Keď 10 bitov nestačí

Hneď v úvode rozšifrujeme ten tajomný nadpis.

Ide o to, čo robiť, keď máte len 10-bitový AD-prevodník, ale nejakú hodnotu potrebujete s rozlíšením vyšším: 12-, 14-, či dokonca 16-bitovým.

Tento problém sme riešili asi pred šiestimi rokmi, keď sme navrhovali našu telemetriu a chceli sme mať v modeli aj výškomer.

autor: Janko O.

 

 

Vtedy ešte nebol k dispozícii (alebo sme o tom nevedeli) snímač tlaku BMP085 od firmy Bosch a tak sme museli použiť   tlakový senzor MPX4115A od firmy Motorola (Freescale). 

Tento tlakomer je určený zrejme pre skutočné lietadlá, pretože jeho rozsah merania tlaku (15 až 115 hPa) zodpovedá meraniu výšky aj vyše 10 000 metrov nad morom. Nemôžeme machrovať, lebo pri všetkej skromnosti, my sme sa nedostali ešte ani na desatinu tejto hodnoty.

V tom však nie je problém. Ten je v tom, že výstupom tohto tlakového senzora je jednosmerné napätie, v rozsahu 0,3 až 4,8 Voltu, ktoré je úmerné tlaku, v rozsahu 15 až 115 hPa. V nadmorských výškach, ktoré pre modelárov pripadajú do úvahy, to znamená, že zmene výšky o jeden meter zodpovedá zmena napätia asi o 0,5 miliVoltu. A čím väčšia nadmorská výška, tým menšia zmena výstupného napätia.

Priamo pod snímačom tlaku MPX4115A je dvojitý operačný zosilňovač LM358 (ktorý nie je vidieť) a naľavo od snímača tlaku je obvod 555. Pod ním jasne žltý je kvalitný kondenzátor 10n s dobrou teplotnou stabilitou.

Avšak pri použití mikrokontrolérov (ktoré sme použili v našej telemetrii) so vstavaným 10-bitovým AD-prevodníkom, by takýto výškomer bol schopný merať výšku s rozlíšením asi 10 metrov. A to je dosť málo. Našou predstavou bolo meranie výšky letiaceho modelu s rozlíšením aspoň jeden meter.

Ale na to by sme potrebovali aspoň 14-bitový AD-prevodník. Vhodný mikrokontrolér (PIC) s takýmto vstavaným AD-prevodníkom sa nevyrába a zodpovedajúce externé prevodníky (16-bitové) bývajú drahé a práca s nimi je tak trochu „brnkačka na nervy“. A tak sme hľadali iné riešenie.

Bolo nutné použiť nejakú „fintu“, nejaké iné riešenie, kde 16-bitové rozlíšenie nie je náročnou výnimkou, ale bežnou samozrejmosťou. Takou „obchádzkou“ sa javilo byť meranie kmitočtu, alebo presnejšie povedané, meranie periódy (čo je v podstate to isté, len „hore nohami“), ktoré so 16-bitovým rozlíšením zvláda v podstate hocijaký mikrokontrolér a jeho programové vybavenie.

To však do „reťazca“ telemetrie musel pribudnúť ďalší blok: prevodník U/f, čiže obvod, ktorý dokáže zmeny napätia (U) transformovať na zmeny kmitočtu – frekvencie (f). Bloková schéma pripojenia tlakomeru MPX4115A k takémuto prevodníku by mohla vyzerať nejak takto:

 Impedančný prevodník napätie nezosilňuje ani neposúva, ale umožňuje pripojiť obvod s vysokou výstupnou impedanciou (MPX4115A) k obvodu s nízkou vstupnou impedanciou (VCO). VCO znamená Voltage Controlled Oscillator, čiže napätím riadený oscilátor.

Mohli sme použiť niektorý na tento účel špeciálne vyrobený integrovaný obvod v odporúčanom zapojení, ale jednak sme žiadny taký doma nemali a taktiež netrpezlivosť a snaha „mať to hneď a teraz“ nás priviedli k inému riešeniu.

