Главная страница
Навигация по странице:

  • А.Е. Герман, Г.А. Гачко Основы автоматизации эксперимента ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

  • Герман А.Е., Гачко Г.А. Г38

  • УДК 681.58:681.32 ББК 32.842-5 ISBN 985-417

  • СПОСОБЫ ЦИФРО-АНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

  • СПОСОБЫ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

  • АНАЛОГОВЫЕ КЛЮЧИ УСТРОЙСТВО ВЫБОРКИ-ХРАНЕНИЯ

  • КЛЮЧИ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

  • Герман А.Е.Основы автоматизации эксперимента.Лабораторный практикум.2004. Герман А.Е.Основы автоматизации эксперимента.Лабораторный практи. Учебнометодическое пособие по курсу "Основы автоматизации эксперимента" для студентов физических специальностей


    Скачать 1.19 Mb.
    НазваниеУчебнометодическое пособие по курсу "Основы автоматизации эксперимента" для студентов физических специальностей
    АнкорГерман А.Е.Основы автоматизации эксперимента.Лабораторный практикум.2004.doc
    Дата03.05.2017
    Размер1.19 Mb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаГерман А.Е.Основы автоматизации эксперимента.Лабораторный практи.doc
    ТипУчебно-методическое пособие
    #1712
    КатегорияЭлектротехника. Связь. Автоматика
    страница1 из 7
      1   2   3   4   5   6   7



    Министерство образования Республики Беларусь

    Учреждение образования

    "Гродненский государственный университет

    имени Янки Купалы"


    А.Е. Герман, Г.А. Гачко


    Основы автоматизации

    эксперимента
    ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

    Учебно-методическое пособие по курсу

    “Основы автоматизации эксперимента”

    для студентов физических специальностей

    Гродно 2004
    УДК 681.58:681.32

    ББК 32.842-5

    Г38


    Рецензенты: ученый секретарь Научно-исследовательского

    Центра Проблем ресурсосбережения НАНБ,

    кандидат физико-математических наук И.Ф. Свекло;

    начальник отдела международных отношений ГрГУ,
    кандидат физико-математических наук,
    доцент Ю.А. Войтукевич

    Рекомендовано Советом физико-технического факультета ГрГУ им. Я. Купалы

    Герман А.Е., Гачко Г.А.



    Г38

    Основы автоматизации эксперимента. Лабораторный
    практикум: Учебно-методическое пособие / А.Е. Герман. – Гродно: ГрГУ, 2004. – 150 с.

    ISBN 985-417-
    Пособие предназначено для студентов физических специальностей, изучающих курсы "Основы автоматизации эксперимента" и "Автоматизация физического эксперимента". Приводятся описания пяти лабораторных работ по указанным курсам, включая подробный теоретический материал, задания и методические рекомендации к их выполнению

    УДК 681.58:681.32

    ББК 32.842-5
    ISBN 985-417- © Герман А.Е., Гачко Г.А. , 2004


    Учебное издание

    Герман Андрей Евгеньевич

    Гачко Геннадий Алексеевич
    Основы автоматизации эксперимента Лабораторный практикум

    Учебно-методическое пособие
    Редактор Е.А. Смирнова

    Компьютерная верстка: А.Е. Герман
    Сдано в набор 28.08.2004. Подписано в печать 29.09.2004.

    Формат 60х84/16. Бумага офсетная №1.

    Печать RISO. Гарнитура Таймс.

    Усл. печ. л. 8,83. Уч.-изд. л.ХХ.

    Тираж 120 экз. Заказ ХХ
    Отпечатано на технике издательского отдела

    Учреждения образования "Гродненский государственный

    университет имени Янки Купалы".

    ЛП №111 от 29.12.02. Ул. Пушкина, 39, 230012, Гродно.


    Одной из наиболее увлекательных и полезных областей применения электроники является сбор и обработка информации об эксперименте. Существует ряд наук, основанных на опыте и неспособных обойтись без него. Одна из таких наук – физика. Экспериментальные методы и измерительная техника в физике в настоящее время весьма разнообразны.

    Стремительное развитие электроники оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых различных процессов в научных исследованиях. При этом сигналы от датчиков, в большинстве случаев аналоговые по своей природе, для обработки с помощью микропроцессорных средств должны быть представлены в цифровом виде. Преобразование сигнала из аналоговой в цифровую форму осуществляется с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Получаемый цифровой сигнал вводится в управляющую ЭВМ или микроконтроллер с помощью портов ввода, обрабатывается, и выводится с использованием портов вывода. Обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый осуществляется с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).

