سلام
منبع من اطلاعاتی هست که در حین کار بدست آوردم ، اگه برای برخی از مطالب ار کتاب یا مقاله ای استفاده بشه ، اسمش در پست اورده میشه .
به زودی استفاده هاش رو خواهیم دید ...
************************************************** *******************
توی پست های قبلی ورودی و خروجی های دیجیتال بررسی شد ، در این پست به بررسی ورودی های آنالوگ و در پست بعدی به بررسی خروجی های آنالوگ خواهیم پرداخت .
ورودی های انالوگ :
در صنعت ورودی های آنالوگ به دو دسته تقسیم بندی میشن :
1- جریان 4 تا 20 میلی امپر ( و برخی از مواقع 4 تا 24 میلی امپر )
2- ولتاژ 0 تا 10 ولت
تعداد ورودی های آنالوگ بر روی این ماژول 4 عدد خواهد بود . ( دو عدد ولتاژ و 2 عدد جریان )
ملاحضات طراحی :
1- در صنعت از جریان 4 تا 20 میلی امپر برای انتقال داده در مسافت های دور ( بین 5 تا 200 متر ) و از ولتاژ 0 تا 10 ولت برای انتقال داده در مسافت های نزدیک ( زیر 5 متر ) استفاده میشه .
2- با توجه به اینکه مسیر های آنالوگ دارای نویز زیادی هستند ( حتی بر روی سیم های شیلد و گراند ) ، کلیه ورودی های انالوگ باید ایزوله باشن .
3- ورودی های ولتاژ باید دارای مقاومت ورودی بزرگی باشن تا سیگنال ورودی تضعیف نشه .
4- ورودی های دیجیتال باید دارای مقاومت ورودی کوچکی باشن تا جریان به خوبی بتونه اندازه گیری بشه
5- کلیه ورودی ها باید در برابر اضافه ولتاژ محافظت بشن .
5- اگه مورد دیگه ای هست شما بگید .
اطلاعات بیشتر :
چرا ولتاژ و جریان ؟
1- ساختن آن آسان است :
برای ایجاد کردن ولتاژ 0 تا 10 ولت یا جریان 4 تا 20 میلی آمپر به قطعات کمی نیاز داریم ( مثلا برای ایجاد ولتاژ 0 تا10 ولت به یک پتانسیومتر و یک منبع تغذیه ی ثابت 10 ولتی نیاز است )
2- اندازه گیری آن ساده است :
برای اندازه گیری ولتاژ یا جریان به تعدادی OP-AMP یا مبدل انالوگ به دیجیتال نیاز داریم .
3- دستگاه های زیادی با آن سازگاری دارند .
تقریبا خروجی تمامی سنسور ها آنالوگ است ، سنسور های دیجیتال بزرگتر و دارای قیمت بیشتر هستند و برای کار به یک منبع تغذیه ی جانبی نیاز دارند ، برای مثال یک سنسور دما رو در نظر بگیرید ، داده ی خروجی این سنسور رو میشد با پروتکل RS485 هم انتقال داد ، در این حالت پیاده سازی پروتکل RS485 درون یک سنسور باعث افزایش قابل ملاحظه ی حجم و قیمت اون میشد ، همچنین برای ای سی های مبدل موجود در اون یه یک منیع تغذیه نیاز بود .
4- انتقال آن بسیار ساده است .
برای انتقال سیگنال های آنالوگ به دو سیم به همراه یک شیلد نیاز است .
ورودی های آنالوگ در کجا استفاده میشود ؟
ورودی های آنالوگ رو میتونیم در هر کجا که نیاز به انتقال یک بازه از اطلاعات هست ، استفاده کنیم .
