Technik elektronik 311[07]

1
Technik elektronik 311[07]
Zadanie praktyczne
Firma produkująca sprzęt medyczny, zleciła opracowanie i wykonanie układu automatycznej
regulacji temperatury sterylizatora o określonych parametrach technicznych, którego jednym
z bloków jest przetwornik napięcie/częstotliwość. Po zaprojektowaniu urządzenia, wykonano
jego prototyp.
Opracuj projekt realizacji prac związanych z uruchomieniem i sprawdzeniem działania
przetwornika napięcie/częstotliwość, którego schemat i dane techniczne są zamieszczone w
Załącznikach 1 i 2.
Wyznacz charakterystyki obrazujące zależność częstotliwości sygnału wyjściowego, a także
błędu przetwarzania od napięcia wejściowego i parametry przetwornika oraz porównaj je z
danymi technicznymi (Załącznik nr 2). Sformułuj wnioski dotyczące pracy układu i
zaproponuj możliwość zwiększenia zakresu przetwarzania przetwornika.
Projekt realizacji prac powinien zawierać:
1. Tytuł pracy egzaminacyjnej.
2. Założenia do opracowania projektu wynikające z treści zadania, danych technicznych
układu, wyposażenia stanowiska pomiarowego i wykonanych pomiarów.
3. Wykaz kolejnych działań związanych z badaniem przetwornika.
4. Schemat układu pomiarowego do badania przetwornika.
5. Opis sposobu pomiaru charakterystycznych parametrów przetwornika.
6. Wskazania eksploatacyjne dla użytkownika przetwornika, wynikające z założonych
warunków technicznych i użytkowych.
Dokumentacja z wykonania prac powinna zawierać:
7. Charakterystykę przejściową przetwornika f = f(Uwe)
8. Charakterystykę błędu przetwarzania z zależności od napięcia wejściowego δ =
f(Uwe)
9. Obliczenia spodziewanej częstotliwości drgań, współczynnika nieliniowości w
zakresie przetwarzania oraz maksymalnego błędu względnego przetwornika,
wyznaczenie zakresu przetwarzania wraz z podaniem przykładowych obliczeń,
porównanie obliczonych i odczytanych wartości z założonymi oraz wnioski dotyczące
pracy przetwornika.
10. Propozycję zmian w układzie w celu zwiększenia zakresu przetwarzania.
Do wykonania projektu wykorzystaj:
Opis układu – Załącznik nr 1
Dane techniczne i wyposażenie stanowiska – Załącznik nr 2
Zestaw podstawowych wzorów i wyniki pomiarów – Załącznik nr 3
Do wykonania prac związanych z wykonaniem zadania przygotowano stanowisko
wyposażone w aparaturę kontrolno – pomiarową oraz materiały:
- zasilacz laboratoryjny 0 – 20 V/1 A: 2 szt.
- multimetr cyfrowy U/I/DC: 1 szt.
- częstotliwościomierz: 1 szt.
- zestaw przewodów połączeniowych
2
Załącznik nr 1
Opis układu:
Rysunek 1. Schemat blokowy układu automatycznej regulacji i pomiaru temperatury.
Układ automatycznej regulacji temperatury sterylizatora składa się z rezystancyjnego czujnika
temperatury, przetwornika temperatury na napięcie (t/U), przetwornika napięcia na
częstotliwość (U/f) oraz kontrolera mikroprocesorowego (μP), którego zadaniem jest
sterowanie układem wykonawczym. W urządzeniu prototypowym, konstruktorzy
przewidzieli możliwość pomiaru i wyświetlenia wartości (LED) sygnału
wejściowego(częstotliwości) za pomocą sterownika mikroprocesorowego.
Rysunek 2. Schemat ideowy przetwornika napięcie/częstotliwość
Na wejście przetwornika U/f, którego głównym elementem jest układ scalony AD654 firmy
Analog Devices, jest podawany sygnał napięciowy pochodzący z czujnika t/U. Przetwornik
jest zasilany napięciem 15V, jednak w celu dostosowania sygnału wyjściowego przetwornika
do mikroprocesorowego układu pomiarowego, obniżono napięcie zasilania układu
AD654przez zastosowanie rezystora R11 i diody Zenera D1. Układ AD654 ma wyjście typu
otwarty kolektor, co powoduje konieczność zastosowania rezystora R8. Częstotliwość
wyjściowa zależy od doprowadzonego do wejścia przetwornika napięcia, wartości
pojemności kondensatora C3 oraz wartości rezystancji połączenia szeregowego elementów
3
R9 i r10. ponadto, rezystor R10 (ustawiony na wartość 3 kΩ) służy do kalibracji układu. Na
wyjściu przetwornika jest otrzymywany sygnał w postaci fali prostokątnej o amplitudzie 5V i
częstotliwości zależnej od napięcia wejściowego.
Układ prototypowy wykonano, wykorzystując technologię montażu powierzchniowego SMD
(= surface mount device).
4
Załącznik nr 2
Parametry elektryczne i użytkowe przetwornika
Lp.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Parametr
Maksymalne napięcie zasilania układu AD654
Napięcie zasilające przetwornik
Amplituda napięcia wyjściowego
Kształt przebiegu wyjściowego
Współczynnik wypełnienia
Pobór prądu przez przetwornik
Maksymalne napięcie wejściowe
8.
Zakres przetwarzania
(w zakresie Uwe = (1..Uwemax – 1 V)
Współczynnik nieliniowości w zakresie przetwarzania
Maksymalny błąd względny przetwarzania
Częstotliwość wyjściowa maksymalna układu
Zakres temperatury otoczenia
Wilgotność względna
Zakłócenia elektromagnetyczne
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Symbol
Uccmax
Ucc
Uwy
Iccmax
Uwemax
δ
δmax
fmax
Δ to
w
ESM
Wartość
36V
15V
5V
Prostokąt
0,5
2 mA
Napięcie podane
na wyprowadzenie
8 układu AD654
1÷4V
1,5%
± 5%
500 kHz
0 ÷ 50oC
30 ÷ 80%
Kl. B
wg PN 89/E-06251
5
Załącznik 3
Zestaw podstawowych wzorów i wyniki pomiarów
1. Częstotliwość generowana przez układ:
0,1Uwe
fwy =
( R9 + R10 )C 3
2. Błąd bezwzględny przetwarzania
Δ f = | fo - fz|
gdzie:
fo – częstotliwość obliczona
fz – częstotliwość rzeczywista (zmierzona)
3. Błąd względny przetwarzania
δ=
Df
× 100%
fo
4. Wyniki pomiarów
U
[V]
f
[Hz]
0,52
0,98
1,54
2,03
2,35
2,46
3,12
3,55
4,01
4,49
4,98
213
410
647
860
998
1046
1329
1519
1718
1930
2198