Тактовую частоту микросхем следует выбирать из ряда: 200, 100, 50 и 40 кГц, при этом частота помехи 50 Гц будет укладываться в длительность фазы интегрирования входного напряжения целое число раз и такая помеха будет интегрироваться полностью. Тактовую частоту можно задавать тремя способами: с помощью RC-цепочки, как показано на рис. 10.7, с помощью кварца, подключаемого к выводам 39 и 40, а также внешним генератором, выход которого подключается в выводу 40 (в ПВ2 при общим проводом служит вывод 21 «цифровая земля», а в ПВ5 — вывод 37 «TEST»). На практике чаще встречается первый способ, при этом частота будет равна примерно 0,45RrСr. В фирменной документации на этот счет есть некоторая неясность, т. к. рекомендуется Rr = 100 кОм при Сr = 100 пФ, и тогда согласно приведенной формуле частота должна составить 45 кГц. Это далеко и от 40 и от 50 кГц, рекомендуемых для частоты помехи 50 Гц, и не очень совпадает с 48 кГц, рекомендуемыми для помехи 60 Гц. Все отечественные описания микросхем ПВ2 и ПВ5 изящно обходят этот вопрос, просто повторяя фирменные рекомендации. Думается, что составители документации имели в виду все же помеху 60 Гц (т. е. тактовую частоту 48 кГц), поэтому в отечественном варианте следует снизить емкость Сr до 91 пФ — так будет корректнее. Вообще, ошибка в ±5 % тут вполне допустима.
Номиналы емкостей и резисторов на рис. 10.7 приведены для случая опорного напряжения, равного 1 В (и тактовой частоты 50 кГц). При опорном напряжении 0,1 В Сак нужно увеличить до 0,47 мкФ, Синт уменьшить до 0,1 мкФ, а Rинт уменьшить до 47 кОм. В остальных случаях эти номиналы должны быть изменены в указанных пределах примерно пропорционально изменению опорного напряжения.
К выбору типов компонентов следует подходить весьма тщательно, от этого сильно зависит в первую очередь линейность преобразования. Резисторы все могут быть С1-4 (МЛТ). Конденсатор "тактового генератора Сген может быть керамическим (типа КМ-5, КМ-6). Остальные конденсаторы (Синт, Соп, и Сак) должны быть с органическим диэлектриком, лучше всего фторопластовые (К72П-6, К72-9) или полистироловые (К71-4, К71-5), но подойдут и полиэтилентерефталатные (К73-16, К73-17). Эти конденсаторы могут ужаснуть вас своими размерами, но ничего не поделаешь — такова плата за стабильность. Высокие конденсаторы (как К73-17) следует устанавливать лежа, хотя при этом площадь платы увеличивается, но зато конденсаторы не торчат над всеми остальными компонентами Это, кроме всего прочего, повышает надежность монтажа, т. к. меньше вероятность «выкорчевать» конденсатор, случайно положив поверх платы книгу «Занимательная микроэлектроника».
Практическая схема термометра
Теперь, вооружившись всеми этими знаниями, приступим наконец к нашему термометру. И сначала нам надо будет посчитать, что мы имеем на входе и что хотим при этом получить на выходе?
Начнем с выхода: температура традиционно демонстрируется в виде «XX,X», т. е. достаточно трех индикаторов. Таким образом, мы должны задействовать только три младших разряда, при этом диапазон температур получится от -99,9 до +99,9°. Собственно говоря, такой диапазон чересчур широкий — измерять температуру ниже, скажем, — 40 вряд ли когда-нибудь случится. Практически для «погодного» термометра хватило бы и диапазона от -50 до +50, но ничего не поделаешь. При таком подключении мы теряем ровно два точностных разряда, ужимая диапазон в 4 раза, ведь без какого-либо изменения в измерительной части никто нам не запретит подключить все четыре индикатора и демонстрировать температуру от -199,9 до 199,9°. Конечно, никто не запрещает вам использовать такой диапазон полностью, или, скажем, половину его со сдвигом, от -50 до +150°— все будет определяться возможностями калибровки. Мы здесь ограничимся тем, что калибровку будем выполнять от 0 до 50 °C. Однако считать придется на весь возможный диапазон исходя из того, что входное напряжение АЦП Uвх при изменении температуры от 0 до +199,9° должно изменяться от 0 до Uon в соответствии с приведенной формулой для отображаемого числа N.
Так как мы собираемся делать более-менее точный прибор, то выберем медный датчик и прикинем, какое было бы желательно иметь его сопротивление. Обычные токи через датчик должны составлять порядка 1–3 мА, иначе медная катушка приемлемых размеров будет сама нагреваться. Проще всего в качестве датчика использовать обмотку малогабаритного реле из серий, например, РЭС-60, РЭС-80, РЭС-79 или РЭС-49 — какое окажется под рукой, и чем старше «возрастом», тем лучше, т. к. характеристики меди при хранении стабилизируются. Указанные мной реле имеют полностью герметизированный металлический корпус, остается только изолировать от внешней среды выводы.
