edw 2003 09 s58, Literatura techniczna, Czasopisma, Elektronika Dla Wszystkich, edw podf
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Forum Czytelników
Termomet r
Prezentowany układ jest niczym innym jak
najzwyklejszym termometrem, mającym
służyć, w zamierzeniu autora, pomiarowi
temperatury panującej na dworze. To, co
wyróżnia tę konstrukcje od innych, to rezy-
gnacja z klasycznego w wypadku ter-
mometrów elektronicznych cyfrowego
wyświetlacza na rzecz układu linijki
diodowej symulującej tradycyjny termometr
analogowy (czytaj rtęciowy, a raczej alko-
holowy). Czytelnikom należy się jedno
wyjaśnienie. Podobna konstrukcja była już
prezentowana na łamach EdW przez pana
Zbigniewa Raabe. Muszę przyznać, że
właśnie układ pana Zbigniewa był inspiracją
dla mojej konstrukcji. Pierwszą zasadniczą
różnicą między konstrukcjami jest pomiar
temperatur ujemnych przez prezentowany
termometr. Konstrukcja pana Zbigniewa
została zaprezentowana w EdW 8/2001,
kiedy to matka natura umożliwiła nam wczu-
cie się w sytuację kurczaka przypiekanego w
kuchence mikrofalowej. Właśnie towarzy-
sząca temperaturze +35
o
C tęsknota za jakże
wówczas odległym białym puchem i nieco
normalniejszą temperaturą doprowadziła do
kategorycznego postanowienia, że termometr
MUSI mierzyć temperatury ujemne...
takiego przetwornika przedstawia
rysunek 1
.
Jak widać, układ składa się z jednego kom-
paratora, który steruje pracą licznika i
towarzyszącego mu zatrzasku przechowu-
jącego wartość ostatniego pomiaru. Z
licznikiem współpracuje ponadto
przetwornik cyfra-analog dostarczający
napięcie odpowiadające liczbie pokazanej
przez licznik. Napięcie to jest porównywane
z napięciem mierzonym przez komparator.
Na pozór taka topologia jest bardziej skomp-
likowana od przetwornika typu flash, jednak
okazuje się, że wykonanie w praktyce
zespołu precyzyjnych i do tego szybkich
komparatorów w połączeniu z szeregiem
źródeł napięć odniesienia wcale nie jest takie
proste. Scalone przetworniki A/C często są
wykonywane z wykorzystaniem mody-
fikowanej topologii przetwornika kompen-
sacyjnego. Zamiast teoretyzować,
przyjrzyjmy się schematowi przedstawione-
mu na
rysunku 2
. Sercem układu jest
licznik-generator
CD4060. Elementy
R13, R14 i C1 wraz z
dwoma inwerterami
zaszytymi w struk-
turze układu tworzą
generator, który
dostarcza sygnał
zegarowy dla licznika.
Dla podanych wartości
elementów sygnał
zegarowy ma częs-
totliwość
30kHz. Z licznika wykorzystałem sześć
najmłodszych bitów podzielonych na dwie
grupy: trzech młodszych i trzech starszych
bitów, ale o tym za chwilę. Licznik liczy w
kółko: 000000b, 000001b...111110b,
111111b, 000000b i tak dalej. Jak już wiemy,
generowane przez licznik kolejne liczby
należałoby zamienić na napięcie w
przetworniku C/A. Konwersji tej dokonuje
19 rezystorów tworzących układ tzw. drabin-
ki R-2R lub jak wolą niektórzy odwrotnej
drabinki R-2R. Układ drabinki jest dokład-
niej omówiony
w ramce
.
Tutaj wystarczy informacja, że napięcie
wyjściowe drabinki (które w układzie jest
dostępne w węźle łączącym R57 i R43) jest
określone wzorem:
Opis układu
Postulat pomiaru temperatur ujemnych łatwo
zrealizować, wykorzystując układ LM335.
Element ten dostarcza napięcia proporcjonal-
nego do temperatury. Dla 0
o
C napięcie wyj-
ściowe wynosi typowo 2,73V i rośnie w
przybliżeniu o 10mV na każdy stopień.
