\chapter{Przetwornik pomiarowy}
\section{Opis układu}
Głównym celem pracy jest skonstruowanie układu do przetwarzania wartości pomiarowej w standardzie prądowym $4-20 mA$ do wartości w standardzie częstotliwościowym $1000 - 5000 Hz$. Schemat działania układu przedstawiony jest na poniższym diagramie \ref{przetw_dia}

\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[width=16cm]{img/przetw_dia}
		\caption{Schemat działania układu}
		\label{przetw_dia}
	\end{center}
\end{figure}

Sygnał przychodzący z czunika poziomu cieczy podany będzie na 10-bitowy przetwornik analogowy-cyfrowy znajdujący się wewnątrz mikrokontolera AVR. Sygnał przetwarzany jest do zmiennej wewnętrznej, która jest odpowiednio przetwarzna, tak aby na jej podstawie można było wygenerować sygnał wyjściowy (analogowy, PWM, częstotliwościowy).

\section{Budowa układu}

Układ oparty jest na mikroprocesorze AVR ATmega16 Do budowy układu wykorzystano większość z dostępnych w jego wnętrzu urządzeń. Rozmieszczenie połączeń do mikrokontrolera przedstawione jest na rysunku \ref{atmega16}. Wykaz zastosowanych oznaczeń (kolorów) przedstawiony jest w tabeli \ref{table:atmega16}.
\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[width=14cm]{img/atmega16}
		\caption{Wykaz połączeń}
		\label{atmega16}
	\end{center}
\end{figure}

\begin{table}[!h]
 \caption{wykaz oznaczeń połączeń}
 \centering
 \renewcommand{\arraystretch}{1.5}
 \begin{tabular}{r|l}
 \hline\hline
 kolor & opis \\ [0.5ex]
 \hline
	\includegraphics[width=0.35cm]{img/atmega16_re}& Napięcie zasilania (VCC)\\
	\includegraphics[width=0.35cm]{img/atmega16_bl}& Masa układu (GND)\\
	\includegraphics[width=0.35cm]{img/atmega16_db}& Wejścia cyfrowe\\
	\includegraphics[width=0.35cm]{img/atmega16_gr}& Klawiatura\\
	\includegraphics[width=0.35cm]{img/atmega16_lb}& Zewnętrzny oscylator kwarcowy\\
	\includegraphics[width=0.35cm]{img/atmega16_ma}& Wejście analogowe\\
	\includegraphics[width=0.35cm]{img/atmega16_or}& Wyjście cyforowe / analogowe\\
	\includegraphics[width=0.35cm]{img/atmega16_ye}& Wyświetlacz LCD\\ 
 \hline
 \end{tabular}
 \label{table:atmega16}
\end{table}


\clearpage
\subsection{Obwód zasilania}
Obwód zasilania układu składa się z dwóch elementów, pierwszy z nich stanowi przetwornica napięcia zasilającego (24/5V) jej schemat ideowy przedstawiony jest na rysunku \ref{przetw_zas}. Zbudowana jest ona w oparciu o układ regulatora \textbf{MC34063A} firmy ON Semiconductors. Zakres napięć wejściowych może wachać się od 21 do 27 V. Przetwornica generuje napięcie 5V o maksymalnym natężeniu 500 mA (max 1.5A z wykorzystaniem dodatkowego tranzystora przełączającego).
\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[width=13cm]{img/przetw_zas}
		\caption{Przetwornica zasilająca}
		\label{przetw_zas}
	\end{center}
\end{figure}

Drugim elementem obwodu zasilania jest inwerter napięcia użyty dla poprawy pracy wzmacniaczy operacyjnych zastosowanych w obwodach wyjściowych. Inwerterem napięcia jest układ scalony ICL7660S. Schemat ideowy układu inwertera napięcia przedstawiony jest na rysunku \ref{przetw_inv}.

\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[width=9cm]{img/przetw_inv}
		\caption{Inwerter napięcia}
		\label{przetw_inv}
	\end{center}
\end{figure}


\clearpage
\subsection{Obwody wejściowe}
Obwód wejść cyforwych zbudowany jest w oparciu o optoizolację, która zapewnia również przełożenie napięcia. W roli transoptora zastosowano układ CNY17. Odpowiedni dobór rezystorów R\_DIN i R\_TO pozwolił na uzyskanie przełożenia napięcia ze standardu przemysłowego na napięcie, operacyjne mikrokontolera. Schemat ideowy obwodów wejść cyfrowych znajduje się na rysunku \ref{przetw_wecy}.
\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[width=10cm]{img/przetw_wecy}
		\caption{Obwód wejść cyfrowych}
		\label{przetw_wecy}
	\end{center}
\end{figure}

