Компьютерная Томография

в приложении 1.

4.2 Ограничение уровня входного аналогового сигнала

Угол поворота гантри можно видеть на ее центральной части. Там

находится неподвижная круговая шкала с отсчетами в градусах. Вид шкалы

показан на рис. 4.5.

Рис. 4.5 Шкала углов поворота симулятора SLS – 9.

При вращении гантрии, метка перемещаясь вокруг шкалы, дает информацию

об угле поворота. Датчик положения гантрии представляет из себя переменный

многооборотный резистор, питающийся от двуполярного напряжения (10 В).

Средняя точка резистора, при которой напряжение на его выходе равно нулю,

соответствует нулю градусов положения гантрии симулятора.

При вращении гантрии в сторону 10 градусов происходит пропорциональное

уменьшение напряжения на центральном выводе резистора, и к 180 градусам оно

достигает -7,2 В. При вращении в эту сторону, можно достичь предельного

для вращения в данную сторону угла 220 градусов при напряжении на резисторе

-8,8 В. Если производить вращение от нуля в сторону 350 градусов, то к 180

градусам напряжение на датчике будет равно 7,2 В. Далее при предельном угле

140 градусов напряжение достигает 8,8 В. Т.е. при одинаковых углах поворота

гантрии датчик угла может выдавать разные значения в зависимости от того

вращением в какую сторону этот угол был достигнут.

Согласно заданию, обработку угла поворота гантрии необходимо проводить

при ее вращении от 0 до 180 градусов в ту и другую стороны. Поэтому, с

целью предотвращения потери точности, динамический диапазон АЦП будет

использоваться в этом диапазоне углов. Т.е. уровень сигнала при повороте

гантрии на 360 градусов будет соответствовать изменению выходного кода АЦП

от 0 до 1023. Однако, нет гарантий, что не произойдет поворот гантрии на

больший угол, следствием чего станет превышение уровня сигнала на входе АЦП

с последующей возможностью выхода его из строя. В этом случае необходимо

предусмотреть защиту входа АЦП от превышения допустимого уровня сигнала при

случайном повороте гантрии более чем на 180 градусов от нулевого положения.

Как было сказано выше, уровень сигнала, соответствующий повороту

гантрии от 180 до 180 градусов должен соответствовать полной шкале АЦП. При

таком повороте гантрии сигнал изменяется от -7,2 В до 7,2 В. Полная же

шкала АЦП соответствует диапазону -5,12 ... +5,12 В. Т.е. необходимо

преобразовать сигнал с уменьшением его амплитуды (уменьшение должно быть

линейным). Известно, что линейно уменьшить напряжение сигнала можно с

помощью обычного резистивного делителя. Зная входное сопротивление АЦП, и

задавшись током делителя, определяются номиналы его резисторов. При этом

необходимо добавить переменный резистор для настройки делителя, т.к.

номиналы резисторов непременно будут отличаться от расчетных. Однако, в

данном случае простое применение резистивного делителя будет неоправданным,

т.к. необходимо двустороннее ограничение аналогового сигнала по уровню для

защиты входа АЦП.

Эффективным способом ограничения уровня входного сигнала является

использование диодной защиты. [7] Для этого создаются два источника

напряжения с напряжениями чуть меньшими уровней необходимого ограничения

(на уровень падения напряжения на диоде). Затем они через диоды

подключаются к линии, по которой проходит ограничиваемый сигнал. Источники

напряжения можно создать с помощью делителей напряжения. Но здесь

существует ограничение: эквивалентное сопротивление источника должно быть

мало по сравнению с сопротивлением источника сигнала. Поэтому для

эффективной работы такого ограничителя, в качестве источника напряжения

требуется применение низкоомного делителя, что приведет к повышенному

энергопотреблению. Кроме того обязательно потребуется настройка делителей.

Кардинальным решением данной проблемы является использование в качестве

источников напряжения параметрических стабилизаторов на стабилитронах. Но

обычные стабилитроны общего применения не могут обеспечить необходимой

точности: допуск на напряжение стабилизации у большинства из них колеблется

в пределах 20 %, а температурный коэффициент стабилизации слишком велик.

Тогда как АЦП требует ограничения уровня максимального положительного

напряжения на уровне 5,5 В, а рабочий диапазон (полная шкала) кончается на

отметке 5,12 В. Поэтому при применении обычных стабилитронов возможно или

превышение допустимого напряжения на его входе, или обрезка рабочего

сигнала. Выходом является применение специальных прецизионных

стабилитронов. Но прецизионные стабилитроны на напряжения стабилизации

менее 6 В не выпускаются.

