Космпютеризована вимірювальна система вимірювання залежності кутової швидкості від часу

 

Структурну схему розроблюємого пристрою наведено на рис. 2.1.

 

 

Рис. 2.1 - Структурна схема комп’ютеризованої вимірювальної системи вимірювання залежності кутової швидкості від часу

 

3 Розробка електричної принципової схеми комп’ютеризованої вимірювальної системи вимірювання залежності кутової швидкості від часу

 

3.1 Розробка електричної принципової схеми тахометричного перетворювача

 

Розглянемо рис. 3.1, на якому наведено схематичне креслення ТП. Він має вал 1, на який насаджено модулятор 2, за яким знаходиться діафрагма 3. За діафрагмою знаходяться два фотоприймача 4 та 5 (на рис 3.1, а вони також позначені відповідно F2 та F1. На рис. 3.1, б їх позначено штриховою лінією). Діафрагма (на рис. 3.1, б її позначено жирною лінією) має прорізі 6 та 7. Їх форма обмежена концентричними колами, центр яких співпадає з центром модулятору та промінями, які починаються в центрі модулятору, кут між якими дорівнює . Модулятор має дві прорізі - 8 та 9. Прорізь 8 має таку ж форму і розташована на такій же відстані від центру модулятора, як і прорізь 7 діафрагми. Форма прорізі 9 обмежена кривими та .

 

Фотоприймач F1 реалізовано на основі пари фотодіод-операційний підсилювач. Вихідна напруга такого фотоприймача в залежності від площі освітлюємого шару фотодіоду, при освітленні джерелом світла з конденсорною лінзою, що забезпечує рівномірний світловий потік на всій освітлюємій поверхні, описується виразом.

 

Розглянемо, як залежить площа отвору, який утворюється при обертанні модулятора перекриттям прорізів 6 та 9 діафрагми та модулятору, через який світло попадає на фоточутливий шар фотодіоду фотоприймача F1, в залежності від кута повороту .

 

 

а) б)

 

Рис. 3.1 Схематичне креслення ТП

 

В діапазоні значень кута повороту ця залежність описується виразом :

 

 (3.1)

 

В діапазоні значень кута повороту :

 

 (3.2)

 

Площа отвору, через який світло попадає на фоточутливий шар фотодіоду, є лінійною функцією кута повороту модулятора відносно діафрагми.

 

Вираз, який зв’язує вихідну напругу фотоприймача F1 з кутом повороту .

 

(3.3)

 

Шляхом нескладних перетворень отримуємо вираз, який зв’язує напругу U та кут повороту модулятора відносно діафрагми.

 

 (3.4)

 

Як слідує з виразу (3.4), по вихідній напрузі фотоприймача F1 не можна точно визначити кутовє положення чи кутову швидкість валу об’єкту досліджень.

 

Тому використовується фотоприймач F2, призначення якого полягає у формуванні сигналу, який приймає значення логічної одиниці при та логічного нуля в іншому випадку. Його функціональну схему наведено на рис. 3.2, а працює він слідуючим чином.

 

При обертанні модулятору перекриваються прорізі 7 та 9 модулятора та діафрагми. Площа освітлюємого фоточутливого шару фотодіоду фотоприймача F2 при вище описаній формі прорізів модулятора та діафрагми змінюється за трикутним законом. Відповідно за трикутним законом змінюється і вихідна напруга U_F операційного підсилювача DA1. Внаслідок того, що прорізі 7 та 8 мають рівну кутову ширину, а прорізь модулятора 8 розташована на вісі , при чому ця вісь співпадає з бісектрисою кута, проміні якого обмежують конфігурацію цієї прорізі, проміжок часу між серединами фронтів трикутної напруги співпадає з часовим проміжком формування заднього фронту напруги U. Для формування імпульсу напруги U_C, який свідчить про те, що кут повороту модулятора відносно діафрагми знаходиться в межах , служить компаратор DA2, на неінвертуючий вхід якого подається опорна напруга U_П, яка дорівнює половині амплітуди напруги U_F, а на інвертуючий вхід - напруга U_F.

 

Виходячи з вище сказаного, можна записати рівняння перетворення ТП.

 

.

 

(3.5)

 

 

Рис. 3.2. Функціональна схема фотоприймача F2.