Obwód wejść analogowych zbudowany jest w oparciu o dzielnik napięciowy oraz napięciowy próbnik prądu. Schemat ideowy obwodów wejść analogowych znajduje się na rysunku \ref{przetw_wean}.
\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[width=7cm]{img/przetw_wean}
		\caption{Obwód wejść analogowych}
		\label{przetw_wean}
	\end{center}
\end{figure}

\clearpage
\subsection{Obwody wyjściowe}
Obwód wyjścia cyfrowego zbudowany jest w oparciu o transoptor CNY17 zapewniający przełożenie napięcia oraz izolację optyczną obwodów mikorokontorlera i obwodów roboczych. Schemat ideowy układu wyjścia cyforwego przedstawiony jest na rysunku \ref{przetw_wycy}.
\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[width=8cm]{img/przetw_wycy}
		\caption{Obwód wyjść cyfrowych}
		\label{przetw_wycy}
	\end{center}
\end{figure}

Budowa wyjścia analogowego oparta jest na generatorze PWM mikrokontrolera. Układ wyjściowy jest trójstopniowy. Pierwszy stopień stanowi wzmacniacz operacyjny w układzie wtórnika napięciowego dla stabilizacji wyjścia mikrokontrolera. Kolejnym stopniem jest dolnoprzepustowy filtr RC, służący do uśrednienia wartości generowanej przez modulator PWM. Trzeci stopień stanowi przetwornik napięcie na prąd zbudowany w oparciu o wzmacniacz operacyjny i tranzystor IRF540. Potencjometr R3 służy do korekcji przetwarzania napięcia na prąd. Schemat ideowy układy przedstawiony jesty na poniższym rysunku \ref{przetw_wyan}.
\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[width=15cm]{img/przetw_wyan}
		\caption{Obwód wyjść analogowych}
		\label{przetw_wyan}
	\end{center}
\end{figure}

\clearpage
\section{Program}
Kod programu przetwornika znajduje się w załcznikach do pracy.

\section{Realizacja układu}
Realizacja układu sprowadzała się do opracowania wzorów płytek drukowanych panela użytkownika i płyty głownej urządzenia. 
\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
	    \subfigure[Schemat Ideowy]{\label{panel_sch}\includegraphics[width=5cm]{img/panel_sch}}
    	\subfigure[Wzór płytki]{\label{panel_brd}\includegraphics[width=5cm]{img/panel_brd}}
		\caption{Obwody panela}
	\end{center}
\end{figure}

\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[width=16cm]{img/przetw_sch}
		\caption{Schamat ideowy płyty głównej}
		\label{przetw_sch}
	\end{center}
\end{figure}

\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[width=14cm]{img/przetw_pcb}
		\caption{Wzrór obwodu drukowanego płyty głownej}
		\label{przetw_pcb}
	\end{center}
\end{figure}

Do układu przygotowana została również obudowana szynę DIN.
\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[width=13cm]{img/przetw_fot}
		\caption{Obuda układu}
		\label{przetw_fot}
	\end{center}
\end{figure}


\newpage

\clearpage
\section{Charakterystyki układu}

\subsection{Badanie toru pomiarowego}
W celu sprawdzenia poprawności przetwarzania przetwornika analogowo-cyfrowego przeprowadzono badanie toru pomiarowego. Na wejście przetwornika podawano napięcie i odczytywano wartość zmiennej wewnętrznej mikroprocesora reprezentującą mierzoną wielkość. Wyniki tego badania przedstawione są na wykresie \ref{plot_adc}.
\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[width=16cm]{img/plot_adc}
		\caption{Charakterystyka toru pomiarowego}
		\label{plot_adc}
	\end{center}
\end{figure}

Uzyskana charakterystyka wykazuje liniowość przetwarzania w pełnym zakresie pomiarowym.

\clearpage
\subsection{Badanie modulatora częstotliwości}
W celu sprawdzenia poprawności przetwarzania toru wyjściowego, przeprowadzono badanie modulatora częstotliwości. Zmienną wewnętrzną mikroprocesora odpowiadajacą za częstotliwość sygnału wyjściowego zmieniano w płenym jej zakresie i odczytywano częstotliwość sygnału wyjściowego. Wyniki tego badania przedstawione są na wykresie \ref{plot_fre}.

\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[width=16cm]{img/plot_fre}
		\caption{Charakterystyka toru pomiarowego}
		\label{plot_fre}
	\end{center}
\end{figure}

Uzyskana charakterystyka wykazuje liniowość przetwarzania w pełnym zakresie pomiarowym.