Желательно конечно осуществлять ограничение входного сигнала

непосредственно у входа АЦП, но так как требуемые стабилитроны отсутствуют

, можно ограничить входной сигнал еще до уменьшения его уровня, т.е.

ограничение произвести на уровне 7,2 В (прецизионные стабилитроны с

близкими напряжениями стабилизации существуют). Затем, сигнал, уровень

которого не может превышать 7,2 В уменьшается по амплитуде, и подается на

вход АЦП. При необходимом заданном коэффициенте передачи, уровень сигнала

на входе АЦП не превысит предельного значения. Правда у данного метода есть

недостатки: при настройке коэффициента передачи, а также при выходе из

строя узла, отвечающего за уменьшение уровня сигнала, напряжение на входе

АЦП может превысить допустимое значение. Но построение защиты от всех

возможных неисправностей приведет к чрезмерному усложнению схемы, кроме

того нет гарантий, что не откажут сами устройства защиты. При выбранном

способе защиты вход АЦП защищен от превышения уровня сигнала за счет

поворота гантрии сверх допустимого диапазона, а также от любых

неисправностей, включая неправильную коммутацию проводов, которые могут

произойти вне схемы разрабатываемого устройства сопряжения. Принципиальная

схема устройства защиты от превышения уровня аналогового сигнала

представлена на рис. 4.6.

[pic]

Рис.4.6 Двусторонний ограничитель уровня для защиты АЦП от

превышения уровня входного аналогового сигнала.

Стабилитроны VD1 и VD2 совместно с резисторами R1 и R2 для задания тока

стабилизации образуют источники опорного напряжения. Диоды VD3 и VD4

используются для ограничения уровня аналогового сигнала.

В источниках напряжения, используемых для цепей защиты, будут

используются два прецизионных стабилитрона марки 2С166В, с номинальным

напряжением стабилизации 6,6 В. Этот кремниевый стабилитрон малой мощности

предназначен для применения в качестве источника номинального опорного

напряжения 6,6 В в цепях постоянного тока в диапазоне токов стабилизации

3...10 мА. Выпускается в стеклянном корпусе с гибкими выводами. Тип

стабилитрона приводится на корпусе. Со стороны вывода, положительного для

рабочего режима (анода) на корпусе наносится белая полоса. Масса

стабилитрона не более 5 г. [8] Основные электрические параметры

стабилитрона 2С166В приведены в табл. 4.2.

Табл. 4.2.

Основные электрические параметры стабилитронов 2С166В.

|Номинальное напряжение стабилизации*, В |6,6 |

|Разброс напряжения стабилизации*, % |-5...0...5 |

|Температурный коэффициент напряжения стабилизации*, % на (С| |

| |(0,0005% |

|Уход напряжения стабилизации*, мВ |-2...-0.5...+1,|

| |5 |

|Временная нестабильность*, мВ |(1,4 |

|Дифференциальное сопротивление при Т=25(С*, Ом |8...11...20 |

|Минимальный ток стабилизации, мА |7,5 |

|Максимальный ток стабилизации, мА |10 |

|Рассеиваемая мощность, мВт |70 |

|Температура окружающей среды, (С |-60...+125 |

* При токе стабилизации равном 7,5 мА.

Для обеспечения нормальной работы ограничителей напряжения, необходимо

сигнал от датчика подавать через резистор. Номинал резистора должен быть

таким, чтобы при срабатывании одного из ограничителей, ток через

соответствующий стабилитрон не превышал установленного предела. Максимально

возможный уровень сигнала, поступающий на схему при предельном повороте

гантрии симулятора не превышает 9 В. Ограничение сигнала проводится на

уровне 7,3 В. Значит падение напряжения на входном резисторе R3 не превысит

1,7 В. Выбрав номинал резистора R1 равным 5,1 кОм, максимальный ток

ограничителя устанавливается на уровне 0,3 мА. Т.е. при срабатывании

ограничителей, приращение тока через любой из стабилитронов не превысит 0,3

мА, что не выведет его из рабочего режима.

Определим номиналы резисторов R1 и R2, задающих ток через стабилитроны

VD1, VD2. Т.к. стабилизированное напряжение 6,6 В будет получаться из 15 В,

а номинальный ток стабилизации равный 7,5 мА, можно определить номиналы

резисторов:

[pic] Ом;

Выбрав ближайшее стандартное значение 1,1 кОм, и взяв резистор с допуском

(5% ток стабилизации ограничиться в пределах 7,2...8,0 мА, что допустимо

для выбранных стабилитронов.

