Создание АЦП с последовательным выводом информации

Техническое задание

Целью курсовой работы было создание рабочего модуля АЦП с минимальным количеством микросхем. Кроме того в связи с широким распространением современных микропроцессорных систем полезно уметь работать с этой элементной базой.

АЦП было решено построить на основе микроконтроллера ATmega8L производства фирмы Atmel.

1. Описание блок-схемы АЦП Базовая часть этой схемы — микроконтроллер ATmega8L.

Согласно техническому заданию диапазон входного сигнала лежит в пределах от -2 В до +2 В. Диапазон же входного сигнала АЦП от 0 до Vref (в данном случае Vref=4 В).

В связи с этим входной сигал сначала сдвигается входным сумматором на +2 В, а уже после поступает на несимметричный вход АЦП (PC0).

Импульс запуска поступает на вывод PB0 (весь порт настроен на ввод) и запускает преобразование.

По техническому заданию импульс запуска имеет амплитуду -5 В, и длительность 2 мкс. Следовательно, необходимо инвертировать сигнал запуска.

После завершения преобразования, результат измерения выводится в виде последовательных импульсов через вывод PD0 (весь порт настроен на вывод).

Так как выходные сигналы у используемого нами АЦП не превышают уровня +5 В, а по техническому заданию требуется, чтобы уровень логической единицы составлял +9 В, то на выходе АЦП нужно будет поставить компаратор, который и будет служить формирователем нужного уровня сигнала.

преобразователь микроконтроллер программа

2. Микроконтроллер ATmega8L

В состав модели ATmega8L входит модуль 10-разрядного АЦП последовательного приближения со следующими параметрами:

· Абсолютная погрешность: +/- 2 МЗР

· Интегральная нелинейность: +/- 0,5 МЗР

· Быстродействие: до 15 тыс. выборок/с.

На входе модуля АЦП имеется 8-канальный аналоговый мультиплексор. У выбранного мной микроконтроллера, выпускаемого в корпусе DIP-32, есть только 6 каналов преобразования, кроме того два канала (ADC4 и ADC5) являются 8-разрядными.

Для наших целей понадобиться только один 10-разрядный канал преобразования.

В качестве источника опорного напряжения для АЦП может использоваться как напряжение питания микроконтроллера, так и внутренний либо внешний источник опорного напряжения.

В процессе работы АЦП может функционировать в двух режимах:

· Режим одиночного преобразования, когда запуск каждого преобразования инициируется пользователем.

· Режим непрерывного преобразования, когда запуск преобразований выполняется непрерывно через определённые промежутки времени.

Для управления модуля АЦП используются несколько следующих регистров:

§ ADCSRA — регистр управления и состояния.

§ ADMUX — регистр управления мультиплексором и выбор источника опорного напряжения.

§ SFIOR — регистр специальных функций.

(Для решения поставленной задачи данный регистр не использовался.)

Табл. № 1. Разряды регистра ADCSRA.

Регистр ADCSRA = 0b10001101 (0x8D) .

ADEN=1, АЦП — включен.

ADSC=0, Преобразование начинается с установкой этого бита. После завершения преобразования этот бит аппаратно сбрасывается в ноль.

ADFR=0, Режим одиночного преобразования. Каждое преобразования запускается пользователем.

ADIF=0, После завершения преобразования этот разряд устанавливается в 1-ку и генерирует запрос на прерывание.

ADIE=1, Разрешение прерывание от компаратора.

ADPS2:ADPS0 =101, Частота преобразования 125 кГц.

Для формирования тактовой частоты модуля АЦП в нем имеется отдельный определитель. Коэффициент деления и соответственно длительность преобразования определяется состоянием разрядов ADPS2… ADPS0.

Наибольшая точность преобразования достигается, если тактовая частота АЦП находится в пределах от 50…200 кГц.

В нашем случае тактовая частота МК выбрана 4 МГц, а тактовая частота АЦП — 125 кГц.

Табл. № 2. Разряды регистра ADMUX.

Для наших нужд вполне достаточно использовать один канал с несимметричным входом- -ADC0.

В данной модели выводы МК, подключенные к входу АЦП, определяются состоянием разрядов MUX3… MUX0 регистра ADMUX согласно таблице:

В данном случае значение регистров MUX3… MUX0 = 0000 .

Согласно требованиям технического задания диапазон изменения входного сигнала составляет от -2 В до +2 В. Диапазон модуля АЦП ATmega 8 составляет от 0 до Vref.

Vref=4 В. В качестве источника Vref, как уже говорилось выше, можно использовать как AVcc так и внешний или внутренний ИОН.

