Звуковые генераторы, фильтры и другие аналоговые устройства (кроме радиотехники и УНЧ)
Ответить

Источник тока-напряжения для МК

Ср дек 25, 2019 14:00:49

Здравствуйте уважаемые форумчане.

Задумал я как-нибудь в будущем разработать компьютеризированный характериограф для снятия характеристик различных транзисторов, диодов и прочих двух-, трехэлектродных устройств. Однако, пока основная работа и быт занимает много времени, а блоков довольно-таки много, то работа затягивается на неизвестный срок )))

Поэтому решил я выложить схему блока, который изначально предначен для питания цепей питания Б-Э, З-И транзисторов, или то, что в аналогичных устройствах называется Step Amplifier.

Как мне кажется схема получилась достаточно универсальной и будет интересна многим, кто проектирует устройства на микроконтроллерах, в том числе любителям ардуино ))) как управляемый ЦАП-ом биполярный источник тока или напряжения.

Немного по схеме:

- Питание двухполярное +-15В

- Диапазоны выходных токов: - +-0,5мА, +-1мА, +-2,5мА, +-5мА, +-10мА, +-20мА, +-50мА, +-100мА, выходных напряжений: +-1В, +-2В, +-5В, +-10В

- В усилителе на входе применены дешевые ОУ MCP6S21 с переключаемым коэффициентами усиления, что позволило упростить переключение диапазонов. Управление ними - по SPI

- По входу стоят буфера, т.к. планировалось использовать ЦАП-ы МК типа STM32 у которых не все хорошо с выходным сопротивлением. Опора ЦАП-а - изначально 2,5В, однако применимо любое опорное, что регулируется двумя подстроечниками с выхода буферов для достичения максимального размаха от 0В до 0,5В

- Управляющий сигнал на вход может подаваться как от двух ЦАП-ов МК (так и было задумано изначально), так по одному входу, подвесив, например, второй на середину опорного напряжения ЦАП-а Vref/2.

- Полярность и величина выходного сигнала пропорциональна разности входных управляющих сигналов

- Подача на вход двух противофазных сигналов (в случае 2-х ЦАП-ов) симметричных относительно Vref/2 одной частоты дает двухполярный выходной сигнал.

- Возможны разные фишки, которые позволят выполнить модуляцию выходного сигнала, а-ля квадратурная модуляция, подача управляющих сигналов разной частоты/амплитуды и прочее, пока не знаю зачем, может кому понадобиться )))

- Режим ток/напряжение по выходу переключается 2-мя сигнальными реле типа AXICOM FP2 D3009 или другими сигнальными в том же корпусе и цоколевке коих много - на другое напряжение, китайские аналоги... По умолчанию, без подачи управляющих синалов IV_SEL, R_SEL, выходной сигнал - ток, диапазон с наименьшей амплитудой

- Далее после переключаемых ОУ стоит дифф. усилитель, что позволило избавиться от дополнительных схем сдвига выходного напряжения ЦАП-ов

- Применяемые ОУ - сдвоенные типа OPA2227, т.к. устройство все-таки планировалось как измерительное. Однако не запрещено применение более доступных ОУ типа TL072/082, соответственно, с потерей точности, хотя, думаю, во многих применениях это будет не критично.

- Выход транзисторный для умощнения

- Вобщем-то все, полосу пропускания по памяти не скажу - но не менее 20 кГц. Надоть в Micro-Cap заглянуть.

Кому тема интересна, прошу к обсуждению. Имеется разведенная в Пкад печатная плата, размер 75х54 мм, двухслойная. Если будет чья-добрая воля, то приму в дар печатную плату по Украине ))) Если нет, то скоро буду изготавливать сам, хотя 2-хслойки ЛУТ-ом - для меня это сплошное мученье...

Схему прилагаю. Здравая критика и предложения приветствуются.
Вложения
CT_step_amplifier.pdf
(53.01 KiB) Скачиваний: 112

Re: Источник тока-напряжения для МК

Чт фев 13, 2020 02:28:28

Круто. Тема мне тоже нравится. Тоже о ней думал. И даже по тем же самым причинам так до неё и не добрался :)
Cхему посмотрю. Будет что умного сказать, напишу.

Добавлено after 8 minutes 21 second:
Не критика, но вопросы. Пишу по мере возникновения
1) Зачем использовать усилители с переменным усилением. Казалось бы, сделать усиление фиксированным, а все остальное регулировать цапом, было бы проще. Хотя и с потерей точности. Но они в МК сейчас точные.