Ограничение сигнала на уровне 7,3 В обеспечивается подключением

сигнальной линии к источникам опорного напряжения через диоды VD3,VD4. Для

этого используются германиевые диоды Д18, имеющие номинальное прямое

падение напряжения 0,7 В. Выбор данных приборов обусловлен подходящим

прямым падением напряжения, а также дешевизной и их малыми размерами.

Максимальный постоянный прямой ток через диод равен 16 мА.

4.3 Преобразование аналогового сигнала

После устройств ограничения уровня входного сигнала необходимо этот

сигнал уменьшить для того, чтобы он подходил под параметры АЦП. Это можно

сделать несколькими способами. Самый простой и дешевый способ -

использование резистивного делителя. Но это не очень хорошее решение:

потребуется учитывать входное сопротивление АЦП, сопротивление, стоящее на

входе (необходимое для ограничителей), а также параметры самого датчика.

При этом схема потребует сложной настройки, и при изменении какого-либо

параметра, произойдут нарушения в ее работе - изменения напряжений

срабатывания ограничителей, уровня сигнала на входе АЦП. Приемлемым

решением является использование операционного усилителя (ОУ) в качестве

устройства преобразования напряжения сигнала для подачи на вход АЦП, а

также в качестве буфера. Входные токи ОУ ничтожно малы, и поэтому

ограничивающий резистор, стоящий на входе, не окажет влияния на уровень

(напряжение) сигнала. Кроме того напряжение входного сигнала не будет

зависеть от входного сопротивления АЦП. ОУ необходимо использовать в

неинвертирующем режиме, для обеспечения максимального входного

сопротивления. Но при таком включении нельзя добиться требуемого

коэффициента усиления (<1). Поэтому после буферного неинвертирующего ОУ

будет использоваться еще один ОУ, работающий в инвертирующем режиме с

коэффициентом усиления <1. Применение для этой цели делителя вряд ли

является приемлемым, т.к. при расчете делителя потребуется учитывать

входное сопротивление АЦП. А это может привести к погрешности при изменении

этого параметра.

Коэффициент усиления первого ОУ, работающего в неинвертирующем режиме

и используемого в качестве буфера равен 1. Рассчитаем необходимый

коэффициент усиления второго ОУ, работающего в инвертирующем режиме и

используемого для уменьшения уровня сигнала. Т.к. сигнал, поступающий от

датчика симметричен относительно земли, можно производить расчет, например,

только для положительного его значения. Для этого разделим уровень,

соответствующий полной шкале АЦП на максимальный уровень входного сигнала:

[pic];

где K - необходимый коэффициент усиления; Uвх.АЦП - уровень сигнала,

соответствующий полной шкале АЦП; Uвх.макс - максимальный уровень входного

сигнала (соответствует 180 градусов поворота гантрии).

Таким образом необходимо уменьшить сигнал в 1,71 раза или, что

эквивалентно, увеличить в 0,71 раза. Рассчитаем номиналы резисторов цепи

обратной связи. Задавшись номиналом резистора R4=10 кОм ((5 %) (см

рис.4.6) и зная что коэффициент усиления должен быть равен -0,71 определим

номинал резистора R5:

[pic] Ом;

Но из-за неточности номиналов, а также отсутствия резисторов номиналом

7,1 кОм, необходимо предусмотреть возможность регулировки в некоторых

пределах коэффициента усиления. Для этого номиналом R5 выбирается меньшее

стандартное значение 6,2 кОм ((5 %) , а последовательно с ним включается

переменный резистор R6 сопротивлением 2 кОм. При этом обеспечивается

необходимая регулировка коэффициента усиления для компенсации неточности

номиналов резисторов R4 и R5. Так при их погрешностях изготовления

резисторов, приводящих к максимальному коэффициенту усиления (R4 = 9500 Ом,

R5 = 6510 Ом), с помощью уменьшения сопротивления R6 до 0, коэффициент

усиления можно понизить до:

[pic]

А при погрешностях, приводящих к минимальному усилению (R4 = 10500 Ом, R5

= 5890 Ом , коэффициент усиления можно повысить до:

[pic]

Т.о. при любых допустимых отклонениях ((5%), сопротивлений резисторов

задающих коэффициент усиления, от номинальных значений, коэффициент

усиления можно отрегулировать, и установить равным номинальному: -0,71.

Схема преобразования входного сигнала, с цепями защиты представлена на

рис. 4.7.