Ponieważ układ powinien mierzyć temper-
atury od powiedzmy -20
o
C do około 40
o
C,
otrzymujemy 61 poziomów mierzonej tem-
peratury, 61 diod świecących oraz 61 kom-
paratorów, które... Stop! Taka realizacja
układu wymaga 16 poczwórnych kompara-
torów, które w sumie stworzą bardzo ele-
gancki, niezwykle szybki przetwornik ana-
log-cyfra typu flash. A gdyby tak zbudować
układ w oparciu o koncepcje przetwornika
kompensacyjnego? Schemat blokowy
Rys. 1 Schemat blokowy przetworni-
ka kompensacyjnego
około
58
Elektronika dla Wszystkich
ko
ł
łowy
Forum Czytelników
Powyższy wzór powstał w wyniku prze-
kształcenia wzoru zamieszczonego w ramce
i nie uwzględnia wpływu obciążenia drabinki.
L
to liczba poddana przetworzeniu, nato-
miast
L
MAX
to maksymalna możliwa do prze-
tworzenia liczba (dla przetwornika sześciobi-
towego jest to oczywiście 63). Napięcie wyj-
ściowe jest proporcjonalne do
U
H
- napięcia
zasilającego wejścia drabinki w stanie lo-
gicznej jedynki, w stanie logicznego zera po-
danego na dane wejście napięcie wynosi 0V.
I jest to podstawowe nieszczęście. Najprost-
szym rozwiązaniem byłoby dołączenie dra-
binki do wyjść licznika, wówczas napięcia
podane na wejścia drabinki wynosiłyby albo
0V (stan niski), albo V
DD
(stan wysoki), ale
po pierwsze – wymagałoby to zasilenia w za-
sadzie całego układu stabilizowanym napię-
ciem, po drugie – licznik sterować będzie je-
szcze innymi układami, przez co napięcia pa-
nujące na poszczególnych wyjściach mogły-
by być różne, po trzecie – drabinka w różnym
stopniu obciąża poszczególne źródła – pożą-
dane jest, aby charakteryzowały się one moż-
liwie małą rezystancją wyjściową. Dlatego
też zastosowałem układ U2 – CD4049UB
składający się z sześciu inwerterów. Układ ten
poza buforowaniem wyjść U1 (i negacją) peł-
ni dodatkowo niezwykle ważną funkcję kon-
wertera poziomów logicznych. Układ U2 zasi-
lany jest napięciem referencyjnym wytwarza-
nym przez U6 TL431. Napięcie to wynosi
2,5V. Jest to wartość mniejsza niż minimalna
gwarantująca pracę układów rodziny
CD4XXX. Dodatkową zaletą układu CD4049
jest większa niż standardowa dla tej rodziny
wydajność prądowa wyjść, co zmniejsza błąd
przetwornika. Praktyka pokazała, że w tak
nietypowych warunkach układ ten sprawuje
się znakomicie. Należy jednak zaznaczyć, że
układ ten musi być w wersji UB (unbuffe-
red). Nigdy nie spotkałem wersji B, której
budowa opiera się na kaskadzie trzech inwer-
terów, jednak między innymi firma Philips
przyznaje się do produkcji układów w tej
drugiej wersji. Niestety sygnał dostarczony
przez taki przetwornik musi być poddany
konwersji, tak aby kolejne progi odpowiada-
ły temperaturze mierzonej przez czujnik U7.
Konwersja dokonuje się z wykorzystaniem
jednego z dwóch wzmacniaczy wchodzących
wskład U5 – LM358. Układ konwersji jest
zasadniczo wzmacniaczem odwracającym
(wzmacniacz operacyjny plus rezystory R4,
R59 oraz PR2). Dzielnik R1, R2 wymusza na
wejściu nieodwracającym napięcie około
1,25V (połowa napięcia odniesienia dostar-
czanego przez U5 - TL431). Na wejściu od-
wracającym wzmacniacza musi panować na-
pięcie niemalże identyczne z napięciem po-
danym na wejście nieodwracające. Oznacza
to, że poprzez R3, PR1 płynie stały prąd za-
leżny tylko od wartości rezystancji tych ele-
mentów - prąd ten powoduje przesunięcie
tzw. zera przetwornika - podanie na wejście
liczby 000000b powoduje wygenerowanie
napięcia o wartości innej od 0V - w naszym
układzie liczba 000000b odpowiada tempe-
raturze około -20
o
C, tak więc napięcie wyj-
ściowe przetwornika powinno wynosić mniej
więcej 2,53V. PR1 służy właśnie do przesu-
nięcia zera przetwornika, jednak regulacja
PR2 również prowadzi do niewielkiego prze-
sunięcia wartości tego poziomu! PR2 ustala
zasadniczo zakres przetwarzania. Takie roz-
wiązanie nie wróży prostej kalibracji, jednak
na pocieszenie informuję, że już po dziesię-
ciu kolejnych korekcjach układ pracuje po-
prawnie. Uzyskany na wyjściu 1 U5 sygnał
jest podany na wejście „+” drugiego wzmac-
niacza pełniącego rolę komparatora. Elemen-
ty R6, R7 i R60 wprowadzają niewielką hi-