Добавлено after 36 minutes 24 seconds:
2) Ну и то же про хитрую дифференциальную схему управления напрядения. Кроме повышения точности ЦАП, других её плюсов перед одноцаповой схемой я не вижу.
3) Уверены в стабильности схемы в режиме выхода по току? Мы имеем задержку положительной ветви обратной связи относительно отрицательной, и это может стать поводом для самовозбуждения. Рискну предположить, что именно с этим эффектом вы боретесь с помощью С1?

Re: Источник тока-напряжения для МК

Сб фев 22, 2020 21:47:58

Схему собираю, плату вытравил. Жду недостающие компоненты.

Попытаюсь частично ответить на Ваши вопросы.

Источником вдохновения, в основном, служит Curve Tracer фирмы Heathkit, а именно IT-1121. Параллельно смотрел еще многие схемы BK501, Tektronix 576 и другие. Хочеться создать нечто близкое по параметрам к IT-1121, только с выводом графиков на комп. В общем-то, каких-то глобальных проблем я не вижу, за исключением отсутствия времени )))

Ну а по технике - дифф. усилитель практически один-в-один из первоисточника, с небольшими модификациями. По моделированию в MicroCap никакого возбуда не обнаружено. Скоро посмотрим что на практике. С1 - просто фильтрация, совместно с R3. По моему опыту токовый режим - вещь стабильная.

А возбуд может наблюдаться по другой причине - на ВЧ транзисторах, что я лично наблюдал, измеряя статические параметры на советской приставке Р4340. Для подавления этого явления собственно и ферритовые бусины в линиях "Коллектор" и "База" в приборе IT-1121, я так полагаю. Я пока решил вопрос введением L1 и С7 (шунтирует цепь Б-Э). Это пока самая непонятная для меня часть. Но в статике при измерениях на Р4340 шунтирование конденсатором цепи Б-Э помогает и позволяет нормально измерить параметры.

По поводу усилителей с переменным коэффициентом, скажу что основная загвоздка собственно, что в подобных приборах все вопросы решаются многопозиционными переключателями, чтобы перекрывать большой диапазон токов/напряжения, что я себе позволить не могу. Вернее могу, сигнальных реле у меня целая пригоршня, но что же это будет за схема.

Большой динамический диапазон ЦАП - это тоже вещь относительная, 12 бит (для STM32) не столь и много. А так пару реле и двумя ОУ с переменным коэффициентом удастся перекрыть большие диапазоны выходного сигнала, да еще и с хорошим разрешением 12 бит в пределах поддиапазона.

Двухцаповая схема, говорите? Ну, пожалуй, особых преимуществ и нет. Мне так показалось удобней и рациональней в плане перехода сигнала через ноль непосредственно "на лету" без щелкания реле ))) Ну да никто не запрещает одним ЦАП-ом управлять. А в STM32 их все равно 2.

А источником "коллекторного" напряжения все равно нужно через гальваноразвязку управлять. Приходило на ум ШИМ-ом через оптопару...

А так, в основном идеи у меня пока только на бумаге, в виде общих набросков. Довольно много там всего получается ((( Начну с этого усилителя, пожалуй ;)

Добавлено after 4 minutes 48 seconds:
Да, кстати ошибочка, резисторы в цепях катушек реле - по 750 Ом, а не по 720 - нету таких номиналов )))

Добавлено after 7 hours 40 minutes 44 seconds:
protoder писал(а):Не критика, но вопросы. Пишу по мере возникновения
1) Зачем использовать усилители с переменным усилением. Казалось бы, сделать усиление фиксированным, а все остальное регулировать цапом, было бы проще. Хотя и с потерей точности. Но они в МК сейчас точные.
2) Ну и то же про хитрую дифференциальную схему управления напрядения. Кроме повышения точности ЦАП, других её плюсов перед одноцаповой схемой я не вижу.


Че-то я гоню, переучился немного наверное... Как говорится, правильно заданный вопрос - это половина решения. Просто "подсознательно" чувствовал гибкость решения управления 2-мя ЦАПами, но сразу до конца не "осознал". Да и сразу ориентировался на 2 ЦАПа. В любом случае, спасибо за вопрос.

Вобщем, я немного загнул с повышением точности. Но это только немного.

