СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………1

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ………………………………………………….2

2. РаСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

        ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

        О ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ…………………..12

        микросхема мах 521………………………………………………..18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….23

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………………..24

ВВЕДЕНИЕ 

В настоящее время  измерение температуры на предприятиях играет немаловажную роль. Данный прибор следит за температурой подшипников насосов, перегрев которых может вести к поломке оборудования, к нарушению технологического процесса. Поэтому очень важно при решении данной задачи определиться с выбором  соответствующего прибора. Так, например, на предприятии НГДУ «Ямашнефть» используют прибор температурного контроля ТК–5.8. Датчики установлены на различных объектах, а сигнал уже непосредственно поступает в операторную на щит, где оператор может контролировать измеряемую температуру объекта в пределах установленной нормы. При отклонении от заданных значений прибор включит звуковую и световую индикацию. Данный прибор восьми канальный, соответственно он может следить  за температурой одновременно на восьми объектах.

Измерение непосредственно температуры осуществляется с помощью датчика. В качестве датчика используется термометр сопротивления медный.

Принцип действия заключается в том, что с изменением  температуры подшипников, происходит изменение сопротивления. То есть измерение   температуры   с    помощью    электрического    термометра сопротивления сводится к измерению активного сопротивления  термометра.

Далее с помощью внутренней структуры прибора происходит преобразование входной величины сопротивления и конечным результатом является отображение температуры на индикаторе.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 

Восьмиканальный прибор температурного контроля ТК-5.8 может применяться в различных от­раслях промышленности для измерения, контроля и   регулирования температуры   в системах управления технологическими процессами. Контроллер ТК-5.8 может, в частности, заменить при­меняемые в настоящее время приборы СТ-136, АИН-М, и НК-1 (Венгрия).

Прибор используется в комплекте с датчиком ТСМ-0969, либо аналогичными датчиками, причем возможно использование одновременно датчиков двух типов.

Условия эксплуатации прибора ТК5.8 должны соответствовать условиям производственных поме­щений:

диапазон температур окружающего воздуха, С   ..................................    10-35

верхнее значение относительной влажности воздуха при 30 °С, %  ... .  75

диапазон атмосферного давления, кПа   ..............................................  84 - 106,7

вибрация, тряска, удары       …………………………….…………  отсутствуют

Ниже приведены различные модификации данного прибора.

           Таблица 1

Технические характеристики прибора.

Искробезопасный вход ……………………………………………… …Exib II А

Тип датчиков……………………………………………………… ТСМ гр. 23, 50

Способ подключения датчиков………………………………….трехпроводный

Измерительный ток через датчик, мА не более ………………………………..1

Напряжение на входах подключения датчиков, В не более.…………………..5

Допустимые параметры соединительной линии:

 индуктивность, мГн, не более……………………………………………0,1

 емкость, мкФ, не более…………………………………………………0, 15

 сопротивление, Ом, не более…………………………………………3 .- 20

Диапазон измеряемых температур, °С……………………………….- 40... +180

Пределы допускаемого значения основной абсолютной                           погрешности показаний ,°С, не более …………………………………….. ± 0,6

Число каналов измерения температуры…………………………………………8 Дискретность показаний, °С …………………………………………………..0,1

Число выходных каналов стандарта 4-20мА……………………………………8

Число выходных релейных каналов………………………………………..9 (17)

Число выведенных контактов реле ……………………….1 контактная  группа

                                                                                                         на замыкание

Тип реле…………………………………………………………………...РЭС48А

Ввод нижней и верхней уставок……………………………….с панели прибора

Цифровая индикация текущих значений…………………….одного канала или

                                                                                                        четырех каналов

Обеспечена сохранность результатов регистрации и величины введенных уставок при исчезно­вении напряжения в сети.

Индикация обрыва или короткого замыкания цепей датчика …….по каждому

                                                                                                                      каналу

Изменение показаний прибора при изменении температуры  окружающего воздуха на каждые 10°С от +20°С не должно превышать, С………………..0,2

Напряжение питания блока управления и блока реле…………….220 В ± 10%

Потребляемая мощность, ВА, не более:

блока управления ………………………………………………………..10

блока реле ………………………………………………………………..15

 Устройство и принцип работы прибора.

