Digitální U/I převodník

vloženo:29.12.2009

 U/I převodníky se často využívají v systémech řízení, měření a regulace.
Napětí z odporového snímače teploty, polohy, jasu atd. převádí na unifikovaný proudový signál 4 až 20mA.
Pomocí dvouvodičové proudové smyčky je možné připojení i na větší vzdálenost.
Digitální převodníky umožňují programové zpracování signálu, například linearizaci.

Blokové schéma.

A/D převodník:
 Vstupní napětí (od Vref- do Vref+) se převádí na digitální hodnotu 0-1023. Pokud je napětí na vstupu stejné jako Vref- nebo menší, bude výsledek převodu stále 0. Zvětší-li se vstupní napětí na Vref+ a více, bude převod 1023. Program počítá průměr z 256 vzorků, aby se potlačil šumu a rušení na analogovém vstupu.

Tabulka:
 Nelineární napětí z čidla je možné linearizovat několika způsoby. Metoda převodní tabulkou je velmi jednoduchá, rychlá a hlavně, data lze předem vypočítat pro jakýkoliv průběh. Tabulka, umístěná v programové paměti mikroprocesoru, zabírá 1024 adres. Protože data jsou 10-bitová a programová buňka má 14 bitů, jsou horní 4 bity vynulované. Programová paměť vydrží asi 100 tisíc zápisů, zde se ale využívá jenom čtení, to je neomezené.
 Výsledek A/D převodu slouží jako ukazovátko směřující na jednu z adres a data zde uložená nastavují požadovaný proud.

D/I převodník:
 Data z tabulky, přes výstupní bránu, ovládají váhově odstupňované zatěžovací rezistory (log.1 = ZAP). Bit s nejvyšší váhou MSB je pro 8mA (přesněji by to mělo být 8,00782mA). Další bity, postupně směrem k LSB, generují proud vždy o polovinu menší než předchozí. Jsou-li sepnuty všechny rezistory, je celkový proud D/I převodníku 16mA.

Schéma. UI04.sch (306,1 kB)

 Stabilizátor napájecího napětí +5V zde nemůže být oblíbený 78L05, má totiž velkou vlastní spotřebu. Proto jsem vybral typ HT7150A (Iss = max. 6 mikro A). Pozor ale na maximální přípustné vstupní napětí, to je pouze 24V. Zatímco minimální napětí musí být alespoň o několik desetin voltu větší než 5V (Voltage Drop, Vdif=100mV při Iout=1mA).
K tomu se ale musí přičíst napětí ztracené na celkovém odporu proudové smyčky, takže bude-li odpor smyčky do 200 Ohm, stačí pro napájení ještě 10V. A při 24V může být odpor proudové smyčky až 800 Ohm.
 Součet proudů všech komponentů (zdroj, procesor, nastavovací prvky, proud čidla) je zhruba 3mA, na základní 4mA se dorovná rezistorem R0. V aplikaci s teplotním čidlem KTY81-220 má R0 odpor 8,2KOhm. A proč je připojený na port RA0? Pokud bude A/D převod =0, všechny výstupy včetně RA0 přepnou na log.0, takže celkový proud klesne pod 4mA. To slouží jako dolní signalizace poruchy snímače (zkrat/přerušení - podle způsobu připojení). Podobná je i horní signalizace poruchy. LEDka na výstupu RA4 svítí když A/D převod =1023. Přitom všechny výstupy přepnou na log.1, celkový proud tak vzroste nad 20mA (něco kolem 22mA). Samozřejmě lze signalizaci vynechat, R0 připojit přímo na +5V a LEDku s R11 vůbec nezapojovat.
Některé hodnoty rezistorů D/I převodníku nejsou běžně dostupné, musí se složit ze dvou kusů.

Program. UI_04.asm (48,3 kB) UI_04.HEX (17,8 kB)
 Kromě běžného měřícího režimu lze program spustit ještě ve dvou servisních módech.

MOD1-nastavení základního proudu 4mA.
 Signalizační LEDka a všechny zatěžovací rezistory jsou odpojeny, zapnutý je pouze výstup RA0 (log.1) pro rezistor R0. Proud tekoucí R0 plus vlastní spotřeba, dá dohromady 4mA. Při nastavování je dobré R0 nahradit potenciometrem a zjistit tak potřebný odpor.

MOD1, postup zapnutí:
1. Připojit RB0 přes odpor 1K na VDD.
2. Zapnout napájení, rozsvítí se LEDka.
3. Odpojit odpor 1K od RB0, LEDka zhasne - MOD1 je zapnut a může se nastavit základní proud 4mA pomocí R0.