sterezę. W praktyce okazało się, że układ
pracuje równie dobrze bez nich. Na wejście
„–” komparatora podany jest sygnał z prze-
twornika LM335 za pośrednictwem prostego
filtru dolnoprzepustowego R9, C2. Filtr zapo-
biega przenikaniu do układu zakłóceń mogą-
cych indukować się w przewodach łączących
czujnik z układem. Dopóki sygnał z czujnika
jest większy od napięcia podanego przez
przetwornik, na wyjściu komparatora panuje
stan niski – przez rezystor R8 i jeden z kluczy
analogowych wchodzących w skład multiple-
ksera analogowego (U3 – CD4051) płynie
wówczas prąd bazy jednego z tranzystorów
T1-T8. Rezystory R15-R22 podciągają bazy
tranzystorów do plusa zasilania (nieaktywne
wyjścia multipleksera charakteryzują się
Rys. 2 Schemat ideowy
Elektronika dla Wszystkich
59
Forum Czytelników
wysoką impedancją wyjściową). Układ U3
jest sterowany trójką starszych bitów licznika
U1. Młodsza trójka steruje układem dekodera
BCD na 1 z 10 CD4028 – U2. Układ ten ste-
ruje kolejną ósemką tranzystorów T11-T17
poprzez rezystory R23...R30. Układy U2 i U3
adresują kolejne diody połączone w matrycy
8*8. Rezystory R31-R37 ograniczają prąd
diod LED. Diody są zapalane kolejno po-
cząwszy od D4 aż do... momentu, gdy napię-
cie podawane przez przetwornik C/A prze-
kroczy napięcie wyjściowe czujnika tempera-
tury. Wówczas komparator zmieni stan na
wysoki, uniemożliwiając tym samym pracę
tranzystorów z grupy T1-T7 – od tej chwili
diody pozostają wygaszone. Na wyświetlaczu
uzyskaliśmy wskazanie aktualnie panującej
temperatury. Wadą tego rozwiązania jest to,
że w każdym momencie świeci tylko jedna
dioda. Aby uzyskać rozsądne jasności, trzeba
zastosować naprawdę wydajne diody. W pro-
totypie doskonale funkcjonowały 3mm diody
o podwyższonej jasności firmy LITE-ON
pracujące z impulsowym prądem około
160...180mA, co daje średni pobór prądu
3mA na diodę. Prototypowy układ pobierał
około 200mA prądu przy zapalonych wszyst-
kich diodach. Układ był zasilany z niestabili-
zowanego zasilacza wtyczkowego, napięcie
zasilające nie powinno być mniejsze od 6V.
Aby poprawić stabilność, zarówno źródło na-
pięcia odniesienia, jak i czujnik temperatury
są zasilane z prostego źródła prądowego.
Układ elementów D2 (LED) i R12 pozwala
na polaryzację baz tranzystorów T9, T10
w miarę stałym napięciem około 1,6V (zależ-
nym w dużym stopniu od typu zastosowanej
diody LED). Na rezystorach R10 i R11 panu-
je napięcie identyczne z napięciem na diodzie
D2 pomniejszonym o spadek napięcia na złą-
czu baza-emiter tranzystorów. Skoro napięcie
na rezystorach jest prawie stałe i rezystancja
rezystorów też jest prawie stała, to można
przyjąć, że i prądy płynące przez te elementy
są prawie stałe. A ponieważ tranzystory mają
na ogół wzmocnienie większe od 100, toteż
prądy baz są małe, prąd kolektora to prawie
prąd emitera i tak oto mamy dwa źródła prą-
du zasilające wspomniane elementy. Ciekawe
tylko, czy układ faktycznie działa, czy tylko
prawie? Aby się o tym przekonać, należy
przystąpić do kolejnej fazy, czyli:
Na
rysunku 3
został przedstawiony układ trzy-
bitowego przetwornika C/A zbudowanego
z wykorzystaniem drabinki R-2R. Źródła na-
pięcia mogą dostarczać jednego z dwóch na-
pięć: U
H
lub U
L
. W najprostszym przypadku
mogą to być wyjścia układu cyfrowego, jak to
ma miejsce w układzie termometru. Przepro-
wadźmy prostą analizę układu. Ograniczając
nasze rozważania do elementów R
1
,R
2
oraz U
0
można zauważyć, że obwód ten można zastąpić
źródłem napięcia o szeregowej rezystancji
R
12
=R. Zmianie uległy również napięcia poda-
wane do układu przez źródło, wynoszą teraz
0,5U
H
oraz 0,5U
L
. Abstrahując od obecności
wukładzie źródeł U1 oraz U2 (przyjmijmy, że
ich napięcia wynoszą 0V), możemy postąpić
o krok dalej. Rezystory R
12
, R
3
oraz R
4
tworzą
kolejny dzielnik napięcia – dokonując prze-
kształcenia otrzymujemy kolejne zastępcze
źródło napięcia o rezystancji wyjściowej
R
1234
=R(!) i napięciu 0,25U
H
lub 0,25U
L
. Po-
stępując dalej, otrzymamy ostatecznie źródło
zastępcze o rezystancji
R
WY
=R
i napięciu wyj-
ściowym 0,125U
H
lub...
