Ограничение уровня входного аналогового сигнала - Разработка программно-аппаратного комплекса для мониторинга рентгеновского симулятора SLS-9
Угол поворота гантри можно видеть на ее центральной части. Там находится неподвижная круговая шкала с отсчетами в градусах. Вид шкалы показан на рис. 4.5.
Рис. 4.5 Шкала углов поворота симулятора SLS - 9.
При вращении гантрии, метка перемещаясь вокруг шкалы, дает информацию об угле поворота. Датчик положения гантрии представляет из себя переменный многооборотный резистор, питающийся от двуполярного напряжения (10 В). Средняя точка резистора, при которой напряжение на его выходе равно нулю, соответствует нулю градусов положения гантрии симулятора.
При вращении гантрии в сторону 10 градусов происходит пропорциональное уменьшение напряжения на центральном выводе резистора, и к 180 градусам оно достигает -7,2 В. При вращении в эту сторону, можно достичь предельного для вращения в данную сторону угла 220 градусов при напряжении на резисторе -8,8 В. Если производить вращение от нуля в сторону 350 градусов, то к 180 градусам напряжение на датчике будет равно 7,2 В. Далее при предельном угле 140 градусов напряжение достигает 8,8 В. Т. е. при одинаковых углах поворота гантрии датчик угла может выдавать разные значения в зависимости от того вращением в какую сторону этот угол был достигнут.
Согласно заданию, обработку угла поворота гантрии необходимо проводить при ее вращении от 0 до 180 градусов в ту и другую стороны. Поэтому, с целью предотвращения потери точности, динамический диапазон АЦП будет использоваться в этом диапазоне углов. Т. е. уровень сигнала при повороте гантрии на 360 градусов будет соответствовать изменению выходного кода АЦП от 0 до 1023. Однако, нет гарантий, что не произойдет поворот гантрии на больший угол, следствием чего станет превышение уровня сигнала на входе АЦП с последующей возможностью выхода его из строя. В этом случае необходимо предусмотреть защиту входа АЦП от превышения допустимого уровня сигнала при случайном повороте гантрии более чем на 180 градусов от нулевого положения.
Как было сказано выше, уровень сигнала, соответствующий повороту гантрии от 180 до 180 градусов должен соответствовать полной шкале АЦП. При таком повороте гантрии сигнал изменяется от -7,2 В до 7,2 В. Полная же шкала АЦП соответствует диапазону -5,12 ... +5,12 В. Т. е. необходимо преобразовать сигнал с уменьшением его амплитуды (уменьшение должно быть линейным). Известно, что линейно уменьшить напряжение сигнала можно с помощью обычного резистивного делителя. Зная входное сопротивление АЦП, и задавшись током делителя, определяются номиналы его резисторов. При этом необходимо добавить переменный резистор для настройки делителя, т. к. номиналы резисторов непременно будут отличаться от расчетных. Однако, в данном случае простое применение резистивного делителя будет неоправданным, т. к. необходимо двустороннее ограничение аналогового сигнала по уровню для защиты входа АЦП.
Эффективным способом ограничения уровня входного сигнала является использование диодной защиты. [7] Для этого создаются два источника напряжения с напряжениями чуть меньшими уровней необходимого ограничения (на уровень падения напряжения на диоде). Затем они через диоды подключаются к линии, по которой проходит ограничиваемый сигнал. Источники напряжения можно создать с помощью делителей напряжения. Но здесь существует ограничение: эквивалентное сопротивление источника должно быть мало по сравнению с сопротивлением источника сигнала. Поэтому для эффективной работы такого ограничителя, в качестве источника напряжения требуется применение низкоомного делителя, что приведет к повышенному энергопотреблению. Кроме того обязательно потребуется настройка делителей. Кардинальным решением данной проблемы является использование в качестве источников напряжения параметрических стабилизаторов на стабилитронах. Но обычные стабилитроны общего применения не могут обеспечить необходимой точности: допуск на напряжение стабилизации у большинства из них колеблется в пределах 20 %, а температурный коэффициент стабилизации слишком велик. Тогда как АЦП требует ограничения уровня максимального положительного напряжения на уровне 5,5 В, а рабочий диапазон (полная шкала) кончается на отметке 5,12 В. Поэтому при применении обычных стабилитронов возможно или превышение допустимого напряжения на его входе, или обрезка рабочего сигнала. Выходом является применение специальных прецизионных стабилитронов. Но прецизионные стабилитроны на напряжения стабилизации менее 6 В не выпускаются.