НО!!!
При управлении 2-мя ЦАПами мы имеем возможность перейти на управление одним, просто подвесив напряжение второго ЦАПа в середину опорного напряжения. И здесь начинается самый цимес...

Изменяются пределы выходного сигнала (делением на 2) по сравненению с управлением от двух ЦАПов без потери разрешения. То есть мы еще удваиваем количество пределов выходного сигнала. Т.е. скажем, работали на +-5мА, а стали работать на +-2,5мА. Но это не фактическое удвоение числа диапазонов, т.к. многие из них повторяются, но появятся некоторые промежуточные +-0,25мА, +-1,25мА, +-25мА. И с напряжениями тоже самое - появятся дополнительные +-0,5В, +-2,5В.

На бумажке прикинул - прикрепляю расчет, может наглядней будет. V1 и V2 - это напряжения на входе в PGA.

В изначальном файле со схемой таблица пределов приведена из соображений управления 2-мя ЦАПами, следовательно при управлении одним - нужно все значения поделить на 2.

http://img.radiokot.ru/files/119323/24vnuvlyla.JPG
http://img.radiokot.ru/files/119323/24vnvba50r.JPG

Re: Источник тока-напряжения для МК

Чт мар 05, 2020 22:21:40

Выпало немного времени. Продолжаю развлекаться.

Схема собрана, с небольшими изменениями.
Пока впаял TL072 за неимением точных ОУ, электролиты около транзисторов поставил 47мкФ, что были под рукой.
Резистор R25 в цепи стабилитрона пришлось уменьшить до 1,2 кОм, т.к. не дотягивало напряжение до требуемых 5,1В. Ну это и ожидаемо с этим плавным коленом обратной ветви ВАХ у низковольтных стабилитронов.
Не оказалось индуктивности, намотал временно на резисторе )))

Бегло проверил, принципиально работает, детальные тесты позже, т.к. нужно присобачить к МК и чего-нибудь написать для управления.

Конкретно по проверке:

- управление релюхами и ОУ с переменным КУ не подключено - все в исходном состоянии, как по схеме. Стало быть диапазон выходного тока +-0,5мА.

- на оба входа подан противофазный сигнал 0...3,3В, 100Гц от генератора, подстроечниками установлен входной сигнал в PGA 0...0,5В, примерно, по осциллографу. Точнее будет подстройка при подключеных ЦАПах.

- на выход в качестве нагрузки подцеплен резистор 390 Ом.

- канал 1 - сигнал на одном из входов, верхнем по схеме, чувство - 1В/дел, канал 2 - сигнал на резисторе, чувство 0,1В/дел.

Собственно, все пока ожидаемо, выходной ток соответствует диапазону.

Небольшой фотоотчет прилагаю.
Изображение Изображение Изображение

Re: Источник тока-напряжения для МК

Чт мар 19, 2020 18:08:48

Итак, продолжаем-с развлекаться.

Подцепил усилитель к плате STM32VL Discovery. Написал софт для управления оным и коммуникации с компом по UART. Также небольшую прогу для компьютера, показывать не буду - больно стремно она пока выглядит, пока только для теста. Управление с 2-х ЦАПов, как и задумывалось вначале.

Прогнал по токовым диапазонам (в режиме по напряжению пока не пробовал). Перед этим правда довольно скурпулезно подобрал резисторы в дифференциальном усилителе, так и резисторы ОС... из обычных 5%-ных. Но подбор был точнее одного процента.

В принципе, даже с дешевыми ОУ TL072 получил очень приличный результат по точности. Пока менять на более точные не буду, хотя это имеет смысл для D3, на диапазонах с малыми коэффициентами усиления PGA это даст значительный прирост точности.

Значит, по измерениям:
- Измерял с помощью вольтметра В7-38 со стоковым шунтом, самое точное, что у меня есть на сегоняшний день. С прогревом, естественно, все как полагается.

- Выход усилителя был нагружен на шунт вольтметра.

Прилагаю таблицу результатов. Измерял на краях диапазона и в нуле.
В нуле погрешность приведенная к краю диапазона delta(%) = (Inull/Idiap)*100
На краях - относительная погрешность установленного значения
delta(%) = (Ifact - I zadan)*100/Izadan

- Замечен небольшой дрейф на последнем диапазоне 100 мА из-за нагрева резисторов 100 Ом.
Вобщем мега доволен, результат неплохой, есть перспективы улучшения характеристик.

Изображение
Ответить