АЦП-УНИВЕРСАЛ

Предлагаемое вашему вниманию устройство предназначено для преобразования входного сигнала постоянного напряжения в цифровой код и вывода его на трехразрядный семисегментный индикатор. Его можно использовать в мультиметрах и в целом ряде других цифровых измерительных приборов. Выполнена схема данного аналого-цифрового преобразователя на широко распространенных цифровых МОП ИМС и ОУ и может индицировать показания как на светодиодных, так и на вакуумно-люминесцентных или жидко-кристаллических индикаторах. Кроме того, у АЦП малое количество пассивных элементов, довольно-таки простые наладка и калибровка. А малый ток потребления и невысокое U_пит позволяют питать АЦП с индикаторами от одной батареи типа «Крона». И что самое главное — его можно использовать в комбинированных приборах для измерения как аналоговых (напряжение), так и счетных (частота, время) величин без существенных изменений схемы.

Основу аналоговой части АЦП (рис. 1) представляет компаратор на ОУ DA1, в котором положительное входное напряжение на инвертирующем входе (рис. 2 д) сравнивается с линейно нарастающим ступенчатым напряжением на конденсаторе С2 (рис. 2 е). При превышении U_вх ступенчатым напряжением DA1 срабатывает (рис. 2 ж) и переключает инвертор DD3.2, подающий тактовые импульсы на вход счетчика DD4 и на конденсатор С2 (рис. 2 л).

Основой же цифровой части рассматриваемого устройства является часовой счетчик DD1 со встроенным тактовым генератором. С него тактовые импульсы подаются на инвертор DD3.2 (рис. 2 а). Импульсы частотой f_т/2⁸ подаются ко входу делителя на 60 и к базе транзисторов VT3—VT5 (рис. 2 б).

Спад импульса частотой f_т/2¹⁴ (рис. 2 в) открывает транзистор VT2 для разряда конденсатора С2 и удерживает при этом инвертор DD3.3 (а следовательно, и D3.2) от переключения. Причем заряд С2 и подача тактовых импульсов на выходные счетчики предотвращаются до прихода импульса частотою f_т/(2⁸·60) (рис. 2 г), фронт которого обнуляет все счетчики. После этого весь цикл измерений повторяется.

Элементы DD2.1, DD2.2 представляют собой асинхронный RS — триггер с инверсным включением. Если входное напряжение АЦП превысит предельное (999 ед. счета), спад импульса с выхода f/10 счетчика DD6 (рис. 2 м) подаст на вход «R» триггера короткий «пичок» (рис. 2 н), переключающий триггер в нулевое состояние (рис. 2 п). При этом на высшем разряде индикатора HG3 индицируется запятая. Импульс частотой f_т/2¹⁴ по входу «S» возвращает триггер в единичное состояние (рис. 2 о). При подаче на вход АЦП отрицательного напряжения компаратор сразу переключается, и показания индикатора равны нулю.

Для динамической индикации общий анод каждого HG подключен к отдельному транзистору (VT3—VT5). На базы этих транзисторов со счетчика DD1 подаются последовательные импульсы с частотой f_т/2⁸ при скважности 4, которые и определяют ток потребления индикаторов.

Конденсатор С2 заряжается импульсами от генератора стабильного тока на транзисторе VT1, модулированными по частоте тактовым генератором. А диод VD1 — предотвращает разряд С2 через выход DD3.2.

Резисторы R2, R3 служат для повышения входного сопротивления и защиты входа ОУ, R4 — для балансировки операционного усилителя, резистор R6 — для калибровки АЦП. Цепочка R1С1 определяет частоту импульсов тактового генератора. Постоянная времени цепи задержки C3R5 должна быть вдвое больше цепи C4R8 для обеспечения приоритета импульса, устанавливающего триггер в единичное состояние.

Вместо К176 (DD2 и DD3 по схеме) и АЦП вполне подойдут аналогичные ИМС серий К561, 564. Счетчик DD6 К176ИЕ4 можно заменить на ИЕЗ (но это снизит предел показаний индикатора до 599 ед.). Или добавить еще один счетчик К176ИЕЗ с индикатором при условии, что предел показаний не превысит 1999 ед. во избежание одновременного свечения всех сегментов при пересчете. При этом нижний предел входного напряжения АЦП следует изменить (пропорционально изменению показаний).