В состав схемы блока управления и измерения входят следующие функциональные узлы (рис. 1):

• измерительный канал, состоящий из входных усилителей-преобразователей сопротивления в напряжение (А1-А8), коммутатора и аналого-цифрового преобразователя (AD7894);
• блок искрозащиты;
• центральный процессор (АТ89С52) с функциями управления коммутатором, АЦП и передачи сигналов на внешние устройства;
• 16-ти разрядный вакуумно-люминисцентный индикатор (ВЛЦ) с процессором управления (АТ89С51);
• элементы оперативного управления прибором (клавиатура и индикатор режимов);
• узел записи и хранения введенных уставок и характеристик ТСМ (EEPROM 24LC04B);
• схема передачи сигналов управления на блок реле в стандарте I²C;
• трансформатор питания и стабилизаторы напряжений.    

Блок реле содержит следующие функциональные узлы:

• процессор приема и распознавания сигналов управления (АТ89С51), поступающих из блока управления и измерения в стандарте I²C;
• выходной канал, состоящий из цифро-аналогового преобразователей (ЦАП МАХ 521) и преобразователей напряжения в ток 4-20 мА;
• выходной релейный канал, состоящий из токовых ключей К1109КТ23 и реле РЭС-48;
• трансформатор питания и стабилизаторы напряжений.

Рис. 1 Структурная схема ТК -5.8

Прибор представляет собой восьмиканальный термометр. В качестве первичного датчика темпе­ратуры могут применяться резистивные преобразователи типа ТСМ с градуировками 23 или 50.

По специальному заказу возможна поставка ТК-5.8, у которых требуемое количество каналов настроено на работу с резистивными преобразователи типа ТСМ с градуировкой 100.

Для исключения погрешности от сопротивления соединительных проводов применена схема преобразователя сопротивление-напряжение (R/U) с трехпроводной соединительной линией.

Выходное напряжение с преобразователя R/U (A1-A8) через коммутатор, управляемый про­цессором CPU1, поступает на аналого-цифровой преобразователь (A/D). A/D преобразует анало­говый сигнал в двоично-десятичный код. Код, пропорциональный измеренному напряжению, обра­батывается центральным процессором и далее через интерфейс I²C и оптронную развязку (АОТ128) поступает на плату индикации. Процессор на плате индикации (CPU2) выводит значение температуры на 17-разрядный семисегментный люминесцентный индикатор. Управление индика­тором осуществляется через высоковольтные ключи К1109КН2.

Значение уставок запоминается в энергонезависимом ПЗУ, микросхеме 24LC04B, которая находится на плате блока управления и измерения прибора ТК-5.8.

Питание измерительная часть блока измерения получает через блок искрозащиты. Схема индикациии и процессор связи с компьютером запитаны от отдельных обмоток трансформатора.

Для модели 5.8К CPU1 преобразует информацию в стандарт RS232 и далее в RS485. В по­следнем случае процессор дополнительно выполняет функции связи прибора с персональным компьютером. Примененный стандарт RS485 позволяет подключать к одному компьютеру до 32 приборов ТК-5.8

Управление режимами прибора производится кнопками 1...9 и Р с передней панели блока управления. Для моделей, имеющих в своем составе блок реле, двоично-десятичное значение температуры по каналу I²C через оптронную развязку АОТ101 и модуль приема на процессоре CPU3 выдается на модуль аналогового интерфейса стандарта 4-20мА(5.8Т).

Если в приборе используется режим уставок, то при выходе контролируемой температуры за пределы установленных порогов, информация об этом выдается на блок реле, где преобразуется из стандарта I²C в сигнал включения реле соответствующего канала и реле общего контроля.

Информация о текущем значении температуры по каждому каналу непрерывно поступает из прибора напрямую в ЦАП. ЦАП преобразует двоичное значение температуры в напряжение, а за­тем в ток стандарта 4-20мА.