 

 

Рис. 3.3. Часові діаграми роботи ТП

 

Вираз, що зв’язує вимірюєму кутову швидкість з вихідною напругою ТП

 

, (3.6)

 

Рівняння, що зв’язує кут повороту модулятора відносно діафрагми з вихідною напругою ТП

 

, (3.7)

 

3.2 Розробка пристрою спряження тахометричного перетворювача з ЕОМ

 

Для реалізації пристрою для вимірювання та контролю кутової швидкості необхідно реалізувати пристрій для спряження тахометричного перетворювача з ЕОМ.

 

Розробляємий пристрій орієнтован на дослідження перехідних режимів ЕМПЕ, тобто нас в даному випадку не цікавить робота пристрою у реальному часі. Але це не значить, що його роботу у реальному часі неможливо реалізувати. Для цього необхідно змінити алгоритм його роботи так, щоб після кожного вимірювання проводилось обчислення кутової швидкості та вивід її значення.

 

Вихідний сигнал тахометричного перетворювача перетворюється у цифровий код за допомогою аналого-цифрового перетворювача. Розрізнювальна здатність пристрою за кутом повороту залежить від числа розрядів АЦП та визначається виразом

 

, (3.8)

 

де - розрізнювальна здатність за кутом повороту; n - кількість двійкових розрядів АЦП.

 

Задаємось значенням кутової ширини прорізі діафрагми =1⁰ виходячи з умов технічного завдання =0.1⁰, визначаєм необхідну кількість двійкових розрядів.

 

, (3.9)

 

З цього виразу слідує, що необхідно вибрати 12-розрядний АЦП.

 

Швидкодія АЦП повина бути максимально можливою, що забезпечить вимірювання максимально можливої кутової швидкості, верхнє значення якої обмежується частотними властивостями фотоприймачів. Вимірювання низьких кутових швидкостей можливо забезпечити шляхом зменьшення тактової частоти АЦП чи програмно.

 

Цим умовам задовільняє АЦП фірми ANALOG DEVICES AD1671. Параметри цієї мікросхеми наступні [11]

 

Час перетворення - 800 нс

 

Частота дискретизації 1.25 МГц

 

Вбудований пристрій вибірки зберігання

 

Низка споживаєма потужність

 

Індикація вихіду вхідного сигналу за межі діапазону

 

Для узгодження роботи процесора з АЦП необхідно використати порт уведення-виведення.

 

Обираємо двунаправлений програмований паралельний порт уведення-виведення вітчизняного виробництва К580ВВ55.

 

Ця мікросхема уявляє собою програмований порт, який включає в себе три двунаправлених порти.

 

Порт ініціалізується схемою ініціалізації INIT, за допомогою якої формується сигнал вибірки порту CS та на його входи А0 та А1 подаються сигнали, які визначають режим його роботи.

 

Генератор з кварцевою стабілізацією частоти, що запускає АЦП, запускається програмно через порт, коли в нього записується керуюче слово «початок вимірювань». Вихідний сигнал генератору блокується керуючим словом «кінець вимірювань».

 

Крім запуску АЦП, вихідний сигнал генератору є сигналом запиту на переривання, використовується переривання 10, яке найчастіше за все резервується для підключення зовнішних пристроїв. По кожному імпульсу запуску процесор переходить до обробки цього переривання, тобто переходить до підпрограми, яка очікує, коли АЦП закінчить перетворення, а потім здійснює зчитування данних з порту уведення-виведення до ОЗУ.

 

4 Електричні розрахунки

 

4.1 Електричні розрахунки лінійних фотоприймачів

 

Розрахуємо номінали елементів лінійних фотоприймачів. Для обох фотоприймачів використовується одне і те саме джерело світла, яке має конденсорну лінзу, що дозволяє забезпечити рівномірний світловий потік по всій освітлюємій поверхні.

 

При настройці тахометричного перетворювача шляхом регулювання сили світла підбирається необхідний рівень вихідної напруги фотоприймача. Він повинен дорівнювати 5 В, тому як на такий вхідний сигнал розрахован аналого-цифровий перетворювач AD1671, який використовується у розроблюємому пристрої.

 

Номінальний фотострум фотодіоду ФД-24К дорівнює 100 мкА.

 

Обчислюєм опір резистору R₃ (див. графічну частину)

 

50 кОм (4.1)

 

Обираємо резистор С2-23-52 кОм.

 

Задаємось вихідною напругою лінійного фотоприймача, що виконує функції детектору заднього фронту U=5 В. Номінальний фотострум фотодіоду дорівнює 50 мкА. Знаходимо опір резистору R₅.