A teraz zajmijmy się U
1
(niech U
0
,U
2
=0V).
Źródło to ma rezystancję wyjściową R
4
=2R
oraz widzi rezystancję R
123
=2R – znów dziel-
nik napięcia – ostatecznie przekształcamy do
źródła o rezystancji wyjściowej R
1234
=R(!)
i napięciu 0,5U
H
lub 0,5U
L
. Postępując jak dla
U
0
otrzymamy ostatecznie źródło o rezystancji
wyjściowej R i napięciu 0,25U
H
lub 0,25U
L
.
Zauważmy że napięcia wnoszone do układu
przez U1 są dwa razy większe od tych wnoszo-
nych przez U
0
. Jak można się już domyślić, U2
będzie tworzyło źródło o napięciu 0,5U
H
lub
0,5U
L
. Korzystając z zasady superpozycji
otrzymujemy wzór na napięcie wyjściowe ca-
łego układu:
gdzie
B
2
,
B
1
,
B
0
to stany poszczególnych
źródeł (0 lub 1, czyli B to trzybitowa liczba).
Powyższy wzór jest słuszny, jeżeli
U
L
=0V. Re-
zystancja wyjściowa układu wynosi oczywi-
ście R. Teoretycznie układ można rozbudowy-
wać, tworząc przetworniki o coraz większej
rozdzielczości. Na przeszkodzie stoi jednak
dokładność wykonania rezystorów oraz jakość
źródeł napięcia. Stosując rezystory o tolerancji
1% praktycznym kresem możliwości układu
jest przetwornik siedmiobitowy. Przetwornik
ośmiobitowy wykonany z wykorzystaniem ta-
kich rezystorów miałby już błąd (potencjalnie)
większy od 1LSB. Układ jest najwrażliwszy
na odchyłki rezystorów współpracujących
z „najstarszym” źródłem (sterowanym najstar-
szym bitem). Zastosowany w termometrze
sześciobitowy przetwornik nie powinien spra-
wiać kłopotów, choć w prototypie błąd prze-
twornika powstały pomiędzy stanami
011111b a 100000b był już wyraźnie widocz-
ny(obserwacja oscyloskopowa).
Rys. 3 Układ trzybitowego
przetwornika C/A
Układ można zmontować na płytce dru-
kowanej, pokazanej na
rysunku 4
. Montaż
przebiega klasycznie: najpierw zworki,
później podstawki pod układy scalone, rezy-
story, tranzystory. Może się okazać, że rezy-
story R31-R38 będą wymagać korekty war-
tości - wszystko zależy od napięcia zasilania
oraz możliwości zastosowanych diod. Proto-
typ cały czas zasilany był z prostego niesta-
bilizowanego zasilacza wtyczkowego o wy-
dajności 350mA na zakresie 6V. Napięcie
zasilające wahało się od 7,5V do 6,5V, a mi-
mo to układ pracował stabilnie. Dioda LED
D3 jest umieszczona na początku skali -
w prototypie była to dioda niebieska-ultraja-
sna, zastosowanie innego koloru na pewno
pociągnie za sobą zmianę wartości R58. Na
końcu montujemy kondensatory, C3 ze
względu na duże gabaryty warto wmonto-
wać „na leżąco”. Wartości pojemności
kondensatorów C6-C10 nie są krytyczne,
akurat miałem pod ręką 33nF, gdybym miał
np. 100nF, wówczas spis elementów byłby
nieco inny.
Rezystory zastosowane w drabince prze-
twornika powinny charakteryzować się tole-
rancją 1%. Czujnik temperatury można
podłączyć przewodem ekranowanym, w pro-
totypie zastosowałem czteroprzewodową,
nieekranowaną skrętkę odługości około 1m.