Процессор управления реле и модуль аналогового интерфейса стандарта 4-20мА гальвани­чески развязаны между собой.

За работой процессора и за питающим напряжением следит специальная схема, которая в случае отказа процессора или снижения напряжения ниже допустимого уровня отключает питание реле. Мигание светодиода "ИСПРАВНО" на блоке реле означает обесточивание реле вследствие сбоя питания либо неисправности в самом блоке. Повторное включение блока реле, возможно, не ранее чем через 10 сек после его выключения из сети.

          Конструкция прибора.   

Блок управления и измерения прибора выполнен на двух печатных платах. На первой плате рас­положена измерительная часть, на второй - схема

индикации, кнопки управления и индикатор ре­жимов. Плата управления и индикации крепится к передней панели контроллера и через разъем подключается к основной плате.

Блок реле и интерфейса 4-20мА выполнен в виде отдельной конструкции со своим независимым питанием

Внутри корпуса установлена печатная плата на которой расположены: процессор с силовыми ключами для управления реле, восьмиканальный цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) с усилителями тока 4-20мА, схема слежения за питающим напряжением и работой процес­сора, понижающий трансформатор с выпрямителями, фильтрами и стабилизаторами, а также 9-контактный разъем связи , 15 контактный разъем интерфейса 4-20мА и 37 контактный разъем выхода реле.

Прибор может находиться в следующих режимах работы (номер режима отображается на одиночном семисегментном индикаторе):

режим 1 - режим отображения данных по одному каналу;

режим 2 - режим отображения данных по четырем каналам;

режим 3 - режим ввода служебной информации по одному каналу;

режим 4 - режим подключения (отключения) дополнительных устройств ввода - вы­вода информации;

режим 5 - режим просмотра и обнуления записей о сработавших уставках; режим 6 - режим поканальной калибровки.

Режим 1  устанавливается автоматически при включении прибора, либо нажатием кнопки Р до появления цифры 1 на индикаторе режима работы.

 В режиме 1 на основном индикаторе выводится следующая информация:

Если     канал поставлен на контроль, то прибор следит за температурой и состоянием датчика в этом кана­ле. В случаях выхода температуры за верхнюю или нижнюю уставки и при неисправности (замыкание, обрыв) датчика в канале стоящем на контроле прибор оповещает об этом выво­дом аварийной сигнализации на индикатор и на дополнительные устройства ввода - вывода. В режиме 1  мигающая верхняя точка в левом крайнем разряде означает выход текущей температуры в каком либо канале (каналах) стоящем на контроле за пределы уставок либо неисправность датчика.

Если за пределы уставок вышла температура в канале, информация о котором находится в данный момент на индикаторе, то текущие показания этого канала будут мигать.

Режим 2 устанавливается нажатием кнопки Р до появления цифры 2 на индикаторе режима работы.  В режиме 2 на основном индикаторе выводятся значения текущих температур сразу для че­тырех каналов.

Рис 1.3

В режиме 2 переключение групп каналов 1-4/5-8 осуществляется нажатием кнопки ▼ или кнопки ▲.

Аварийные каналы можно снять с контроля нажатием кнопки 3. При этом отключится вся аварийная сигнализация. Контроль каналов можно восстановить выключением и включением блока управления или в 3-ем режиме.

           Режим 3 устанавливается набором кода 9 1 5 на клавиатуре. В режиме 3 на основном индикаторе выводится следующая информация:

Поразрядное изменение уставок, смена  номера характеристики датчика и  номера  канала осуществляется с помощью кнопок:

◄,►- передвижение курсора (мигающего символа) влево или вправо;

▲,▼- изменение значения в позиции курсора.

Долговременная память прибора организована на микросхеме 24LC04B, которая позво­ляет совершать 1000000 циклов записи и имеет срок хранения записанной информации без питания -10 лет.

При выходе из режима 3 без нажатия кнопки ←  все внесенные изменения работают до вы­ключения питания.