Светодиодные индикаторы — с общим анодом, типа АЛС 312, АЛС 3245 и т. п. при незначительных изменениях подключения можно использовать и индикаторы с общим катодом. Подойдут также (при соответствующих модификациях схемы) ВЛИ или ЖКИ.

ОУ К544УД1 (с любой буквой) можно заменить на К140УД8, К544УД2, К574УД1 с соответствующими элементами коррекции и балансировки. Следует только учитывать, что операционные усилители с индексом А имеют лучшие входные параметры. Для снижения влияния помех и наводок входы ОУ нужно экранировать.

Транзистор VT1 — 2П103А(Б) КП103Е(Ж,И) с напряжением U_зи отсечки не более 3В. VT2 должен иметь малые J_кбо и U_кэ насыщения. Для этого подходят транзисторы КТ342, КТ373, КТ3102 с любой буквой. VT3—VT5 — ключевые серии КТ201, КТ503, КТ312 и им подобные. Диод VD1 — кремниевый, с малыми прямым напряжением и обратным током, серий КД520, КД521, КД522 и т. п.

Конденсатор С1 — малогабаритный, типа К73-9, К73-15, К71-4, ПМ-1. Конденсатор С2 — с малым током утечки (не более 0,01 мкА), типа К73-17. Ввиду больших габаритов его можно заменить танталовым типа К52-1, однако у последнего хуже частотные и температурные характеристики. Остальные конденсаторы — керамические, емкостью 30…100 пФ.

Подстроечные резисторы — типа СПЗ-19, СПЗ-38. Но лучше подойдут многооборотные типа СПЗ-39, СП5-2В. Остальные резисторы — типа МЯТ 0,125. Цепочку R1C1 можно заменить часовым кварцевым резонатором 32,768 кГц с соответствующими изменениями подключения. При этом подстраивать частоту не требуется.

R1 должно быть не менее 20 кОм. Тогда f_т≈1 /1,4 R1С1. Конечно, величину последней можно выбирать из ряда 50; 33,3; 25; 20 кГц. Но так как данная схема мало подвержена влиянию сетевой помехи 50Гц, то целесообразно задать частоту тактовых импульсов 215, то есть 32,768 кГц. Тогда период импульса Т_и=1/ f_т=30,5 мкс, t_изм=1000 Т_и=30,5 мс. Общая же продолжительность измерительного цикла t_ц = (39/60)·Тц = (39/60)·((2⁸·60)/ f_т)≈305 мс.

Что касается времени разряда конденсатора С2, то оно меньше t_ц на величину 1/2·2¹⁴/ f_т — и составляет 55 мс. Ну а продолжительность индикации, как известно, это — 90% общей продолжительности цикла.

Конденсатор С2 выбирается из соотношения С2=I_ст·t_и·n_сч/U_вх, где:

I_ст — стабильный ток ГСТ,

t_и=Т_и/2,

n_сч — максимальное индицируемое число,

U_вx — входное напряжение АЦП. Для обеспечения температурной стабильности тока ГСТ напряжение на затворе VT1 U_зи=U_{зи отс} — (0,5…0,6) В. При этом оптимальным можно считать I_ст=50…150 мкА. Этот ток устанавливается с помощью резистора R6, номинальное сопротивление которого R6≈U_{зи отс}/I_ст. В случае, когда I_ст=100 мкА, t_и=15,3 мкс, n_сч=1000 ед, U_вx =100 мВ номинал С2 должен составлять примерно 15 мкФ. Использование же в схеме конденсатора К73-17, емкость которого ограничена величиной 4,7 мкФ, приведет к тому, что I_ст придется снизить до 30 мкА. Или — повысить f_т до 50 кГц при одновременном уменьшении I_ст до 45 мкА.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ АЦП