Выбор конкретного источника питания зависит от состояний старших разрядов REFS1: REFS0 регистра ADMUX.

Регистр ADMUX = 0b00000000 (0×00).

Входной сумматор Сумматор на входе обеспечивает нужный диапазон входного сигнала на АЦП от 0 до 4 В.

Схема выполнена на основе операционного усилителя OPA404AG.

R₁=R₃=R₄=(R₂+RV₁)=R₂^I = 10 кОм.

§ U^I — U_cc =R₄*(U_вх — U_cc)/(R₄ + R₃)= (U_вх — U_cc)/2 ;

§ U^I= (U_вх + U_cc)/2 ;

U_вых=R₁* U^I /R₂^I+ U^I

Коэффициент усиления K= U_вых /U^I=2

Напряжение опоры сумматора (U_cc=+2 В) формируется делителем и подается на сумматор через повторитель, реализованный на основе аналогичного операционного усилителя OPA404AG.

3. Компаратор Компаратор на выходе обеспечивает нужный уровень выходного сигнала +9 В.

Компаратор на выходе формирует нужный уровень логического сигнала +9 В.

Для реализации данного требования технического задания был выбран компаратор LM139 фирмы PHILIPS.

Данный компаратор как раз применяется для сопряжения ТТЛ и КМОП схем.

Возможно однополярное питание от 2 до 32 В. В

4. Схема запуска преобразования По техническому заданию импульс запуска преобразования имеет амплитуду -5 В и длительность 2 мкс.

Соответственно стояла задача инвертировать сигнал.

В стационарном режиме транзистор 2N2369 (PHILIPS) закрыт.

В момент поступления отрицательного импульса транзистор открывается.

U_R10= -0.7+5=4.3 В; I_R10= U_R10/R₁₀=4.3/470=9.1 (мА).

Соответственно потенциал коллектора падает, формируя сигнал логического нуля на инверторе К155ЛН1. Логическаяединица с выхода инвертора поступает на PB.0.

Питание Для обеспечения работоспособности представленной схемы требуются следующие номиналы напряжений:

+15 В — Питание операционных усилителей.

+9 В — Питание компаратора.

+5 В — Питание логики, самого микроконтроллера и транзисторной схемы инвертирования импульсов запуска преобразования.

Напряжение питания компаратора обеспечивается источником питания +15 В.

Напряжение +5 В удобнее организовать от отдельного источника.

Для обеспечения требуемых точных напряжений:

+4 В — Опорное напряжение для АЦП.

+2 В — Опорное напряжение для входного сумматора.

Была выбрана микросхема ИОН REF5040 производства фирмы Texas Instruments.

С помощью делителя выставляется точное значение напряжения +4 В. Ток делителя не должен превышать 10 мА, так как это максимальный ток нагрузки REF5040. Ток делителя в схеме выбран порядка 5 мА — это половина выходного диапазона вполне подходит для стабильной работы ИОН и этого тока вполне хватает для потребителей: AVcc и вход ОУ.

Входное напряжение V_in для микросхемы REF5040 лежит в диапазоне 4,296…18 В, так что можно запитывать ИОН от основного источника +15 В.

Уже с этого точного значения формируется опорное напряжение сумматора +2 В.

Делители отгорожены друг от друга повторителем на ОУ OPA404AG.

Требования к источнику питания +15 В:

Непосредственно то источника питания +15 В питаются только операционные усилители, микросхема ИОН, а также делитель напряжения формирующий напряжения питания компаратора.

§ Максимальный ток потребления ОУ OPA404AG — 10 мА *4.

§ Ток потребления ИОН REF5040 — 1 мА

§ Ток делителя на +9 В — 0.7 мА Источник +15 В должен обеспечить ток нагрузки порядка 45 мА.

Требования к источнику питания +5 В:

От источника питания +5 В питаются микроконтроллер, инвертор К155ЛН1 и схема инвертирования импульсов запуска.

§ Ток потребления микроконтроллера в активном режиме — 3.6 мА.

§ Ток потребления К155ЛН1 — 33 мА (при низком уровне выходного сигнала).

§ Максимальный ток потребления схемы инвертирования импульсов запуска — 9.1 мА.

Источник +5 В должен обеспечить ток нагрузки порядка 46 мА.

5. Программа микроконтроллера Программа микроконтроллера написана в среде программирования CodeVision и протестирована в программе эмуляции Proteus 7.

Текст программы:

/*****************************************************

Project: ADC Kyrkin 3

Version: 1.2

Date: 24.04.2009

Author: Гавриленко Д.Е.

