Вас може збентежити слово «розговорити» Я зовсім не мав на увазі, що датчик буде оснащений синтезатором мови Але отримання даних від датчика часто називають опитуванням датчика Тобто, ми «запитуємо» про щось датчик І як це зробити

Різноманіття датчиків увазі не меншу різноманітність схем їх підключення Але в цьому розділі мені хотілося б показати інше – ми не так багато дізналися зі світу електроніки, але це не повинно завадить нам самостійно розсудити, як би ми опитували датчики

Давайте ще раз переглянемо попередню главу Всі датчики реагують на зовнішні дії: світла, температури, сили і тп Я не виключаю, що є програми, які надають таку можливість: змінити освітленість і отримати зміни стану фотоелемента Але більшість програм, повторюся, що не слід купувати всі перераховані датчики для проведення експериментів, більшість програм не мають таких компонентів, як фотоелемент

Разом з тим, ми можемо замінити датчик деяким еквівалентом Подивіться, скільки датчиків змінює свій опір при зовнішньому впливі: це і фотоелемент, це і тензодатчик, це і терморезистор Що нам заважає замінити такий датчик резистором, опір якого ми можемо змінювати в будь-який з програм

Частина датчиків змінює при зовнішньому впливі свою ємність Конденсатор Є датчики, які генерують напругу Батарейка

Це не повні еквіваленти датчиків, але вони відображають найголовніший параметр, який нам і потрібен Для проведення більш тонких експериментів може знадобитися і фізичний датчик, це так Але до того часу ви повністю будете знати схему його підключення, повною мірою усвідомлюєте необхідність саме такого типу датчика, визначитеся у вимогах до нього, і це допоможе вам зробити правильний вибір

Генерація напруги, як відгук датчика на зовнішній вплив, притаманна таким датчикам, як пєзодатчики, фотодіоди або термопари Величина напруги може бути невелика, мілівольт Але це просто напругу Операційний підсилювач, що має смугу частот від нуля до декількох сот кілогерц, що має дуже великий коефіцієнт посилення, цілком нас влаштує в досвіді зчитування напруги

Рис 151 Досвід з зчитування напруги

Зазвичай посилення постійної напруги при значеннях порядку милливольта виявляється незручно через сильного впливу зовнішніх факторів Вирішують цю проблему перетворенням постійної напруги в змінну Який найпростіший перетворювач ми знаємо

Рис 152 Перетворення сигналу постійної напруги в змінну

Такий релейний перетворювач зрозумілий Але кількість спрацьовувань реле (термін служби) дуже обмежена Що приводить нас до думки – добре б замінити реле яким-небудь напівпровідниковим елементом

Якби напруга була досить великим, то нас потроїв би біполярний транзистор:

Рис 153 Перетворення постійної напруги в змінну з транзистором Але постійна напруга маленьке, як бути в цьому випадку

Заглянемо в інтернет-магазин, чи немає там напівпровідникового пристрою, яка б замінила нам реле

Рис 154 Активні компоненти в магазині «Чіп і Діп»

Аналогові ключі Я виділив цей розділ Якщо реле ми використовували як ключ, яким переривали напруга, то чи не підійде якась мікросхема з розділу аналогових ключів для цих цілей Ось, що можна побачити, якщо відкрити довідковий листок для мікросхеми ADG411:

Рис 155 Функціональна схема мікросхеми ADG411

Вже дуже це схоже на реле Ми поки не будемо купувати мікросхему, а проведемо віртуальний експеримент

Рис 156 Віртуальний експеримент з мікросхемою аналогового ключа І осцилограми при V1 рівному 1 і 2 мВ:

Рис 157 Осцилограми експерименту

Ми поки не будемо розбирати, як влаштована мікросхема аналогового ключа, просто запамятаємо, що такий ключ є

Якщо датчик поводиться як резистор, то потрібно прочитати його опір Розглянемо, як це робить тестер

Рис 158 Вимірювання опору тестером

Опір RX в першому випадку дорівнює 10 Ом, у другому 100 Ом Як видно з показань мілівольтметра, різниця в 10 разів відображається добре А відображення самого числа .. можна і число для опору 10 Ом: додамо дільник напруги

Рис 159 Приведення показань вольтметра до зручного виду Як працює вимірювач опору

Звернемося до попереднього малюнку Я додав міліамперметр з тим, щоб можна було побачити, що і при вимірюванні опору 10 Ом, і при вимірюванні опору 100 Ом струм залишається однаковий 03 мА Зручніше його було зробити рівним, скажімо, 01 мА, тоді не знадобився б дільник напруги Але це зараз не так важливо Важливо, що при вимірюванні різних опорів ток залишається однаковий