Напряжение питания, В однополярное, +7… +10

Входное напряжение, В однополярное, +0,1 …+1

Входной тон, нА — не более 2

Ток потребления с индинаторами, мА — не более 40

Диапазон показаний индинаторов, ед — 0…999

Погрешность показаний, ед. последнего разряда — не более ±5

Питание АЦП осуществляется от батареи типа «Крона» или от 6 элементов А316, 7 элементов Д0,1 и т. п. Для обеспечения линейной выходной зависимости входное напряжение берется в пределах 0,1 …1,0 В. Разность между U_пит и опорным напряжением («средней точкой») должна составлять не менее 4В+211вх. Но минимальное опорное напряжение в схеме 0,3 U_пит и выше. Отсюда опорное напряжение должно находиться в пределах от 0,3 U_пит до U_пит — (4B+2U_вх). Для режима работы, когда и U_вх=0,1 В, это составит 2,1 …2,8В. А если взять U_пит=10В и U_вх=1 В, то U_oп=3,0…4,0 ОВ.

При наличии шести отдельных элементов питания «среднюю точку» выводят от двух нижних элементов (рис. 3а). А когда это сделать невозможно, «среднюю точку» задают стабилитроном КС1ЗЗА, КС139А при токе стабилизации 0,1 …0,5 мА (рис. 3б).

Помехоподавляющие конденсаторы, устанавливаемые между шинами питания, — электролитические 10…100 мкФ, керамический — 0,047…0,1 мкФ.

Неплохие результаты дает совмещение различных элементов электропитания: маломощных типа Д 0,06, РЦ53 — для ИМС и мощных типа Д 0,25, А316 — для индикаторов. Индикаторы при этом запитывают от «средней точки» (рис. 3в): как импульсным, так и постоянным током.

Схему АЦП можно упростить, обойтись без индикатора перегрузки. В этом случае из схемы убирают ИМС DD2 и элементы СЗ, С4, R5, R8.

На рис. 4 показана печатная плата АЦП, которую можно использовать в качестве милливольтметра постоянного тока с пределом измерения 0—100 мВ или просто высокочувствительного индикатора напряжения (для других пределов и видов измерений следует использовать дополнительные входные шунты, делители напряжения и различные преобразователи). Плата изготовлена из двухстороннего стеклотекстолита толщиной 1 мм. С нижней стороны на нее наносится рисунок, а слой фольги со стороны деталей образует экран. Последний следует подпаять к средней точке питания (1), а на отверстиях снять фаски во избежание электрического контакта элементов схемы. Конденсаторы: С1 — ПМ1, С2 — К52-1, СЗ, С4 — КТ2, С5 и С6 — К50-35, а С7 — КМ5. Подстроечный резистор R4 — СП5-3 (с гибкими выводами, приклеен к плате), R6 — СПЗ-39 (безындукционный, с угловыми жесткими подрезанными выводами). Выключатель SA1 — ПКн61.

Требования к монтажу — такие же, как к подобным операциям при изготовлении других аналогичных приборов. Собранный АЦП регулируют по двум параметрам. Установку нуля производят с помощью резистора балансировки ОУ R4 при короткозамкнутых входных контактах прибора. Остаточное напряжение на конденсаторе С2 при этом компенсируют напряжением смещения ОУ. Установку 99,9 мВ или других показаний, близких к верхнему пределу измерения, производят по эталонному прибору (вольтметру) резистором R6, помня, что максимальная погрешность АЦП зависит от погрешности эталонного прибора. А она не должна превышать 0,1 …0,2% измеряемого значения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бирюков С. А. Цифровые устройства на МОП — интегральных микросхемах.— М.: Радио и связь, 1990.— С. 4—65.

2. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.— Л.: Энергоатомиздат, 1988.— С. 251—276.

3. Евсеев В. Цифровой мини-тестер.— «Моделист-конструктор», 1986, № 6 (с. 20—22), № 7 (с. 42—43).

4. Ланцов А. Л., Зворыкин Л. Н., Осипов И. Ф. Цифровые устройства на комплементарных МДП-интегральных микросхемах.— М.: Радио и связь, 1983.— С. 233—248.

Б. РОВКОВ,

г. Харьков