Company: Home

Chip type: ATmega8

Program type: Application

Clock frequency: 4,0 MHz

Memory model: Small

External SRAM size: 0

Data Stack size: 256

*****************************************************/

#include

#include

#include

#define ADC_VREF_TYPE 0×00

unsigned char start_flag=0; // Переменная сигнала старта преобразования.

unsigned int adc_data; // Переменная данных.

// ADC interrupt service routine

interrupt [ADC_INT] void adc_isr (void)

{

adc_data=ADCW; //Запись результата преобразования в переменную.

start_flag=2; //Установка начала вывода результатов измерений через ножку PORTD.0 в основном цикле.

//ADCSRA=0x8D; // Установка в 0 флага прерывания от компаратора (бит ADIF).

}

// Declare your global variables here

void main (void)

{

// Declare your local variables here

// Input/Output Ports initialization

// Port B initialization

// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In

// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T

PORTB=0×00;

DDRB=0×00;

// Port C initialization

// Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In

// State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T

PORTC=0×00;

DDRC=0×00;

// Port D initialization

// Func7=Out Func6=Out Func5=Out Func4=Out Func3=Out Func2=Out Func1=Out Func0=Out

// State7=0 State6=0 State5=0 State4=0 State3=0 State2=0 State1=0 State0=0

PORTD=0×00;

DDRD=0xFF;

// Timer/Counter 0 initialization

// Clock source: System Clock

// Clock value: Timer 0 Stopped

TCCR0=0×00;

TCNT0=0×00;

// Timer/Counter 1 initialization

// Clock source: System Clock

// Clock value: Timer 1 Stopped

// Mode: Normal top=FFFFh

// OC1A output: Discon.

// OC1B output: Discon.

// Noise Canceler: Off

// Input Capture on Falling Edge

// Timer 1 Overflow Interrupt: Off

// Input Capture Interrupt: Off

// Compare A Match Interrupt: Off

// Compare B Match Interrupt: Off

TCCR1A=0×00;

TCCR1B=0×00;

TCNT1H=0×00;

TCNT1L=0×00;

ICR1H=0×00;

ICR1L=0×00;

OCR1AH=0×00;

OCR1AL=0×00;

OCR1BH=0×00;

OCR1BL=0×00;

// Timer/Counter 2 initialization

// Clock source: System Clock

// Clock value: Timer 2 Stopped

// Mode: Normal top=FFh

// OC2 output: Disconnected

ASSR=0×00;

TCCR2=0×00;

TCNT2=0×00;

OCR2=0×00;

// External Interrupt (s) initialization

// INT0: Off

// INT1: Off

MCUCR=0×00;

// Timer (s)/Counter (s) Interrupt (s) initialization

TIMSK=0×00;

// Analog Comparator initialization

// Analog Comparator: Off

// Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off

ACSR=0×80;

SFIOR=0×00;

// ADC initialization

// ADC Clock frequency: 125,000 kHz

// ADC Voltage Reference: AVCC pin

ADMUX=ADC_VREF_TYPE;

ADCSRA=0x8D;

PORTD.5=1;

// Global enable interrupts

#asm («sei»)

while (1)

{

int i;

if (PINB==1) //Если на PB.0 приходит импульс начала измерений.

{

ADCSRA=0xCD; //Установка в 1-ку бита ADSC. Запуск преобразования.

}

if (start_flag==2) //Вы полнение условия обработчика прерываний.

{

for (i=1;i<=9;i++)

{

PORTD.0=(adc_data>>i)&1; //Отсекли младший байт. Выводим поочередно результат.

PORTD.5=~PORTD.5;

delay_us (10);

} start_flag=0; //Сбрасываем «start_flag» в ноль.

}

if (start_flag==0) PORTD=0;

}

}

Спецификация

Временные диаграммы:

1. Сигнал с выхода АЦП U_вх=0.664 В.

2. Эталонный сигнал — сигнал инвертировался каждый раз при выполнении цикла.

3.Сигнал запуска преобразования.

4.Выходной сигнал компаратора. Уровень логической единицы +9 В.

1) П. Хоровиц, У. Хил, Искусство схемотехники, Т1, Т2, Москва, 1986.

2) У. Титце, К. Шенк, Полупроводниковая схемотехника, Москва, 1982.

3) А. В. Евстифеев, Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL, Москва 2007.

4) Ю. Ревич, Практическое программирование микроконтроллеров ATMEL AVR на языке ассемблера, Санкт-Петербург 2008.

5) Б. В. Тарабрин, C.В. Якубовский, Справочник по интегральным микросхемам, Москва, 1981.