Компьютерная Томография
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 происхо
| |  скачать работу |
Компьютерная Томография |