У меня «под рукой» оказалось реле типа РЭС-60 с обмоткой 800±120 0 м (пасп. РС4.569.435-01). Изменения на диапазон 200° составят примерно 640 Ом (исходя из ТКС меди, равного примерно 0,4 %/град). Выберем Uon = 0,5 В, тогда ток через датчик-обмотку должен составить 0,5 В/640 Ом ~ 0,8 мА. Так как рабочие напряжения здесь не превышают по абсолютной величине 0,5 В, то мы сможем обойтись для АЦП одним питанием +5 В, нужно будет только максимально «сдвинуть» эти напряжения к середине питания.
Общая схема термометра показана на рис. 10.8.
Рис. 10.8.Прецизионный цифровой термометр на микросхеме 572ПВ2
Рассмотрим сначала включение датчика. Для того чтобы при нуле градусов термометр показывал «0», нужно на вход АЦП подавать разность текущего напряжения на датчике и значения его при нулевой температуре. В данном случае это делается с помощью мостовой схемы.
Конструкция на сдвоенном ОУ МАХ478 представляет собой два идентичных источника тока 0,8 мА. Оба ОУ DA1, полевые транзисторы VT1 и VT2 и резисторы R16—R19 образуют верхнюю половину моста, а нижняя состоит из датчика температуры Rt и опорного резистора R20, сопротивление которого должно быть равно сопротивлению датчика при 0 °C (~740 Ом, точное значение подбирается при калибровке, для удобства предусмотрен параллельный резистор). Разность этих напряжений подается на АЦП в качестве входного напряжения. Фильтр R22, С6 нужен для лучшего сглаживания помех (конденсатор С6 может быть керамическим).
Обратим теперь внимание на хитрую схему включения самого датчика, которая носит название «трехпроводной» и позволяет избежать влияния соединительных проводов и, главное, помех, которые наводятся на них. Сами по себе провода влияют слабо, т. к. в данном случае достаточно, чтобы они имели сопротивление, меньшее, чем 1/2000 сопротивления датчика, что составляет примерно 0,4 Ом (это даже слишком жесткое требование, т. к. не само сопротивление подводящих проводов вносит погрешность, а только его температурные изменения). Это вполне обеспечит провод МГТФ-0,35, если его суммарная длина не превысит 40 м.
Однако в трехпроводной схеме и столь малые изменения нивелируются тем, что два одинаковых провода, соединяющие опорный резистор с датчиком и датчик с источником тока, оказываются включенными в разные плечи моста, потому их изменения взаимно компенсируются. Наведенные на этих проводах помехи ведут себя точно так же. А третий провод, соединяющий датчик с «землей», оказывается включенным в оба плеча сразу, и создает чисто синфазную помеху. Дополнительный резистор R23, включенный в этот провод, «подтягивает» напряжение разбаланса моста к середине напряжения питания (падение напряжения на R23 составляет около 1 В). При возможном изменении напряжения питания опорное напряжение и сигнал с выхода моста будут меняться пропорционально, поэтому ошибки не возникнет.
Все резисторы, выделенные на схеме темным, должны иметь точность не хуже 1 %, (например, С2-29В). Номиналы их, естественно, необязательно должны быть именно такими, как указано на схеме, и могут меняться в очень широких пределах, но соотношения должны быть выдержаны точно. При ином сопротивлении датчика соотношения этих резисторов, а также сопротивления резисторов R20 и R23 придется пересчитать, при этом желательно приблизительно сохранить значения напряжений в схеме, особенно это касается близости к середине напряжения питания.
Питание индикаторов в этой схеме обязательно должно осуществляться от отдельной обмотки трансформатора. Индикаторы зеленого свечения (с буквой G) можно заменить на любые другие, по вкусу, однако индикаторы больших размеров, чем указаны на схеме (с цифрой высотой более 0,5 дюйма), придется подключать через дополнительные ключи с повышенным напряжением питания. Так как мы четвертый разряд не используем, то не имеет смысла ставить целый индикатор для одного только знака минус, и его индикация производится с помощью одного плоского светодиода. Они бывают разных размеров, и чтобы схема выглядела красиво, следует подогнать светящуюся полоску по ширине сегментов индикатора. В данном случае светодиод L113 имеет размеры 5x2 мм, но сегменты заметно уже, поэтому часть торцевой поверхности нужно аккуратно закрасить любой непрозрачной краской. Залить такой краской следует и боковые поверхности светодиода, иначе вместо минуса вы получите неопределенное светящееся пятно.
Если яркость «минуса», запятой (вывод 5 индикатора Н2) и индикаторов Н4—Н5, постоянно демонстрирующих знак «°С», будет отличаться от яркости основных разрядов, нужно подобрать резисторы R1—R10. Источник питания следует рассчитывать на 250 мА по напряжению -6,3 В (по напряжению +5 В потребление не достигает и 10 мА). Конечно, в целях экономии места, стоимости и потребления тока индикаторы Н4—Н5 можно исключить.
Датчик можно изготовить следующим образом. Берется трубка (лучше пластмассовая) длиной примерно 10 см и такого диаметра, чтобы все выводы реле, в том числе выводы обмотки с припаянными проводами, свободно помещались внутри. Места пайки на всякий случай следует изолировать термоусадочным кембриком. Затем нужно пропустить провода через трубку и обязательно в месте выхода из трубки также надеть на них отрезок кембрика, чтобы ограничить радиус перегиба. Потом необходимо залепить пластилином щели между корпусом реле и торцом трубки и залить внутренность е