    В ряде случаев входные и выходные сигналы управляющей ЭВМ являются цифровыми. Это входные сигналы от дискретных датчиков, работающих по принципу “есть сигнал – нет сигнала”. Выходные цифровые сигналы могут быть использованы для управления включением исполнительных устройств и коммутации различных элементов экспериментальной системы.

    Совокупность перечисленных элементов (датчик – АЦП – ЭВМ – ЦАП – исполнительное устройство) в различных комбинациях позволяет создавать системы управления широкого применения, использующиеся и для автоматизации научных исследований.

    Предлагаемое читателю учебное пособие содержит описания пяти лабораторных работ по курсу “Основы автоматизации эксперимента” и предназначено для студентов физических специальностей. Первая лабораторная работа посвящена способам цифро-аналогового преобразования. Во второй работе изучаются аналого-цифровые преобразователи, подробно останавливаясь на принципах работы АЦП последовательных приближений. В третьей работе рассмотрены аналоговые ключи на полевых транзисторах, являющиеся неотъемлимым элементом современных систем сбора и обработки аналого-цифровой информации, а также выполненное на их основе устройство выборки-хранения (УВХ) аналоговых сигналов. Шаговые двигатели (ШД) нашли широчайшее применение для управления положением элементов установки в физическом эксперименте и системах автоматизированного управления. Четвертая работа посвящена шаговым двигателям и способам управления ими.

    Пятая работа является итоговой, сочетающей в себе основные умения и навыки, полученные при выполнении первых работ. В ходе выполнения пятой работы необходимо из стандартных элементов (таких как монохроматор с ШД, источники света, датчики оптического излучения, АЦП) построить автоматизированный оптический спектрометр, измеряющий спектры поглощения в видимом диапазоне, выполнить его настройку и калибровку, а также получить спектры поглощения неизвестных образцов.

    В пособие включено описание принципов организации параллельного интерфейса Centronics (LPT-порта), что позволяет изучить программные методы обмена информацией на низком уровне. Данный интерфейс используется для сопряжения большинства описываемых лабораторных установок с персональным компьютером и выбран исходя из его многофункциональности и простоты программирования. В качестве базового языка программирования при выполнении практикума применяется Паскаль, изучаемый всеми студентами в обязательном порядке.

    Каждое описание лабораторной работы начинается с подробного изложения теоретического материала, необходимого для выполнения работы. Далее следует описание и схема лабораторной установки, а также перечень заданий, контрольных вопросов и список литературы, использованной авторами для подготовки работы, также рекомендуемый студентам в качестве дополнительной литературы.

    Особенностью изложения заданий практикума является отсутствие подробных “пошаговых” инструкций к их выполнению. Это позволяет развивать творческий подход студентов к выполнению работы, заставляет более глубоко изучать теоретический материал и, в дальнейшем, принимать участие в решении более сложных задач курсового и дипломного проектирования.

    Авторы благодарят инженера кафедры общей физики ГрГУ Савицкого В.Б. за помощь в реализации макетов лабораторных работ.




    СПОСОБЫ

    ЦИФРО-АНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
































    Описание лабораторной установки




    Задания к работе




    Список контрольных вопросов




    Список использованных источников





    Цель Работы:

    Изучить основные способы цифро-аналогового преобразования, способы построения цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) и их основные параметры. Освоить принципы программно-управляемого обмена информацией через параллельный порт и реализовать генератор сигналов специальной формы на основе ЦАП.
    ОБОРУДОВАНИЕ:

    Макет ЦАП, два регулируемых источника питания 0-15В, мультиметр, осциллограф, персональный компьютер, соединительные провода.



    Рис. 1. Простейший ЦАП с суммированием весовых токов


    Рис. 2. Схема ЦАП с R-2R матрицей постоянного импеданса



    Рис. 3. Схема инверсного включения ЦАП с R-2R матрицей



    Рис. 1. Формирование напряжения по токовому выходу ЦАП



    Рис. 9. Структурная схема лабораторной установки по изучению ЦАП


    Рис. 10. Принципиальная схема лабораторной
    установки по изучению ЦАП




    СПОСОБЫ

    АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
































    Описание лабораторной установки




    Задания к работе




    Список контрольных вопросов




    Список использованных источников





    Цель Работы:

    Изучить основные способы аналого-цифрового преобразования, виды аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и их основные параметры. Освоить построение программно управляемых АЦП, работающих по методу последовательных приближений.
    ОБОРУДОВАНИЕ:

    Макет АЦП последовательных приближений, два регулируемых источника питания 0-15В, мультиметр, осциллограф, персональный компьютер, соединительные провода.