Желательно конечно осуществлять ограничение входного сигнала непосредственно у входа АЦП, но так как требуемые стабилитроны отсутствуют, можно ограничить входной сигнал еще до уменьшения его уровня, т. е. ограничение произвести на уровне 7,2 В (прецизионные стабилитроны с близкими напряжениями стабилизации существуют). Затем, сигнал, уровень которого не может превышать 7,2 В уменьшается по амплитуде, и подается на вход АЦП. При необходимом заданном коэффициенте передачи, уровень сигнала на входе АЦП не превысит предельного значения. Правда у данного метода есть недостатки: при настройке коэффициента передачи, а также при выходе из строя узла, отвечающего за уменьшение уровня сигнала, напряжение на входе АЦП может превысить допустимое значение. Но построение защиты от всех возможных неисправностей приведет к чрезмерному усложнению схемы, кроме того нет гарантий, что не откажут сами устройства защиты. При выбранном способе защиты вход АЦП защищен от превышения уровня сигнала за счет поворота гантрии сверх допустимого диапазона, а также от любых неисправностей, включая неправильную коммутацию проводов, которые могут произойти вне схемы разрабатываемого устройства сопряжения. Принципиальная схема устройства защиты от превышения уровня аналогового сигнала представлена на рис. 4.6.
Рис.4.6 Двусторонний ограничитель уровня для защиты АЦП от превышения уровня входного аналогового сигнала.
Стабилитроны VD1 и VD2 совместно с резисторами R1 и R2 Для задания тока стабилизации образуют источники опорного напряжения. Диоды VD3 и VD4 используются для ограничения уровня аналогового сигнала.
В источниках напряжения, используемых для цепей защиты, будут используются два прецизионных стабилитрона марки 2С166В, с номинальным напряжением стабилизации 6,6 В. Этот кремниевый стабилитрон малой мощности предназначен для применения в качестве источника номинального опорного напряжения 6,6 В в цепях постоянного тока в диапазоне токов стабилизации 3...10 мА. Выпускается в стеклянном корпусе с гибкими выводами. Тип стабилитрона приводится на корпусе. Со стороны вывода, положительного для рабочего режима (анода) на корпусе наносится белая полоса. Масса стабилитрона не более 5 г. [8] Основные электрические параметры стабилитрона 2С166В приведены в табл. 4.2.
Табл. 4.2.
Основные электрические параметры стабилитронов 2С166В.
Номинальное напряжение стабилизации*, В |
6,6 |
Разброс напряжения стабилизации*, % |
-5...0...5 |
Температурный коэффициент напряжения стабилизации*, % на С |
0,0005% |
Уход напряжения стабилизации*, мВ |
-2...-0.5...+1,5 |
Временная нестабильность*, мВ |
1,4 |
Дифференциальное сопротивление при Т=25С*, Ом |
8...11...20 |
Минимальный ток стабилизации, мА |
7,5 |
Максимальный ток стабилизации, мА |
10 |
Рассеиваемая мощность, мВт |
70 |
Температура окружающей среды, С |
-60...+125 |
* При токе стабилизации равном 7,5 мА.
Для обеспечения нормальной работы ограничителей напряжения, необходимо сигнал от датчика подавать через резистор. Номинал резистора должен быть таким, чтобы при срабатывании одного из ограничителей, ток через соответствующий стабилитрон не превышал установленного предела. Максимально возможный уровень сигнала, поступающий на схему при предельном повороте гантрии симулятора не превышает 9 В. Ограничение сигнала проводится на уровне 7,3 В. Значит падение напряжения на входном резисторе R3 не превысит 1,7 В. Выбрав номинал резистора R1 Равным 5,1 кОм, максимальный ток ограничителя устанавливается на уровне 0,3 мА. Т. е. при срабатывании ограничителей, приращение тока через любой из стабилитронов не превысит 0,3 мА, что не выведет его из рабочего режима.
Определим номиналы резисторов R1 И R2, задающих ток через стабилитроны VD1, VD2. Т. к. стабилизированное напряжение 6,6 В будет получаться из 15 В, а номинальный ток стабилизации равный 7,5 мА, можно определить номиналы резисторов:
Ом;
Выбрав ближайшее стандартное значение 1,1 кОм, и взяв резистор с допуском 5% ток стабилизации ограничиться в пределах 7,2...8,0 мА, что допустимо для выбранных стабилитронов.
Ограничение сигнала на уровне 7,3 В обеспечивается подключением сигнальной линии к источникам опорного напряжения через диоды VD3,VD4. Для этого используются германиевые диоды Д18, имеющие номинальное прямое падение напряжения 0,7 В. Выбор данных приборов обусловлен подходящим прямым падением напряжения, а также дешевизной и их малыми размерами. Максимальный постоянный прямой ток через диод равен 16 мА.
Похожие статьи
-
Известно, что любые элементы имеют разброс параметров. Поэтому, использование динамического диапазона АЦП может быть неполным или наоборот, может...
-
Использование микросхемы АЦП имеет некоторые особенности. Так сигналы на ее входы рекомендуется подавать в следующей последовательности: напряжения...
-
После устройств ограничения уровня входного сигнала необходимо этот сигнал уменьшить для того, чтобы он подходил под параметры АЦП. Это можно сделать...
-
Исходя из разработанной структурной схемы, можно выделить следующие части проектируемой схемы. Аналого-цифровой преобразователь должен преобразовывать...
-
Для преобразования аналогового сигнала от датчика положения гантрии в цифровую форму, для дальнейшей обработки с помощью ЭВМ необходимо использование...
-
Программирование подключенной к параллельному порту аппаратуры заключается в установке определенных битов в регистрах данных и управления и чтении...