MOD2-zkušební signál, pila.
 Do proudové smyčky, na výstup Io, vložte odpor 100 Ohm a osciloskopem na něm sledujte napětí. Měl by tam být signál, zhruba 20Hz/2V.
MOD2 se zapíná podobně jako MOD1, jen s tím rozdílem, že odpor 1K se připojuje na RB1 a po jeho odpojení zůstává LEDka svítit.
Oba servisní módy se ruší vypnutím napájení.
Pokud při zapnutí napájení nebude RB0 ani RB1 připojen na VDD (přes 1K), startuje program do základního režimu.

 Vlastní program U/I převodníku zabírá pouze 161 adres programové paměti z celkových 4096. Zbývá tedy ještě dost místa na 3 převodní tabulky pro teplotní senzor KTY81-220, každá ale pro jiný teplotní rozsah. Odpor R+ je ve všech případech 3,3KOhm.

 adresa HEX  teplota [°C] (Io=mA)  Vref+   Vref- [V]
 0400-07FF  -20 (4) +50  (19,79)  2,114   1,465
 0800-0BFF     0 (4) +130 (19,53)  2,749   1,653
 0C00-0FFF  -30 (4) +130 (19,58)  2,742   1,371

 Tabulka se vybírá ve zdrojovém textu. V části nazvané NTAB zvolte jeden ze tří řádku. Další možnost, jak vybrat tabulku (nebo ověřit výběr), je přímo v HEX souboru. Na adrese 007B zadat 3004, 3008 nebo 300C.


 Převodní tabulku je možné vypnout a místo toho používat lineární hodnoty. V podstatě se U/I převodník ovládá přímo A/D převodem. Tabulka se vypne ve zdrojovém textu, pod jménem LIND, zde opět vyberte jeden řádek. Nebo také v HEX souboru, na adrese 0075 přepište hodnotu 287B na 0000.
 Ještě si všimněte nastavení konfigurace procesoru. Nevím jak jiné ovládací programy, ale program UP si to nastavuje sám, podle _CONFIG1 a _CONFIG2 ve zdrojovém textu.


 Čidlo jasu používám na ovládání venkovního veřejného osvětlení a osvětlení výrobních hal. Stačí na to jeden převodník. Na vyhodnocovacím zařízení (PC) jsou nastavené meze pro ZAP-večerní stmívání a VYP-rozednívání. A další 2 meze pro ZAP/VYP osvětlení na halách.
 Převodník s teplotním čidlem VT83N1 (viz obrázek) má nastaveno Vref+ = +5V a Vref- = 0V (P1,P2 nahrazují drátové propojky). Místo převodní tabulky zatím používám LIN.data.
 Další příklad ukazuje zapojení odporového snímače polohy. Pro odpor 0-100 bude Vref+ 0,15V a pro 0-1000 nastavte Vref+ 1,17V. Vref- je v obou případech 0V. Program používá LIN.data, převodní tabulka není potřeba.

Výpočet tabulky v EXCELu pro teplotní senzor KTY81-220.

KTY220_-20_+50_02.xls (400 kB)
KTY220_0_+130_01.xls (367,5 kB)
KTY220_-30_+130_03.xls (399,5 kB)
Jak zkopírovat tabulku z EXCELu do zdrojového textu najdete na Listu2.

 Plošný spoj. UI04.brd (20,3 kB)

Motiv plošného spoje je tak jednoduchý, že stačí i univerzální deska s pájecími body.

 

Seznam součástek.

IO1 PIC16F88-I/P + sokl
IO2 HT7150A stabilizátor +5V
D1 1N4004
D2 BZW 06-28 33V transil
D3 BZW 06-5V8B6 transil
LED1 3mm/2mA
P1,P2 10K trimr na stojato, precizní, 25 otáček (SPECTROL)
C1-C5 100nF keramický
C6,C7 10M/25V tantalový
R1 (320K) 220K + 100K
R2 (160K) 150K + 10K
R3 (80K) 68K + 12K
R4 (40K) 20K + 20K
R5 20K
R6 10K
R7 (4K9) 3K9 + 1K
R8 2K4
R9 (1180) 1K1 + 82
R10 (547) 510 + 36
R11 1K5
R0 8K2

 

Vyhodnocovací zařízení.
 Pro sledování měřené hodnoty by stačil i obyčejný ručičkový ampermetr. Většinou ale potřebujeme víc, než aby to jenom něco ukazovalo. Například regulátor VPR dokáže vyhodnocovat signál ze dvou U/I převodníků. Průmyslová vyhodnocovací zařízení nabízejí výkon a funkce i pro náročnější systémy. Záleží na uživateli, co potřebuje.