Sam czujnik należy zabezpieczyć przed
wpływem wilgoci. W najprostszej wersji na
czujnik nakładamy koszulkę termokurczliwą,
następnie całość kilkakrotnie zanurzamy
w kleju typu Distal - w efekcie otrzymamy
hermetyczny koralik. Na montaż 65 diod
LED niestety nie mam recepty, osobiście naj-
pierw przylutowywałem każdą diodę tylko
jedną nóżką, następnie lutując drugą, stara-
łem się uzyskać w miarę równomierne
Montaż i uruchomienie
Zanim przystąpimy do montażu układu, zale-
cam nabyć szpulkę srebrzanki, której poważ-
ny odsetek spożytkujemy na zworki (łączna
długość zworek jest bliska 1m). Dla odmiany
nie zalecam hurtowego nabywania diod LED,
elementy te naprawdę powinny być dobrej ja-
kości, najlepiej dyfuzyjne (obudowa wykona-
na z „matowego”, rozpraszającego plastiku)
o podwyższonej jasności. Najlepszym roz-
wiązaniem będzie chyba nabycie najpierew
kilku sztuk i ich wypróbowanie.
60
Elektronika dla Wszystkich
Forum Czytelników
rozmieszczenie diod. Skala do termometru
przedstawiona została na
rysunku 5
.
Uruchomienie zalecam przeprowadzić
z wykorzystaniem zasilacza laboratoryjnego
(najlepiej z ograniczeniem prądowym). Dzia-
łanie układu powinno się objawić świece-
niem przynajmniej diod D2 i D3. Do kalibra-
cji termometru musimy dysponować odrobi-
ną cierpliwości, małym śrubokrętem, termo-
metrem, szklanką wody z lodem oraz pomie-
szczeniem z tzw. temperaturą pokojową we-
wnątrz (można zastąpić szklanką ciepłej wo-
dy). Najpierw umieszczamy czujnik tempe-
ratury w mieszaninie wody z lodem, a poten-
cjometry w miarę możliwości ustawiamy
w środkowym położeniu. Czujnik LM335
ma dość długi czas odpowiedzi i to bez do-
datkowych koralików z żywicy epoksydo-
wej, toteż na ustalenie się wyniku po każdej
zmianie temperatury musimy poczekać oko-
ło 2..3 minut. Dla mieszaniny wody z lodem
kręcąc potencjometrami powinniśmy uzy-
skać świecenie się diody przypisanej do 0
o
C.
Następnie zmieniamy środowisko czujni-
ka. Jeśli wskazanie mimo wstępnej regulacji
jest niepoprawne, to około połowę błędu kom-
pensujemy jednym potencjometrem, połowę
drugim. Następnie powracamy do wody z lo-
dem. Teraz korygujemy, używając tylko PR1
i ponownie zmieniamy temperaturę, przepro-
wadzając korekcję tak jak za pierwszym razem.
Po 10 próbach powinno być dobrze. I to by by-
ło na tyle. Zaprojektowana przeze mnie skala
zakłada 0
o
C na diodzie D23. Problem obudowy
pozostawiam do rozstrzygnięcia ewentualnym
naśladowcom we własnym zakresie.
Grzegorz Bywalec
Wykaz elementów
Rezystory
R1,R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2,2k
Ω
R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5,6k
Ω
R4,R9,R14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10k
Ω
R5, R60* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22k
Ω
R6*, R7* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1M
Ω
R10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .510
Ω
R11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .270
Ω
R12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,5k
Ω
R13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47k
Ω
R15-R30,R8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1k
Ω
R31-R38 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
Ω
- patrz tekst
R39-R57,R61 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10k
Ω
- 1%
R58 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .470
Ω
- dobrać
R59 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14k
Ω
PR1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5k
Ω
helitrim
PR2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10k
Ω
helitrim
Kondensatory
C1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF
C2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1nF
C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1000
µ
F/16V
C4,C5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
µ
F/16V
C6-C10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33nF
Półłprzewodniki
D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4001
D2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .dowolna LED
D3-D67 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LED - uwagi w tekście
T1-T8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC327
T9,T10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC557
T11-T18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC337
U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .CD4060
U2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .CD4049UB
U3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .CD4051
U4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .CD4028
U5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LM358
U6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .TL431
U7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LM335
* - można nie stosować
Rys. 4 Schemat montażowy (skala 50%)
Rys. 5 Skala do termometru (skala 50%)
Elektronika dla Wszystkich
61
[ Pobierz całość w formacie PDF ]