    Рис. 1. Сравнение различных видов АЦП по
    разрешению и производительности

    Рис. 9. Структурная схема макета лабораторной установки

    по изучению АЦП последовательных приближений


    Рис. 10. Принципиальная схема макета лабораторной установки

    по изучению АЦП последовательных приближений




    АНАЛОГОВЫЕ КЛЮЧИ

    УСТРОЙСТВО

    ВЫБОРКИ-ХРАНЕНИЯ


    Ключи на полевых транзисторах

    31

    Параметры аналоговых ключей

    32

    Примеры использования
    аналоговых ключей

    33

    Устройство выборки-хранения

    34

    Описание лабораторной установки

    35

    Задания к работе

    36

    Список контрольных вопросов

    37

    Список использованных источников

    38


    Цель Работы:

    Изучить устройство, принцип действия, основные параметры и область применения аналоговых ключей на полевых транзисторах, а также устройство выборки-хранения, построенное на их основе.
    ОБОРУДОВАНИЕ:

    Макет устройства выборки-хранения, три регулируемых источника питания 0-15В, мультиметр, двухлучевой осциллограф, генератор низкочастотных импульсов, часы-секундомер, набор конденсаторов, соединительные провода.

    КЛЮЧИ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
    Очень часто полевые транзисторы (ПТ) применяются в качестве аналоговых ключей. В силу таких свойств, как малое сопротивление в проводящем со­стоянии, крайне высокое сопротивление в состоянии отсечки, малые токи утечки и малая емкость, они являются идеальными клю­чами, управляемыми напряжением, и предназначенными для аналоговых сигналов.



    Рис. 1. Последовательная (а) и параллельная (б) схемы ключей
    Идеальный последовательный анало­говый ключ (рис. 1, а) ведет себя как совершенный механический выключатель: во включенном состоянии пропускает сиг­нал Uвх к нагрузке без ослаблений или нели­нейных искажений, в выключенном  ведет себя как разомкнутая цепь. Он имеет пре­небрежимо малую емкость относительно земли и вносит ничтожно малые наводки в сигнал от переключающего его уровня, приложенного к управляющему входу. В схеме параллельного ключа (рис. 1, б) выходное напряжение равно входному при разомкнутом ключе. В этой схеме сопротивление R используется для ограничения тока, протекающего через замкнутый ключ.

    Известно, что ПТ в области малых напряжений сток-исток ведет себя как резистор, сопротивление которого может изменяться на много порядков при изменении управляющего напряжения затвор-исток. На рис. 2, а показана схема аналогового ключа на ПТ с управляющим p-n переходом. Если для этой схемы управляющее напряжение Uупр установить меньше, чем минимально возможное входное напряжение, по крайней мере, на величину порогового напряжения ПТ  транзистор закроется, и выходное напряжение станет нулевым.




    Рис. 2. Аналоговый ключ на

    ПТ с p-n переходом
    Для того, чтобы ПТ был открыт, напряжение затвор-исток следует поддерживать равным нулю, обеспечивая тем самым минимальное сопротивление канала сток-исток. Если это напряжение вдруг окажется большим нуля, управляющий p-n переход откроется и выход ключа окажется соединенным с цепью управления. Равенство нулю напряжения затвор-исток реализовать достаточно сложно, так как потенциал истока изменяется с изменением входного потенциала. Способ преодоления этой проблемы показан на рис. 2, б.

    Если напряжение Uупр установить большим, чем входное напряжение, диод закроется и напряжение затвор-исток будет равным нулю. При достаточно большом отрицательном управляющем напряжении диод будет открыт, а ПТ закрыт. В этом режиме ток через резистор R1 течет в цепь управляющего сигнала.