Режим 4 устанавливается только из режима 3 нажатием кнопки Р.

В режиме 4 на основном индикаторе выводится следующая информация:

Второй слева разряд может принимать значения:

Р - блок реле подключен; 0 - блок реле отключен.

Третий слева разряд может принимать значения:

Ч - токовый выход 4-20 подключен; 0 - токовый выход 4-20 отключен.

Четвертый слева разряд может принимать значения:

3 - прерывистый зуммер подключен; 0 - прерывистый зуммер отключен.

Запись измененной в режиме 4 информации в долговременную память осуществляется на­жатием кнопки ←  после чего устанавливается режим 5.

Если в режиме 4 блок реле подключен, то при выходе текущей температуры какого-либо ка­нала за пределы верхней или нижней уставки в блоке реле будет включено реле верхней или нижней уставки данного канала и общее аварийное реле.

При отсутствии или неисправ­ности блока реле на основном индикаторе будет выдано сообщение:

При отсутствии или неисправности токового выхода на основном индикаторе будет вы­дано сообщение:

Если в режиме 4 подключен прерывистый зуммер, то при возникновении любой неисправно­сти пьезоизлучатель, находящийся в процессорном блоке, будет выдавать прерывистый звуко­вой сигнал.

Режим 5 устанавливается только из режима 4 нажатием кнопки Р.

В режиме 5 на основном индикаторе выводится следующая информация:

Просмотр записей о сработавших уставках в режиме 5 осуществляется с помощью кнопок:

▲,▼- увеличение или уменьшение номера записи.

Всего может быть зафиксировано 16 различных записей. Порядок записей соответствует порядку срабатывания уставок в реальном времени. Повторяющиеся записи (с одинаковым номером канала и видом сработавшей уставки) не фиксируются. Если канал не стоит на кон­троле никаких записей о нем создано не будет.

Все записи хранятся в долговременной памяти прибора и при отключении питания.

Стереть всю информацию о сработавших уставках (обнулить записи) можно только из режима 5 нажатием кнопки ← после устранения всех причин, вызывающих срабатывание уставок.

В режиме 6 идет непрерывное измерение только одного канала, подлежащего калибровке. Остальные каналы не контролируются. В режиме 6 на основном индикаторе выводится следующая информация:

Изменение номера канала осуществляется с помощью кнопок:

▲,▼- увеличение или уменьшение номера записи.

Калибровку проводят при подключении ко входу канала по трехпроводной схеме эталонного сопротивления, соответ­ствующего 0°С: 53.00 Ома для ТСМ-23 или 100.00 Ом для ТСМ-100; а затем сопротивления, соответст­вующего 100°С: 75.58 Ома или 142.60 Ом соответственно.

Далее фиксируются коэффициентов масштабирования отдельно для 00.00 ± 0.02 °С и 100.00 ± 0.02 °С. После этого канал считается откалиброванным.

2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

При использовании цифровых измерительных приборов возникает необходимость преобразования цифрового кода в аналоговые величины.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – устройство, предназначенное для преобразования входной величины, представленной последовательностью числовых кодов, в эквивалентные им значения заданной физической величины (как правило, напряжения или тока). Эти преобразователи широко используют в системах цифровой обработ­ки данных, в устройствах управления, для вывода информации из ЭВМ и передачи ее на исполнительные устройства и т. п.

В ЦАП входным сигналом является цифровой код в различных системах счисления, а выходным — соответствующее ему значение аналоговой величины в виде напряжения постоянного тока, времен­ного интервала и т. п.

Наибольшее распространение получили ЦАП, основанные на методе параллельного суммирования токов и напряжений с учетом веса разрядов преобразуемого цифрового кода и обеспечивающие высокую точность и быстродействие преобразований [6].

ЦАП характеризуют следующие статические характеристики:

• число разрядов,
• разрешающая способность,
• погрешность преобразования в конечной точке шкалы,
• смещение нулевого уровня,
• нелинейность и некоторые другие.

