Задатчик двухполярного напряжения 10В

Наряду с таким стандартом передачи аналогового сигнала, как "токовая петля 4-20 мА", в автоматизации современной промышленности и на транспорте получил распространение стандарт "-10В...+10В" постоянного тока. На этой страничке представлено устройство, которое преобразует цифровой сигнал с Arduino в указанное выше напряжение.

Фото. Задатчик двухполярного напряжения

Задатчик двухполярного напряжения

Arduino UNO имеет шесть каналов выдачи ШИМ-сигналов (цифровые пины 3, 5, 6, 9, 10, 11), которые можно использовать для дальнейшей обработки, но, к сожалению, они работают в диапазоне от 0 до +5 вольт, то есть получить с них отрицательное напряжение нельзя. Решить эту проблему можно с помощью операционного усилителя, который инвертирует и усилит выходной сигнал с микроконтроллера.

Нам нужно иметь на выходе напряжение от -10 В до +10 В, то есть с одного пина и отрицательный и положительный вольтаж, что практически невозможно. А почему бы не использовать два выходных ШИМ-канала, вместо одного, ведь у Arduino UNO их целых шесть? Один канал пустим на положительную ветвь напряжения (неинвертирующий усилитель), второй на отрицательную (инвертирующий усилитель), а затем объединим оба сигнала сумматором того же ОУ. Естественно, в скетче нужно прописать переключение между этими пинами в зависимости от знака задаваемого пользователем сигнала.

Данное решение имеет еще один плюс. Как известно, ШИМ-сигнал Arduino UNO 8-битный, то есть его разрешающая способность всего 256 градации (0...255), но используя два канала, мы повысим разрешение прибора в два раза.

Что еще нужно предусмотреть для работы этого устройства? Так как мы будем иметь дело с отрицательным вольтажем, нам понадобится источник двухполярного напряжения. При этом, скорее всего, в наличии у нас будет только 24 вольта постоянного тока. Не проблема, на этой страничке представлен преобразователь однополярного напряжения в двухполярное, который вы сами можете собрать из подходящих радиокомпонентов.

Еще одна проблема связана с тем, что выход с Arduino представляет из себя ШИМ-сигнал, использовать который напрямую просто так нельзя, его нужно выровнять. Для этого в схеме задатчика предусмотрена фильтрация с помощью простейших RC-фильтров.

На рисунке ниже представлена электросхема задатчика двухполярного напряжения. Еще ниже приведены пояснения, которые помогут лучше понять принцип работы устройства.

ЭЛЕКТРОСХЕМА

Центральной частью задатчика напряжения является микросхема LM324 (datasheet), представляющая из себя четыре операционных усилителя на одном кристалле. Сигнал, отвечающий за положительную часть напряжения (0...255), подается с Arduino (например с цифрового пина D3) на вход 1 клеммницы PWM, а отвечающий за отрицательную часть (например с цифрового пина D9), на вход 2. Далее эти сигналы фильтруются в RC-фильтрах (R1-C1 и R4-C2) и поступают на неинвертирующие усилители A и B. Сигнал с ОУ B инвертируется в усилителе С, после чего они поступают на сумматор D, на выходе с которого стоит еще один фильтр (R14-C3).

Электросхема задатчика напряжения

Электросхема задатчика напряжения

Рассмотрим назначение элементов схемы подробней.

СБОРКА ПЛАТЫ

Схема пайки элементов задатчика напряжения представлена на рисунке ниже. За базу взята макетная плата 80х60 мм. Конечно вы можете расположить элементы по другому и более компактно.

Схема пайки задатчика напряжения на макетной плате

Схема пайки задатчика напряжения на макетной плате

Примечания :

  1. Микросхема LM324 устанавливается в панель DIP14. Хотя вы можете сразу впаять ее в плату.
  2. Все подводы и отводы выполнены в трех вариантах : клеммница, штыревой соединитель "папа" и "мама" для проводов Dupont.
  3. Мощность всех резисторов (включая подстроечные) 0,5 ватт.
  4. В двух местах на плате (Е38 и Т37) провода перехлестываются, автор не смог провести их в плоскости платы, пустите их по "воздуху".

ТЕСТОВЫЙ СТЕНД

Прежде, чем начать работать с задатчиком напряжения, его нужно откалибровать. А для этого нам понадобится тестовый стенд, схема которого представлена ниже. Наша задача выставить с помощью подстроечных резисторов реальное напряжение на выходе с устройства в соответствии с заданным с помощью кнопок и отображаемым на экране LCD. После этого вы можете заменить в скетче вольтаж на регулируемый параметр, например, угол разворота лопастей ВРШ или положение пера руля.

Схема подключения задатчика для тестирования

Схема подключения задатчика для тестирования

Управлять системой можно с помощью двух кнопок : ВВЕРХ и ВНИЗ. Нажимая их, мы фактически будем менять скважность сигнала ШИМ с выходных пинов. При этом на LCD в верхней строчки вы увидите скважность сигнала (-255...+255) и номер пина с которого в данный момент идет передача сигнала. А в нижней - расчетный вольтаж на выходе с задатчика.

КАЛИБРОВКА

После того, как плата собрана, ее нужно откалибровать. Для этого загрузим в Arduino тестовый скетч, а затем подключим плату к PLC согласно схеме. Внимание! Следите за полярностью.

Подсоедините к выходным клеммам задатчика мультиметр. Кнопкой ВВЕРХ установите уровень ШИМ-сигнала 255, что соответствует расчетным +10В на выходе с устройства. Теперь с помощью потенциометра POTI1 установите +10В по мультиметру. Далее кнопкой ВНИЗ выставите уровень ШИМ-сигнала -255 (расчетные -10В). Затем подстроечным резистором POTI2 установите значение на тестере -10В. Калибровка закончена.

Естественно, при использовании данного задатчика в реальных приложениях, вам нужно заменить в скетче расчетные вольты на регулируемый параметр.

Стенд для калибровки

Стенд для калибровки

ЧТО НУЖНО ДЛЯ ПРОЕКТА

Задатчик двухполярного напряжения

Тестовый стенд