    Рис. 3. Схема ключа на

    МОП-транзисторе
    Описанная проблема не имеет места при использовании в качестве ключа ПТ с изолированным затвором (МОП-транзистора). Его можно переводить в открытое состояние, подавая на затвор управляющее напряжение, большее чем максимальное входное напряжение, причем ток затвора будет равен нулю (рис. 3). В этой схеме отпадает необходимость использования R1 и диода, как на рис. 2.

    Показанный на рис. 3 n-канальный МОП-транзистор обогащен­ного типа, не проводящий ток при зазем­ленном затворе или при отрицательном напряжении затвора. В этом состоянии сопротивление сток-исток (Rвыкл) как правило, больше 10 ГОм, и сигнал не проходит через ключ (хотя на высоких частотах будут некоторые наводки через емкость сток-исток, рассмотренные нами далее). Подача на затвор значительного положительного напряже­ния относительно истока приводит канал сток-исток в проводящее состояние с типичным со­противлением от 6 до 500 Ом (Rвкл) для ПТ, используемых в качестве аналоговых ключей.

    Схема, показанная на рис. 3, будет работать при входных сигналах, которые по крайней мере на 5 В меньше, чем Uупр. При более высоком уровне входного сигнала напряжение затвор-исток будет недостаточным для поддержания ПТ в открытом состоянии, а отрицательные входные сигналы вызовут включение ключа даже при заземленном затворе (при этом появится прямое смещение перехода ка­нал-подложка). Если надо переключать сигналы обеих полярностей (например, в диапазоне от -10 до +10 В), то можно применить такую же схему, но с затвором, управляемым напряжением -15 В (ВЫКЛ) и +15 В (ВКЛ); подложка ПТ при этом должна быть подсоединена к напряжению -15В.

    Для любого ключа на ПТ сопротивление нагрузки должно быть не слишком высоким, чтобы предотвратить емкостное прохождение входного сигнала в разомкнутом состоя­нии, которое имело бы место при большом сопротивлении. Сопротив­ление нагрузки выбирается компромис­сным. Малое сопротивление уменьшит емкостную утечку, но вызовет ослабление входного сигнала из-за делителя напря­жения, образованного сопротивлением проводящего ПТ Rвкл и сопротивлением нагрузки. Так как Rвкл меняется с измене­нием входного сигнала (при изменении напряжения затвор-исток), это ослабление приведет к некото­рой нежелательной нелинейности. Слиш­ком низкое сопротивление нагрузки проявляется также и на входе ключа, на­гружая источник входного сигнала.

    Часто необходимо переключать сигналы, срав­нимые по величине с напряжением пита­ния. В этом случае описанная выше про­стая схема (рис. 3) работать не будет, поскольку при пиковом значении сигнала затвор не будет иметь смещения в прямом направлении. Переключение таких сигна­лов обеспечивают переключатели на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП, рис. 4). Здесь на подложку VT1 подается положительное напряжение питания +U, а на подложку VT2 отрицательное напряжение -U. При высоком уровне (лог. 1) управляющего сигнала VT1 пропус­кает сигналы с уровнями от -U до U минус несколько вольт (при



    Рис. 4. Ключ на комплементарных МОП-транзисторах



    Рис. 5. Зависимость сопротивления ключа на КМОП транзисторах от входного напряжения

    более высоких уровнях сигнала Rвкл начинает сильно расти). Аналогично VТ2 при заземленном затворе (на входе управления лог. 0) пропускает сиг­нал с уровнями от U до значения на несколько вольт выше уровня -U.

    Та­ким образом, все сигналы в диапазоне от -U до U проходят через схему с малым сопротивлением (рис. 5). Пере­ключение управляющего сигнала на уровень земли запирает оба ПТ, размыкая цепь. В результате полу­чается аналоговый переключатель для сигналов в диапазоне от -U до U. Это основа схемы большинства КМОП-ключей. Эта схема работает в двух направле­ниях  любой ее зажим может служить входным.

    Выпускается большое количество ин­тегральных КМОП-ключей в разных кон­фигурациях (например, несколько секций с несколькими полюсами каждая). Многие интегральные ключи очень удобны в употреблении. Они используют управ­ляющий сигнал с уровнями ТТЛ, оперируют ана­логовыми сигналами до ±15 В и имеют малое сопротивление (у некоторых – до 6 Ом). Типичными примерами отечественных микросхем аналоговых ключей являются микросхемы К176КТ1, К561КТ3 и ряд других.
      1   2   3   4   5   6   7
    написать администратору сайта