Коли ми говоримо про джерело живлення, то називаємо його і джерелом постійного струму, і джерелом постійної напруги Це справедливо Але в даному випадку між цими поняттями є суттєва різниця, яку можна було б підкреслити, назвавши перший джерело генератором постійного струму, а другий генератором постійної напруги

Для теоретичних розглядів електричних ланцюгів ці два поняття вводяться обовязково У чому між ними різниця Генератор струму дає струм, величина якого не залежить від величини навантаження, від опору навантаження А генератор напруги дає напругу, яка не залежить від опору навантаження

При вимірюванні опору ми використовуємо саме генератор струму Звичайно, ідеальний генератор струму має дуже великий внутрішній опір, послідовно з яким включається вимірюваний опір Тому струм визначається внутрішнім опором

генератора (або стабілізатора) струму, а вимірюваний опір не вносить своєї частки в освіту струму

Батарейка тестера – це генератор напруги Щоб перетворити її на генератор струму ми послідовно включили резистор опором 10 кОм Вимірюючи опору 10-100 Ом, ми отримуємо струм, що не змінюється при вимірах Такий підхід використовується в тестерах Але, якщо ми хочемо точніше вимірювати опір, то нам знадобиться більш досконала конструкція генератора постійного струму

Кращі параметри забезпечує генератор струму (або стабілізатор постійного струму), який можна зробити з стабілізатора напруги

Рис 1510 Схема з використанням стабілізатора напруги

Ток визначається опором R1 і параметром, який притаманний даної моделі стабілізатора, а для мікросхеми LM137 рівним 125: Iст = 125/R1 Перш, ніж розібратися, як працює стабілізатор струму з мікросхемою LM137, розглянемо поведінку ідеального джерела постійного струму

Рис 1511 Ідеальний джерело струму при різних опорах навантаження R1

Програма Qucs дозволяє, використовуючи такий вид моделювання, як розгортка параметра, отримати симуляцію ланцюга при різних значеннях, як в даному випадку, опору Ток, вимірюваний приладом Pr1, залишається однаковий, як він заданий спочатку, 100 мА, а напруга змінюється (відповідно до закону Ома)

З цього досвіду ми можемо зробити висновок, що для підтримки струму в навантаженні, коли опір навантаження змінюється, потрібно міняти напругу Що й відбувається в схемі стабілізатора струму на мікросхемі LM317 Згадайте, що ми регулювали вихідна напруга стабілізатора, використовуючи дільник напруги і зворотний звязок При зміні опору R2 (рис 1510) змінюється вихідна напруга стабілізатора, що і підтримує величину струму через R2 незмінною

Якби ми не задалися питанням, як розпитати датчик про його стан, ми й не стали б шукати в Інтернеті і книгах відповіді, і не знайшли б таке цікаве рішення Цікавим бути, виявляється, корисно

Деякі датчики тиску, мають нерухому пластину і рухому діафрагму, конструктивно представляють собою конденсатор Як «прочитати» зміни цієї ємності

Найпростіший спосіб – як і у випадку з опором, виміряти напругу на датчику Тільки використовувати змінний струм І вимірювати реактивний опір конденсатора Точніше, падіння напруги на реактивному опорі конденсатора

Рис 1512 Експеримент з вимірювання ємності

При зміні ємності напруга теж змінюється Правда, напруга, не як у випадку з резистором, не росте, а падає Але ми памятаємо, що за законом Кірхгофа сума падінь напруги на резистори і конденсаторі повинна бути постійна Поміняємо їх місцями

Рис 1513 Другий експеримент з вимірювання ємності

Що ще з нашого невеликого багажу ми могли б використовувати для вимірювання ємності

Давайте згадаємо, що ми використовували таймер 555 для генерації сигналів Частота змінної напруги у генератора на таймері 555 залежить від ємності Використовуючи такий генератор, ми могли б вимірювати частоту і отримувати дані про зміну ємності

Рис 1514 Вимірювач ємності на мікросхемі 555

І ось, як змінюється частота, при збільшенні ємності в 10 разів

Рис 1515 Зміна частоти генератора при ємності C1 1000 пФ (раніше 100 пФ)

Те, як виміряти частоту, ми знаємо, а, значить, можемо використовувати і такий метод вимірювання ємності Більш того, якщо під рукою немає частотоміра, а збирати його немає часу або бажання, можна скористатися мультіметром Переключити його в режим вимірювання постійної напруги, зібрати просту схему і виконати всі експерименти, наприклад, з датчиком вологості

Схеми для проведення експериментів можуть бути різними Ось одна з них

Рис 1516 Одна зі схем вимірювання частоти при експериментах з ємністю

Суть процесу вимірювання в тому, що на елементах U1A і U2B зібрано пристрій, що формує імпульси постійної тривалості Ось як виглядають осцилограми:

