analog Signal Processing and Instrumentation [3] ] PIC18F2455/2550/4455/4550, Data Sheet, http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39632c.pdf, 26. Marec 2009 [4] http://www.embedded.com/story/OEG20020124S0116 [5] LM7805, http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/fairchild/LM7805.pdf [6] OPA177GP, http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/216550/BURR-BROWN/OPA177GP.html [7] 24-Bit ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER, http://datasheet.octopart.com/ADS1211-Texas-Instruments-datasheet-152048.pdf [8] 12-Bit Serial Input DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTER DAC7611, http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/dac7611.pdf, [9] 2N6058, http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/208/72530_DS.pdf [10] 2N6052, http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/boca/2N6059.pdf [11] OP07, http://web.mit.edu/6.301/www/OP07_a.pdf [12] 1N4148, http://www.nxp.com/documents/data_sheet/1N4148_1N4448.pdf [13] LM336-2.5V, http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/82827/NSC/LM368.html [14] Walter G. Jung, OP AMP APPLICATIONS [15] BS107, http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/motorola/BS107.pdf [16] AD620A, http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/analogdevices/105505445AD620_e.pdf [17] Panasonic-JW1FSN-DC5V, http://pewa.panasonic.com/pcsd/product/pwr/pdf/mech_eng_jw.pdf [18] UF5408, http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/jgd/UF5402.pdf [19] Hank Zumbahlen, Linear Circuit Design Handbook [20] Franc Bergelj, MERITVE 1. del [21] BD137, http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/siemens/BD137-10.pdf [22] http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/135208865an-202.pdf 57 58 Izjava Izjavljam, da sem diplomsko delo izdelal samostojno pod vodstvom mentorja doc. dr. Boštjana Murovca, univ. dipl. inž. el. Izkazano pomoč drugih sodelavcev sem v celoti navedel v zahvali. Bernard Beber 59
© Copyright 2024