Описание старого
варианта схемы.
Основные недостатки старой схемы:
1. За счет того, что использовалось однополярное питание,
то для анализа двухполярных сигналов использовалось смещение
входного с-ла из-за чего при неподключенном входе на экране
было постоянное напряжение около 1,2 В, а при замыкании
входа на землю из входа вытекал ток около 1 мкА.
2. Не было фильтрации шума. Так как нет развязки с землей
компьютера то на входах был ВЧ шум около 1-5% от размаха
АЦП. Для устранения этого в старом варианте схемы на резисторы
обратной связи можно напаять конденсаторы 10…5пФ на 1M
и 1…0,47пФ на и 100K.
3. Не было ФНЧ на входе АЦП (на переключаемых конденсаторах),
за счет чего тоже вносился шум. Сейчас вся фильтрация
шума на основании именно этих 4-х ФНЧ.
4. Не было закрытого входа.
5. Не было внешней синхронизации.
6. Не было возможности задания внешне часты дискретизации.
В новой версии входные каскады реализованы по классической
схеме суммирующего усилителя:
Uвых = - (Uвх * Rос / Rвх + Uсмещ * Roc / R смещ.)
За счет того, что в схеме используются отрицательное напряжение
смещения, из входа не будет вытекающего тока и при разомкнутом
входе на экране будет 0, а не 1,2 В. Значения Rвх, R смещ
и Rос необходимо подобрать так, чтобы входной диапазон
напряжений был преобразован в диапазон напряжений используемый
внутренним АЦП МК. Так например для Uвх = -20…20 В, Rвх
= 2M, R смещ = 220K и Rос = 110K на выходе ОУ будет напряжение
Uвых = 2.32…0.12 В, для Uсмещ = -2,44 В, что полностью
попадает в рабочий диапазон АЦП. Если рассчитать Rвх,
R смещ и Rос такими, чтобы Uвх = -20…20 В -> Uвых =
2.44…0 В, то схема скорее всего будет ограничивать либо
на -20 В либо на +20 В входного с-ла, из-за разброса параметров
резисторов, ОУ, и Vref МК.
Для расчета Rвх, R смещ и Rос можно воспользоватся следующими
формулами (MatLab):
function
get_r_sum_opa(r1,Uin_max,Uin_min,Uoffset,Uout_max,Uout_min)
%Расчет сопротивлений R1 R2 R3 длЯ
заданного входного диапазона и нужного выходного
%Пример: get_r_sum_opa(2e+6,20,-20,-2.44,0.12,2.32)
%
% +--[R3]--+
% Uin_max | |
% Uin_min | |\ | Uout_max
% --[R1]-+--+---|-\__|_Uout_min
% Uoffset| +---|+/
% --[R2]-+ _|_ |/
%
r3_r1=(Uout_max-Uout_min) / (Uin_min-Uin_max);
r3_r2=-(Uout_min/Uoffset + Uin_min/Uoffset*r3_r1);
r3=r3_r1*r1;
r2=r3/r3_r2;
[r1 r2 r3]
Отрицательное напряжения смещения получается инверсией
пробуферизированного опорного напряжении микроконтроллера
на основании классической микросхемы инвертора ICL7660.
В качестве буфера Vref используется ОУ AD8531, так как
он обеспечивает большой выходной ток (до 100 мА), который
нужен для нормальной работы импульсного инвертора.
Фотографии устройства,
платы и всего комплекта...
P.S. Автор выражает благодарность Леонтьеву Александру
Петровичу за помощь в разработке схемы. |
Схема