Рис 1517 Осцилограми на двох частотах

З ростом частоти збільшується середня напруга А, оскільки імпульси однополярні, то і результуюча напруга виходить постійним (але з пульсаціями) Процес схожий на той, де ми застосовували конденсатор для згладжування пульсацій в блоці живлення

Ми починали вимір ємності з використання дільника змінної напруги, складеного з вимірюваного конденсатора і резистора Часто для підвищення точності вимірювання, а іноді це і зручніше, використовують два дільника напруги Те, як це можна зробити, ми розглянемо з варіанту, який простіше – використання резистивних дільників напруги на постійному струмі Тобто, замінимо вимірюваний конденсатор резистором

Рис 1518 Вимірювання опору за допомогою двох дільників напруги

Така схема називається бруківці, а цікава вона тим, що за певних умов напруга на резисторі R5 (в діагоналі моста) стає рівним нулю Що і зображено на малюнку справа Напруга 444 * 10-16 – це, фактично, нульовий напруга Так, за яких умов ми отримуємо нульове напруга в діагоналі моста

Напруга джерела V1 поділиться дільником R1R2 пропорційно величині опорів І те ж саме можна сказати і про дільник R3R4 Якщо дотримується рівність R1/R2 = R2/R4, то падіння напруги на резисторах R2 і R4 будуть рівні (як і на R1 і R3), а напруга в діагоналі моста (на резисторі R5) стане нульовим – немає різниці потенціалів

Як правило, в бруківці схемою використовують амперметр з нулем у середині шкали або індикатор Додавши кілька резисторів до R2 і перемикач, можна розширювати межі вимірів, тому що, погодьтеся, якщо опір резистора R1 дорівнює 10 Ом, то зручніше вимір проводити при R2 дорівнює 100 Ом Резистор R3 може бути змінним, забезпеченим шкалою, або бути зібраний з постійних резисторів так, що загальний опір набирається за допомогою перемикачів

Рис 1519 Розширення меж вимірювання

Повернемося, однак, до конденсатора Що варто змінити в бруківці схемою, щоб вимірювати опір конденсатора

А ми будемо вимірювати реактивний опір конденсатора, тобто .. думаю, вам зрозуміло, що джерело постійної напруги слід замінити джерелом змінної напруги

Рис 1520 Мостова схема для вимірювання опору конденсатора

Використання амперметра, а для вимірювання малих струмів він перетвориться на міліамперметр або мікроамперметр, на змінному струмі не сама хороша думка Але ми знайомі з багатьма компонентами електричних ланцюгів, і ми в змозі придумати йому заміну Наприклад, ми можемо посилити маленьке напруга, яке залишається в діагоналі моста через розкиду параметрів, і використовувати мультиметр, визначаючи момент балансу за мінімальними показаннями вольтметра Або придумати щось ще, щось, що було б зручніше Але цим ми займемося пізніше

А зараз відзначимо, що ємнісний датчик, включений в діагональ моста, цілком може сказати нам, що величина ємності досягла цікавить нас величини

Зазвичай такий спосіб «розговорити» датчик не використовується Але він цікавий сам по собі Чим Думаю, ви зрозумієте

Візьмемо двійковий лічильник Ми вже знаємо, що кожен приходить імпульс на його вході відображається на виході у вигляді двійкового числа (сукупністю рівнів напруги на виходах)

Візьмемо резистори Ми вже знаємо, що при паралельному їх зєднанні виходить резистор, що має інший опір

І ще ми знаємо, що: резистори утворюють подільники напруги при правильному їх включенні

Рис 1521 Отримання ступеневої напруги за допомогою лічильника

В даному випадку я підібрав величину опору так, щоб послідовне перемикання лічильника формувало на виході схеми (у місці зєднання резисторів) ступеневу наростаюче напруження

Напруга наростає від 0 до 5 вольт (якщо рівень логічної одиниці на виході 5 вольт) При цьому кожен крок збільшує його (а всього кроків 15) на 5/15 = 033 В

Крім того, ми знаємо такий пристрій, як компаратор – він порівнює дві напруги, подані на його вхід Нехай одне з них буде вимірюваним напругою, а на другий вхід компаратора ми подамо сформоване нами ступеневу напругу Коли ступеневу напругу перевищить вимірюється напруга, компаратор змінить свій стан, і в цей момент ми зупинимо лічильник Що ми отримаємо

На виході лічильника в двійковому вигляді відобразиться кількість кроків, зроблене до зміни стану компаратора, тобто, до того моменту, коли ступеневу напругу стало більше вимірюваного А, знаючи кількість кроків, знаючи «ціну» кроку (033 В), ми в двійковому вигляді отримаємо значення вимірюваної напруги