[pic]

Рис. 4.7 Схема преобразования входного сигнала.

Как было сказано выше, резисторы задающие коэффициент усиления, а

также входной резистор имеют допуски (5%, что вполне достаточно для

обеспечения нормальной работы устройства.

Операционные усилители для устройства необходимо выбирать из

соображений получения погрешностей, не выходящих за рамки допустимых. При

использовании ОУ необходимо учитывать ряд ограничений и отличий идеального

ОУ от реального которые могут в некоторых случаях привести к ощутимым

погрешностям. [7] Определи предельные значения некоторых параметров ОУ, для

использования в данном устройстве.

Напряжение сдвига. Благодаря входному напряжению сдвига, при нулевом

напряжении на входе напряжение на выходе равно [pic]. Максимальный

коэффициент усиления, равный 1, имеет первый ОУ. Второй ОУ имеет

коэффициент усиления 0,71. Если задаться максимальной погрешностью из-за

напряжения сдвига равной 0,1 младшего разряда АЦП (т.е. 1 мВ), то очевидно

требуется ОУ с максимальным напряжением сдвига не превышающем 1 мВ. Можно

конечно применить ОУ и с большим напряжением сдвига, но тогда придется

использовать схему регулировки смещения нуля, которая потребует настройки.

Проще и эффективнее использовать ОУ с подходящим напряжением сдвига. В этом

случае отпадает необходимость в настройке нуля. Кроме того, ОУ с низкими

напряжениями сдвига как правило имеют и более низкий дрейф этого параметра.

Входной ток смещения. Если в инвертирующем усилителе один из входов

заземлен, то даже при условии идеальной настройки (т.е. напряжение сдвига

равно нулю), на выходе усилителя будет присутствовать отличное от нуля

выходное напряжение. Это происходит из-за тока смещения, который создает

падение напряжения на резисторах. Он порождает смещение выхода,

определяемое как:

[pic]

Для обеспечения погрешности за счет тока смещения, меньшей 1мВ необходим ОУ

с током смещения:

[pic][pic]

Входной ток сдвига. Этот параметр обусловлен асимметрией входных токов

ОУ. Но входной ток сдвига как правило меньше входного тока смещения в 10 -

20 раз, и в данном случае им можно пренебречь.

Скорость нарастания ОУ. Т.к. ОУ будут работать с низкочастотными

сигналами, этот параметр не имеет в данном случае определяющего значения.

Выходной ток. В связи с тем, что выходной ток операционного усилителя

ограничен, размах выходного напряжения на низкоомных нагрузках также

ограничен, но это не приведет к появлению погрешностей, т.к. нагрузкой

первого ОУ является второй ОУ с входным сопротивлением порядка 10 кОм, а

нагрузкой второго ОУ является АЦП, входное сопротивление которого также

составляет 10 кОм.

Коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи. Значение

этого параметра нет необходимости учитывать, т.к. коэффициенты усиления

первого и второго ОУ равны соответственно 1 и 0,71, а частота

обрабатываемого сигнала очень мала.

Исходя из вышеизложенных требований, следует вывод о необходимости

применения прецизионного ОУ, т.к. только они могут обеспечить необходимые

параметры (в основном - малое напряжение смещения). Существует довольно

много ОУ, подходящих установленным критериям - отечественных и импортных.

Но надо отметить, что нецелесообразно применять микросхемы с параметрами,

намного превосходящие требуемые, т.к. это приведет лишь к неоправданным

расходам.

Наиболее подходящим представляется ОУ К140УД25А. Это прецизионный

усилитель со низким входным напряжением шума, внутренней частотной

коррекцией и высоким коэффициентом усиления напряжения. [9] Особенностями

данного ОУ являются: малое напряжение смещения, широкий диапазон напряжения

питания, высокий коэффициент усиления (1млн.). Электрические параметры ОУ и

предельные режимы эксплуатации приведены соответственно в таблицах 4.3 и

4.4.

Табл. 4.3

Электрические параметры ОУ К140УД25А.

(при Uп= ( 15 В, Rн = 2 кОм, Т = +25(С)

|Параметр |не менее |не более |

|Максимальное выходное напряжение, В |(12 |- |

|Напряжение смещения, мкВ |- |(30 |

|Ток смещения (входной ток), нА |- |(40 |

|Ток сдвига (разность входных токов), нА |- |25 |

|Ток потребления, мА |- |4,7 |

|Коэффициент усиления напряжения, тыс. |1000 |- |

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6