Tým riešením bol údajne najznámejší, najuniverzálnejší a najužitočnejší obvod v našej galaxii , populárna 555-ka. Tú má doma každý elektronický nadšenec a aj my sme ju mali a tak nebolo treba nič zháňať, nič kupovať, na všetko stačili „šuplíkové“ zásoby, alebo ako v Čechách hovoria: „Co dům dal“.

Ako vstup napätia (po prechode jednou polovicou dvojitého operačného zosilňovača LM358 čoby impedančného prevodníka) sme použili vývod 5. Ten sa väčšinou nepoužíva a býva blokovaný kondenzátorom príslušnej hodnoty. Jeho napätie sú dve tretiny z napájacieho napätia, teda v našom prípade dve tretiny z +5V. To je 3,33 Voltu, čo je veľmi blízko napätiu, ktoré dáva tlakomer MPX4115A (asi 3,82V), keď je umiestnený v nadmorskej výške, zodpovedajúcej „našim končinám“.

Vhodným nastavením časovej konštanty (R2, R3, Trimer1 a C4) a programom je možné voliť rozlišovaciu schopnosť tohto nášho výškomera. Po niekoľko-dňovom „hrajkaní“ sme dospeli k rozhodnutiu: bolo by síce možné dosiahnuť rozlišovaciu schopnosť aj zlomky metra, ale nároky na teplotnú stabilitu, ale aj kolísanie samotného atmosférického tlaku počas letu naznačili, že rozumným kompromisom je rozlíšenie výšky na jeden meter.

Z hľadiska teplotnej stability sme skúškami dokázali, že je nutné venovať pozornosť kvalite už spomínaných súčiastok: rezistorom R2 a R3, Trimru1, ale najmä kondenzátoru C4. Taktiež samotná 555-ka nemôže byť hocijaká. Ako najstabilnejšia sa ukázala 555-ka od firmy Philips.

V zapojení podľa hore-uvedenej schémy sme síce namiesto periódy 16-bitovo merali šírku impulzu (asi polovica z periódy), ale vhodným taktovaní mikrokontroléra a vhodným programom sme dosiahli stavu, keď zmena výšky letu modelu o jeden meter, znamenala zmenu nameranej hodnoty šírku impulzu o jednotku. Tým odpadli ďalšie výpočty.

V súčasnosti pracujeme na využití tlakomerov BMP085 firmy Bosch namiesto tlakomerov MPX4115A od Motoroly, ale naše už hotové výškomery (podľa hore-uvedeného popisu) vo svojich modeloch stále používame a sme s nimi spokojní. Porovnanie s vlastnosťami profesionálne vyrábaných výškomerov, ktoré sú občas pertraktované na rôznych modelárskych fórach, nás ešte stále necháva kľudnými.
 

Súvisiace články:

Ako vysoko lietajú RC modely?

Cesta k telemetrii - 6. časť 

Cesta k telemetrii - 5.časť

Cesta k telemetrii - 4.časť

Cesta k telemetrii - 3.časť

Cesta k telemetrii - 2.časť

Cesta k telemetrii - 1.časť

 

 

 

 


<Staršie | tento článok | Novšie>

Napísané: 2. 8. 2014, 08:43 | Prečítané: 4180x | Kategórie: Elektronika | Napísal: admin |
Komentáre: 1
.:. Rasto
Pekné, pred dvadsaitimi rokmi som takýto prevodník použil v diplomovke. Len ten tlakomer bol vo vákuovej peci a počítač bol PP01.
Odpoveď | 2014-08-07 12:49:50
Pridaj komentár
Meno
Web
Mail
Kontrola Zadajte číslo päť
Text

:-)
:-D
:-(
|-/
:-[]
;-)
8-|
8-o
Tučné | Podrazené | Kurzíva  | zdroják | odkaz
  • Pre odoslanie správy môžete aj použiť klávesovoú skratku Alt+S. (Podporujú len niektoré prehliadače)
  • HTML znaky budú prevedené na entity.
  • Vyjadrujte sa tu ako doma, aby sme vedeli ako to u Vás vypadá.
  • Odkazy začínajúce http:// budú automaticky prevedené na odkazy , nepoužívajte však v jednom príspevku viac ako 3 - to robia len spam roboti:-)
správca | ICQ-Vaše ICQ | Podpora miniRS | Styl LazyDays | Sk preklad by beekeeper | Veľkosť databázy: 26919.63 kb