Рис 1522 Використання компаратора для зіставлення напруг

Перемикання компаратора в «точці вимірювання» можна використовувати для зчитування двійкового числа (кроків) з виходів лічильника, запускаючи, наприклад, формувач імпульсу на таймері 555 Формований їм імпульс на заданий проміжок часу зупинить лічильник, а потім процеси будуть повторюватися

Для проведення експериментів за компютером можна придумати різні варіанти, що не тільки корисно, але може стати в нагоді надалі Наприклад, можна використовувати такий варіант:

Рис 1523 Один з варіантів зчитування інформації з виходів лічильника

Наведений мною приклад використання лічильника, як ви, напевно, зрозуміли, призначався для того, щоб дати деяке уявлення про те, як аналогові сигнали можна перетворити на цифрові значення, тобто, оцифрувати На практиці для цього застосовують мікросхеми АЦП (аналогово-цифрові перетворювачі), призначені для різних цілей, відповідно, мають різні схеми (і принципи) перетворення

Якщо ви користуєтеся мультиметром, то, швидше за все, він побудований на базі спеціалізованого АЦП, до виходу якого підключається рідкокристалічний дисплей Слухаючи музику з компакт-диска, ви користуєтеся плодами оцифровки аналогового звукового сигналу Останнє можливо з тієї причини, що перетворення аналогового сигналу – змінної напруги, що має нескінченно багато миттєвих значень, що утворюють безперервну послідовність – в цифровий вигляд підкоряється закономірності, про яку говорить теорема Котельникова:

Тема аналогово-цифрових перетворювачів цікава сама по собі, і, якщо вона вас зацікавить, ви напевно знайдете багато книг, присвячених цьому питанню Нам же зараз досить запамятати, що є такі пристрою, як АЦП, що дозволяють перетворити напруга в послідовність чисел Стосовно до датчикам це означає, що ми можемо або зчитувати з екрана дисплея всі значення, що формуються датчиком, або використовувати найпростіший вид АЦП – компаратор Компаратор цілком можна вважати однорозрядним перетворювачем, і використовувати його тоді, коли нас цікавить тільки, перевищило чи ні значення параметра деяку величину

АЦП можна використовувати для безперервного спостереження, наприклад, за температурою, вологістю, тиском (останнім часом часто вживають слово «моніторинг») або

відстанню Компаратор корисний тоді, коли потрібно привернути увагу до конкретної ситуації, тобто, включити сигнал, світловий або звуковий, або тоді, коли треба автоматично змінити стан пристрою Це може бути виробничий процес, це може бути аварійний пристрій: при спрацьовуванні пожежного датчика може включатися автоматична подача води в приміщення, що охороняється при спрацьовуванні датчика струму в блоці живлення може спрацьовувати аварійний захист від перевантаження при спрацьовуванні датчика рівня води в пральній машині клапан на підвідної воду трубі перекривається, а машина переходить в режим прання

Як бачите, АЦП різного виду так широко застосовується на практиці, що знати про існування цього дуже корисного елемента електроніки, слід обовязково Пізніше, в розмові про мікроконтролерах, ми ще повернемося до цього, а зараз розглянемо антипод АЦП, який називається ЦАП – цифро-аналоговий перетворювач

АЦП дозволяє перетворити, скажімо, музику в ряд двійкових чисел, який записується на компакт-диск Але ми не компютер, і музика чисел нам чужа Щоб задовольнити нас вимагається перетворити цифри в безперервний сигнал, до якого ми звикли Цим зворотним перетворенням займається ЦАП

І, зауважте, деяке уявлення про те, як він це робить, ми вже отримали Ось:

Рис 1724 Перетворення числових даних в аналоговий сигнал

Зміни, які я вніс в схему експерименту, незначні: RC інтегруюча ланцюг, покликана «підкреслити» ефект перетворення

Як і мікросхеми АЦП, мікросхеми ЦАП знаходять широке застосування на практиці, і існують в безлічі видів, відповідних різним завданням, які вони покликані вирішувати Пізніше ми розглянемо такий вбудований модуль мікроконтролера, як ШІМ (PWM)

ШІМ – це абревіатура слів широтно-імпульсна модуляція Модуль, по суті, найпростіший цифро-аналоговий перетворювач, що знаходить сьогодні застосування, наприклад, в пристроях регулювання швидкості обертання електромоторів До слова, ми використовували цей принцип раніше для отримання інформації про частоту імпульсів при розгляді датчиків, що мають ємнісний характер

Сьогодні широко-імпульсна модуляція стає популярна і в аудіотехніки при створенні високоякісної апаратури А ми завершимо розмову про датчики і перетворювачах аналогових сигналів у цифрові і навпаки, і перейдемо до наступної теми

Джерело: Гололобов ВН, – Самовчитель гри на паяльнику (Про електроніці для школярів і не тільки), – Москва 2012