به عنوان مثال ما میتونیم ولتاژ 0 تا 10 ولت رو به یک VFD ( درایو سرعت متغیر ) بدیم ، در این حالت موتور متصل شده به خروجی VFD به ازای ولتاژ 0 دارای کمترین سرعت و به ازای ولتاژ 10 ولت دارای بیشترین سرعت خواهد بود ، مقادیر بین 0 تا 10 ولت باعث ایجاد سرعتی بین کمترین و بیشترین سرعت خواهند شد .
یا یک شیر برقی رو در نظر بگیرید که به ازای جریان 4 میلی آمپر کاملا بسته و به ازای جریان 20 آمپر کاملا باز خواهد شد ، این شیر به ازای مقادیر بین 4 تا 20 آمپر ، خروجی رو بین 0 تا 100 درصد باز میکنه ( مثلا به ازای جریان 12 میلی امپر شیر 50 درصد باز خواهد شد )
کلیه ورودی های آنالوگ بعد از رفع نویز و تقویت دامنه به مبدل های آنالوگ به دیجیتال 10 (یا 12 یا 16 )بیتی اعمال میشن ، این یعنی به ازای ولتاژ 0 تا 10 ولت ما 1024 حالت (10 بیت )خواهیم داشت ( یعنی سرعت موتور ذکر شده میتونه در 1024 پله کنترل بشه )
مگر جریان 4 تا 20 میلی آمپر ، یک ولتاژ متغیر نیست که بر روی یک مقاومت ثابت تلف میشود ؟
در تمامی مدارات الکترونیک قانون اهم ( V=RxI) برقرار است . دلیل استفاده از جریان به جای ولتاژ کاهش نویز در ورودی مدارات آنالوگ است .
در مدار بالا ، ولتاژ 0 تا 10 ولت توسط یک پتانسیومتر تامین میشه ، در این مدار چون مقاومت ورودی خیلی زیاد هست ، هر نویزی میتونه ولتاژ ورودی رو کم و زیاد کنه . از طرفی چون مقدار جریان خروجی مقاومت ( که میشه به جای اون یک سنسور گذاشت ) محدود هست ، امکان کم کردن مقدار مقاومت ورودی وجود نداره .
پس بهتر هست که از ولتاژ 0 تا 10 ولت فقط برای مسیر های نزدیک و بی نویز استفاده بشه و برای مسیر های طولانی از جریان 4 تا 20 میلی امپر استفاده کنیم .
برای تامین کردن جریان 4 تا 20 میلی امپر از منابع جریان استفاده میشه . منبع جریان ، مداری هست که مقدار جریان خروجی اون به ازای بار های مختلف ( البته در یک رنج خاص ) ثابت هست ، مثلا اگه توی مدار بالا مقدار مقاومت R2 بشه 200 اهم باز هم جریان 20 میلی آمپر از اون عبور خواهد کرد ، چون منبع جریان برای ثابت نگه داشتن جریان ، مقدار ولتاز رو به چهار ولت افزایش میده .
در این مدار چون مقاومت ورودی کم هست ، نویز تاثیری روش نداره .
نویز سیگنالی ناخواسته با دامنه ای در حد میلی ولت و ولت هست که توان ناچیزی داره ، این سیگنال که در هه جا وجود داره ، بر روی خطوط آنالوگ و دیجیتال القاء شده و باعث تغییر سطح ولتاژ اونا میشه .
اکثر ا تاثیر نویز رو بر روی پایه های ورودی میکروکنترلر ها ، هنگامی که مقاومت PULLUP یا PULLDWON ازشون حذف میشه دیدیم .
ورودی ولتاژ 0 تا 10 ولت :
از این ورودی برای دریافت ولتاژ 0 تا 10 ولت از یک منبع خارجی که در نزدیکی مادربرد نصب شده ، استفاده میکنیم . منبع خارجی دارای دو سیم هست که یکی از سیم ها دارای ولتاژ 0 ولت ( گراند منبع خارجی ) و سیم دیگر دارای ولتاژ 0 تا 10 است ( سیم مثبت ) .
