Развитие полупроводниковой электроники позволило создавать сложные по схемотехническому устройству электронные компоненты, которые способны выполнять функции, для реализации которых потребовалась бы электрическая схема, включающая сразу несколько электронных компонентов, поскольку в полупроводниковой электронике требуемая электрическая схема может быть реализовано на одном кристалле. Стали появляться новые электронные компоненты, основанные на микросхемах, что открыло новые возможности для проектирования электронной аппаратуры, которая помимо улучшения уже существующих свойств, например уменьшения габаритов, начинала приобретать новые свойства, например автоматизация некоторых процессов, для которых раннее требовалось участие человека. В приборостроении основное направление в автоматизации процесса измерения, к которым можно отнести автоматизацию процесса обработки результата измерения, автоматизация процесса калибровки прибора, преобразование измеренного сигнала в величину, удобную для восприятия, отправки, хранения или обработки, например в цифровой код. В этой статье будет рассмотрена возможность применения полупроводниковой электроники для автоматизации калибровки приборов.
Описание способа автоматизации калибровки прибора.
При калибровке прибора может применяться метод, при котором корректируется некоторый параметр в измерительной цепи при нулевом воздействии измерительной величины или при известном значении измеряемой величины. Такой способ может применяться для уменьшения величины постоянной смещения выходной величины прибора при нулевом входном воздействии. В частности, можно использовать, например резистор с настраиваемым сопротивлением – потенциометр, сопротивление которого можно менять вручную. Например, такой способ может использоваться для уменьшения погрешности смещения нуля в операционных усилителях. Однако в целях автоматизации целесообразней применять настройку путем подачи электрического сигнала. При применении электронного компонента, который бы менял свой электрический параметр в зависимости от выходного сигнала прибора точность действительно можно повысить, поскольку в данном случае имеет место обратная связь. Однако в данной статье рассматривается именно метод калибровки путем настройки прибора при нулевом воздействии. В этом случае, требуется электронный компонент, способный сохранять свой параметр после настройки, при этом регулируемый электрически. И электронные компоненты на базе микросхем предоставляют широкий выбор подобных компонентов, начиная от компонентов, настраиваемый параметр которых можно задать через интерфейс, занести в память самого компонента в виде кода, или путем подачи электрического сигнала на вход настройки. Для примера рассмотрим цифровой потенциометр. Принцип его действия аналогичен обычному потенциометру, однако данный тип потенциометр меняет свое сопротивление в зависимости от поданного на вход настройки электрического сигнала. Сигнал подается через интерфейс, и в данной статье рассмотрен интерфейс UP/DOWN, принцип работы которого следующий. Один вывод потенциометра отвечает за изменения сопротивления, один за выбор направления изменения сопротивления, электрический сигнал, поданный на эти ножки потенциометра, определяет, как и когда будет меняться сопротивление. Если при калибровке имеется смещения нуля можно подать в измерительную цепь через потенциометр сигнал калибровки, при этом сигнал об изменении сопротивления потенциометра будет изменяться до тех пор, пока погрешность нуля не снизиться до минимального значения.
Моделирования процесса автоматической калибровки в системе Proteus.
Для того, чтобы проверить работоспособность предложенного метода калибровки проведем симуляцию схемы, изображенной на рисунке 1 в системе автоматизированного проектирования Proteus.
Рис.1. Электрическая принципиальная схема калибровочного узла
В качестве потенциометра выбран AD5220BN10, подключенный к одному из входов операционного усилителя OP07A, на котором собрана схема вычитателя. Ко второму входу подключен генератор постоянного напряжения в 5 Вольт, имитирующий сигнал, вызванный погрешностью нуля. Выход операционного усилителя подключен к одному из входов логического элемента «И», который в данном случае выступает в качестве ключа с электрическим управлением, и может быть заменен на транзистор или реле. Ко второму входу элемента «И» подключен генератор импульсов. Таким образом на выходе элемента «И» будет генерироваться сигнал, частота колебания которого равна частоте колебания сигнала генератора импульсов, до тех пор, сигнал на выходе не достигнет величины, меньшей логической единицы элемента «И», после чего сигнал с выхода элемента «И» перестанет поступать. Выход элемента «И» соединен со входом потенциометра, отвечающим за изменение сопротивления, поэтому после того, как с выхода элемента «И» перестанет поступать сигнал, сопротивление потенциометра перестанет меняться. Направление изменения сопротивления определяется сигналом на входе «U/D» потенциометра, и в данной схеме задано только по с возрастанием сопротивления. Изменение сопротивления потенциометра на схеме рисунка 1, показано на графике ниже (рисунок 2).
Рис.2. Падение напряжения на потенциометре при изменении его сопротивления
Сигнал на выходе вычитателя, на схеме рисунка 1 изменяется в соответствии с графиком на рисунке 3.
Рис.3. График выходного сигнала вычитателя
Таким образом, на примере потенциометра с электрически управляемым сопротивлением удалось продемонстрировать возможность автоматизации процесса калибровки с помощью современной электронно-компонентной базы.
Список литературы
- Разработка и отладка микропроцессорных устройств в виртуальной среде моделирования Proteus [Электронный ресурс]: метод. указания / сост. В. Г. Иоффе. – Самара.: Изд-во Самарского университета, 2017 - 93 с.