Число разрядов (b) – количество разрядов кода, который может подаваться на вход ЦАП. При использовании двоичного кода под b понимают двоичный логарифм от максимального числа кодовых комбинаций на входе ЦАП.

Совокупность значений входной аналоговой величины х_i в зависимости от значений входного кода a_i называют характеристикой преобразования

(ХП). Она может быть представлена в виде графика, формулы или таблицы. В системе координат выходная аналоговая величина ХП изображается прямой, расположенной под некоторым углом к оси абсцисс. Когда необходимо определить некоторую точку на ХП, приводят значение кода, соответствующего этой точке на оси абсцисс.

Иногда характеристику преобразования изображают ступенчатой линией, что подчеркивает дискретность изменения как значения кода, так и выходной аналоговой величины (рис.2).

Рис.2  Номинальная ХП 4-х разрядного двоичного ЦАП

1-    характеристика преобразования ЦАП;

2-    прямая, соединяющая начальную и конечную точки ХП.

На ХП можно выделить характерные точки. Прежде всего это начальная и конечная точки ХП, которые определяются начальным и конечным значениями входного кода. За начальное (конечное) значение входного кода принимают значение, при котором номинальное значение выходной аналоговой величины является минимальным (максимальным).

При изменении значений входного кода a_i от начального до конечного выходная аналоговая величина дискретно изменяется в некотором интервале. Интервал значений выходной аналоговой величины от начальной до конечной  точки называют диапазоном значений выходной величины, а разность между максимальным и минимальным значениями этой величины – амплитудой ее изменения.

Значение дискретного изменения выходной аналоговой величины при изменении значения входного кода на единицу называют ступенью квантования (или ступенью преобразования). Для действительной характеристики преобразования ступени квантования в разных точках отличаются друг от друга. В этом случае подсчитывают среднее значение ступени квантования:

                                       ,                                

где  x_max и x_min – номинальные значения выходной аналоговой величины в конечной и начальной точках ХП; b – число возможных значений кода. Это значение может служить единицей измерения выходной аналоговой величины, и его называют единицей младшего разряда (ЕМР).  

Номинальное значение ступени квантования, представляющее наименьшее изменение выходной аналоговой величины, является разрешающей способностью преобразования:

,

где 2^п- число квантов(ступенек).

 Разрешающая способность выражается в единицах выходной аналоговой величины или в процентах.

Характеристики преобразования реальных ЦАП отличаются от идеальных формой, значением ступеней и расположением относительно осей координат. Степень совпадения реальной ХП с идеальной определяет точность.

Нелинейность в данной точке ХП – это отклонение точки реальной ХП от прямой, проведенной определенным образом.

Т.е. нелинейность может быть определена двумя способами:

1) относительно прямой, проведенной через начальную и конечную точки ХП;

2) относительно прямой, проведенной таким образом, чтобы

минимизировать значение нелинейности, например, относительно прямой, среднеквадратическое отклонение всех точек которой от реальной характеристики минимально (рис.3). Уравнение такой прямой у= Ах+В, где В – коэффициент, равный смещению нуля; А – коэффициент, определяющий крутизну характеристики.

Для ЦАП нелинейность, как правило, определяется в точке ХП, где она по абсолютной величине максимальна. Нелинейность выражается в долях ЕМР или в процентах от значения аналоговой величины в конечной точке ХП:

               ,                       (2)

где - максимальное отклонение ХП от заданной прямой; х_k – значение аналоговой величины в конечной точке ХП.

Рис.3 Нелинейность, дифференциальная нелинейность и немонотонность ХП.

Дифференциальная нелинейность – это отклонение действительных ступеней квантования от их среднего значения.

Дифференциальная нелинейность i-ой ступени квантования

                            ,                                           

где  - действительное и среднее значение ступеней квантования.

Для ЦАП указывается значение дифференциальной нелинейности той точки характеристики, где это значение по абсолютной величине максимально.