اولین قدم برای اندازه گیری این ولتاژ تبدیل کردن آن به رنج مورد نیاز یعنی 0 تا 5 ولت هست ، ساده ترین و بدترین راه برای این کار استفاده از تقسیم ولتاژ مقاومتی هست که ما از این به بعد به هیچ عنوان از آن استفاده نخواهیم کرد .
برای اندازه گیری این ولتاژ از یک تقویت کننده ی عملیاتی که در آرایش دیفرانسیلی بسته شده استفاده میکنیم ، در این آرایش مقدار ولتاژ خروجی برابر با بهتره ی تقویت X ( ولتاژ ورودی منفی - ولتاژ ورودی مثبت خواهد بود ) :
Differential Amplifier (Voltage Subtractor)
Building a differential amplifier : Operational Amplifiers
Differential amplifier - Wikipedia, the free encyclopedia
چرا آرایش دیفرانسیلی ؟
در این آرایش مقدار مقاومت ورودی بسیار بالا است
در سیستم های آنالوگ سه سیم وجود دارد ، سیم مثبت ، سیم منفی و شیلد ، در صورتی که از کابل های استاندارد استفاده کنیم ، نویز باعث تغییر ولتاژ هر دو سیم مثبت و منفی و افزایش ولتاژ آنها به یک انداره میشود ، ما میتوانیم با تفریق کردن ولتاژ موجود در هر دو سیم ، تفاضل آنها را بدست اورده و تقویت کنیم .
و...
مطابق فرمول های سایت electronics-tutorials جلو میریم ، مقدار ولتاژ خروجی رو 4.5 ولت در نظر میگیرم ( تا .5 ولت براش جای افزایش در شرایط اضطراری میزارم ) ، اختلاف ولتاژ ورودی برابر با 10 ولت هست ، مقدار مقاومت R1 رو میدم 220 کیلو ( چون این مقاومت ، تعیین کننده ی مقدار R.in ( R.equal) مدار خواهد بود ) و سایر مقاومت ها رو بدست میارم . مدار رو توی پروتوس شبیه سازی میکنم و با تغییر دادن مقادیر ، اون رو به رنج استاندارد می رسونم : R1=R2=220+12K و R3=R4=100K شد .
در این حالت به ازای ولتاژ 10 ولت خروجی برابر با 4.33 ولت میشه .
برای حفاظت بیشتر مدار یک دیود زنر 4.6 ولتی رو در خروجی OP-AMP و یک دیود زنر 10 ولتی رو به صورت معکوس در ورودی قرار میدم ، مدار نهایی میشه :
برای ورودی های جریان هم از مداری مشابه مدار بالا استفاده می شه ، برای محاسبه المان ها مقدار ولتاژ ورودی برابر با 2.4 ولت ( جریان 24 میلی آمپر X مقاومت 100 اهم ) و مقدار ولتاژ خروجی برابر با 4.5 ولت در نظر گرفته میشه .
توی این مدار و مدار قبلی مقاومت های R5 و R6 برای حفاظت از منبع ورودی در شرایط اتصال کوتاه شدن دیود زنر در نظر گرفته شدن و مقدار اونا رو میشه کم یا زیاد کرد ( تا 50 درصد ) همچنین خازن C1 برای دفع کردن ریپل های ناگهانی ورودی گذاشته شده و با توجه به زیاد بودن مقاومت ورودی OP-AMP باید مقدارش خیلی کم باشه ( تا سریع دشارژ شه و ولتاژ رو تو خودش ذخیره نکنه ) .
توی برنامه ای که در آینده برای ADC خواهیم نوشت باید با یک افست جریان 4 میلی آمپر رو حذف کنیم تا مقادیر جریان 0 تا 4 میلی آمپر که ولتاژ 0 تا .5 ولت رو در خروجی OP-AMP ایجاد میکنه ، مشکلی در عمل کرد مدار ایجاد نکنه .
اگه سوالی تا اینجا دارید مطرح کنید .