-
После обмена данными с АЦП происходит преобразование считанных данных в одно целое число, характеризующее уровень сигнала на входе АЦП. Т. к. АЦП имеет...
-
После преобразования аналогового сигнала в цифровую форму с помощью АЦП возникает необходимость в программной обработке полученного цифрового сигнала....
-
Программу обработки данных можно запускать как до, так и после включения устройства сопряжения. Перед первым использованием, а также после изменения...
-
Существует несколько вариантов реализации требуемого устройства. Например можно задачу отслеживания положения гантрии возложить на аппаратное...
-
Полученное по вышеприведенным формулам значение угла сравнивается с заданными величинами запуска и остановки. Программа обеспечивает запуск сканирования...
-
Согласно техническому заданию, питание проектируемого устройства необходимо осуществлять от источников питания симулятора напряжением 15 В. Для микросхем...
-
Программа должна считывать данные, выработанные АЦП через определенные промежутки времени. Приемлемым способом обеспечения этого является опрос АЦП по...
-
В рамках данной дипломной работы была произведена разработка программно-аппаратного комплекса для мониторинга рентгеновского симулятора SLS-9. Это...
-
Разработанное устройство предполагается эксплуатировать совместно с рентгеновским симулятором SLS-9. При проведении исследований, врач будет работать с...
-
Основным достоинством интерфейса Centronics является его стандартность - он есть на каждом компьютере и на всех компьютерах работает одинакового (правда...
-
Рентгеновский симулятор - это аппарат для определения величины и положения (ориентации и удаления от излучателя) области облучения, а также маркирования...
-
Расчет надежности В общем случае при конструировании надежность оценивается показателями безотказности и долговечности. Нормируемыми показателями...
-
В настоящее время в медицинских исследованиях широко используются компьютерные томографы. С их помощью можно получить поперечное...
-
Конструкция разработанного устройства сопряжения, а также выбор используемых элементов и материалов обусловлен функциональными особенностями схемы и...
-
Существует несколько способов передачи цифрового сигнала от внешнего устройства в компьютер: через последовательный порт, через параллельный порт, через...
-
Автоматизированный почтовый драйвер аппаратный Результатом данной выпускной квалификационной работы стало создание прототипа умного почтового ящика,...
-
Можно выделить три основных метода разработки программного обеспечения: 1. Конструкторы программ (Аlgoritm2, Devel Studio, MnCreator, Game Maker и др.)....
-
Любая производственная деятельность, в том числе и работа с электронными устройствами, сопряжена с появлением опасных для жизни и здоровья факторов,...
-
Информационно - измерительные системы: структура и состав Постоянное совершенствование и развитие средств измерений необходимо для промышленного...
-
Adobe Dreamweaver Adobe Dreamweaver - это HTML-редактор от компании Adobe, который на сегодняшний день очень известный. Первая его версия была выпущена в...
-
Задача данной выпускной квалификационной работы состоит в программной и аппаратной разработке комплекса, оповещающего адресата о поступлении...
-
Роликовый (рулонный) сканер предназначен для создания электронных копий почтовой корреспонденции и оптического распознавания символов. Принцип работы...
-
Оценка требований Для решения задачи необходимо следующее оборудование: Одноплатный компьютер; Роликовый сканер; Соединение с Internet. Требования к...
-
При перезагрузке Raspbery счетчик counter сбрасывается и файлы начинают перезаписываться. Для того, чтобы обойти данную проблему воспользуемся переносом...
-
В документации к sane-backends содержится описание флага wait-for-button. Данный флаг взаимодействует с утилитой scanimage, который ожидает нажатия любой...
-
Ubuntu Mate является операционной системой [11], основанной на Debian GNU/Linux. Установка операционной системы заключается в записи на карту памяти...
-
Структурная схема умного почтового ящика Основой программно-аппаратного комплекса является одноплатный компьютер Raspberry Pi. Программный интерфейс...
-
Модификацией программно-аппаратного комплекса может быть использование умного РОЕ инжектора. POE инжектор (injector или midspan) -- устройство,...
-
В данной выпускной квалификационной работе разработан прототип умного почтового ящика, удаленного сетевого устройства для контроля почтовой...
-
Инженеры часто сталкивались с задачами, когда на основе уже существующих необходимо создать новые чертежи и модели. Каждый раз их приходилось...
-
Постановление Правительства Российской Федерации №1119 "Об утверждении требований к защите персональных данных при их обработке в информационных системах...
-
Разработка базы данных мониторинга окружающей среды
ВВЕДЕНИЕ Информация о состоянии окружающей природной среды, об изменениях этого состояния давно используется человеком для планирования своей...
-
Отличия цифрового представления сигналов от аналогового Традиционное аналоговое представление сигналов основано на подобии (аналогичности) электрических...
-
Постановка задачи на разработку программного обеспечения Для того чтобы предлагаемая схема была интегрирована в САПР, который не имеет функции интеграции...
Ограничение уровня входного аналогового сигнала - Разработка программно-аппаратного комплекса для мониторинга рентгеновского симулятора SLS-9