Дифференциальная нелинейность имеет прямую связь с монотонностью ХП. Под монотонностью понимается неизменность знака приращения выходной величины при последовательном изменении значения входного кода. Таким образом, условие монотонности ХП имеет вид:

                                         -1 ЕМР≤≤ +1 ЕМР.                                         

Параметр, характеризующий среднюю крутизну ХП, называют коэффициентом преобразования. По числовому значению и размерности коэффициент преобразования совпадает со средним значением ступени квантования.

Возможно отклонение ХП от номинальной в виде параллельного сдвига. Параллельный сдвиг характеристики оценивают относительно начала координат и называют напряжением смещения нуля выходной аналоговой величины. Для ЦАП – это напряжение, присутствующее на его выходе при подаче на вход нулевого кода.

В радиоэлектронной аппаратуре, ЭВМ, системах сбора  и обработки данных ЦАП работают при непрерывно изменяющихся значениях кодов на входах. Понятно, что считывание информации с выхода ЦАП должно производиться после окончания всех переходных процессов в нем. Поэтому быстродействие системы или аппаратуры определяется временем переходных процессов ЦАП, его быстродействием, т.е. зависит от динамических параметров ЦАП.

Т.о. работа ЦАП характеризуется следующими основными динамическими параметрами.

Рис. 4. Динамические параметры ЦАП:

1 – логический перепад (входной импульс); 2 – форма номинального выходного импульса; 3 – форма действительного выходного импульса.

Время установления выходного сигнала (t₁) – интервал времени от момента скачкообразного изменения входного кода (от минимального до максимального значения и наоборот) до момента, при котором выходной аналоговый сигнал окончательно войдет в зону заданной ширины, симметрично расположенную относительно установившегося значения. Обычно ширина этой зоны задается равной 1 ЕМР. Отсчет времени t₁ ведется от момента достижения входным сигналом половины логического перепада.

Время задержки распространения (t₂) – время от момента достижения входным уровнем половины амплитуды до момента достижения выходной аналоговой величиной половины установившегося значения.

Время нарастания (t₃) – время, за которое выходная аналоговая величина изменяется от 0,1 до 0,9 установившегося значения.

Рассмотрим схему функционирования 8-ми разрядного ЦАП в программе Electronics Workbench.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

В данной курсовой работе рассмотрен прибор температурного контроля многоканальный ТК–5.8. Данный прибор следит за температурой подшипников насосов, перегрев которых может вести к поломке оборудования, к нарушению технологического процесса. Прибор имеет 6 режимов работы, при помощи которых он фиксирует, отображает необходимую информацию, а также при помощи звуковой сигнализации оповещает о сбоях в работе либо выходе измеряемой температуры за установленные пределы.

В первой части моей курсовой работы рассмотрены назначение, устройство и принцип действия прибора температурного контроля ТК-5.8.

Во второй расчетной части представлены общие сведения о цифро–аналоговых преобразователях, их статические и динамические характеристики. Также рассмотрен и изучен принцип работы ЦАП при помощи программы EWB, генератора слов и осциллографа. В расчетной части поясняется принцип работы ЦАП, приведен расчет теоретических значений выходных напряжений и сравнение их с практическими.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 

1. Паспорт, совмещенный с техническим описанием и инструкцией по эксплуатации ТК–5.8–01.00.000 ПС
2. Браммер Ю. А., Пащук И. Н. Импульсные и цифровые устройства: Учеб. для студентов электрорадиоприборостроительных сред. спец. учеб. заведений – М.: Высшая школа, 1999 г.
3. Калабеков Б. А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы: Учебник для техникумов связи. – М.: Горячая линия–Телком, 2002 г.
4. Батушев В.А. Микросхемы и их применение. Справочное пособие.

     М: Радио и связь, 1984 г.

1. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника – М.: Горячая линия–Телком, 2002 г.
2. Тугашова Л. Г. Томус Ю. Б. Синтез схем дискретной электроники с применением компьютерных технологий(1 часть): Учебное пособие. – Альметьевск: АлНИ, 2003 г.
3. В.И.Карлащук. Электронная лаборатория на IBM PC. М.: СОЛОН-Р, 2001г.