Устройство преобразования аналоговых сигналов

ЗАДАНИЕ на контрольную работу по дисциплине

«Основы микропроцессорной техники»

1. Тема работы: «Устройство преобразования аналоговых сигналов».

2. Исходные данные к работе

2.1. Назначение: многоканальное преобразование аналоговых сигналов в последовательность двоичных кодов, обработка кодов и преобразование результатов обработки в сигнал с ШИМ.

2.2. Элементная база: микроконтроллер PIC16F628, АЦП AD7819, остальные элементы — по выбору студента.

2.3. Технические требования: входное сопротивление — не менее 100 кОм; диапазон входного напряжения — от 0 до 10 В; сопротивление нагрузки — не менее 100 Ом; число входных каналов — 1; число выходных каналов — 1.

3. Структура работы

3.1. Пояснительная записка содержит следующие разделы: задание, введение, анализ технического задания, разработка структурной схемы, разработка функциональной схемы.

3.2. Функциональная схема выполняется на отдельном листе в соответствии с требованиями ЕСКД.

Содержание Введение

1. Анализ технического задания

2. Разработка структурной схемы

2.1 Входное буферное устройство

2.2 Аналого-цифровой преобразователь

2.3 Устройство цифровой обработки сигнала

2.4 Широтно-импульсный модулятор

2.5 Устройство согласования разрядности

2.6 Выходное буферное устройство

2.7 Структурная схема устройства

3. Разработка функциональной схемы

3.1 Аналого-цифровой преобразователь AD7819

3.2 Входное буферное устройство

3.3 Контроллер PIC16F628

Заключение

Список использованных источников

Введение

Преобразование информации к виду, удобному для использования в различных устройствах, является важной задачей в системах управления. Долгое время предпочтение отдавалось аналоговой обработке сигналов, так как предназначенные для этого элементная база (пассивные элементы, операционные усилители) технологически более просты в изготовлении и применении.

С развитием микроэлектроники в аппаратуре управления стали более широко применяться микрокомпьютеры, что позволило существенно упростить цикл разработки и изготовления изделия, так как разработка устройства всё более сводилась к разработке программного обеспечения С появлением универсальных однокристальных микроконтроллеров эта тенденция в разработке электронной аппаратуры была доведена до своеобразного завершения. Стало возможным создавать цифровые устройства различного назначения на основе одной и той же конфигурации аппаратных средств.

В настоящее время многими поставщиками выпускаются 8-, 16-, 32-разрядные однокристальные микроконтроллеры с емкостью памяти команд до нескольких десятков Кбайт, небольшими ОЗУ данных и встроенным набором таких интерфейсных и периферийных устройств, как параллельные и последовательные порты ввода/вывода, таймеры, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, широтно-импульсные модуляторы и т. д.

Сфера применения сверхбольших интегральных схем (СБИС) программируемой логики (ПЛ) чрезвычайно широка; на них могут строиться не только крупные блоки систем, но и системы в целом, включая память и процессоры. Области применения СБИС ПЛ уточняются в дальнейшем, однако предварительно можно отметить важность таких применений, как отработка прототипов систем при их проектировании (даже если конечная реализация систем рассчитана на другие средства) и создание малотиражных изделий быстрыми и эффективными способами.

Данная работа посвящена разработке устройства преобразования и цифровой обработки аналоговых сигналов с применением однокристального микроконтроллера. Устройство разработано в учебных целях.

1. Анализ технического задания В данной работе необходимо разработать устройство, которое будет осуществлять преобразование входного аналогового сигнала, изменяющегося в диапазоне от 0 до 10 В в последовательность двоичных кодов, а затем, после обработки некоторым алгоритмом, не описанным в техническом задании, преобразовывать получившийся цифровой код в сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Входное сопротивление устройства должно быть не менее 100 кОм, по выходу следует обеспечить работу с сопротивлением нагрузки не менее 100 Ом. Для преобразования аналогового сигнала в код необходимо использовать 8-разрядный АЦП последовательного приближения AD7819, коды с которого должны обрабатываться микроконтроллером PIC16F628.

2. Разработка структурной схемы Как следует из технического задания, разрабатываемое устройство должно состоять из следующих основных модулей:

1. Аналого-цифровой преобразователь;

2. Устройство цифровой обработки сигнала, преобразующее цифровые коды по определённому (не указанному в техническом задании) алгоритму;

3. Преобразователь цифрового кода в сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Кроме перечисленных модулей, возможно, понадобятся дополнительные устройства:

1. Буферное устройство, обеспечивающее оговоренное в техническом задании входное сопротивление схемы и диапазон входных напряжений;

2. Устройство для согласования разрядности АЦП с разрядностью входного порта арифметического устройства;

3. Буферное устройство, обеспечивающее работу ШИМ-преобразователя на оговоренную в техническом задании нагрузку.

Поскольку основная элементная база указана в техническом задании, проанализируем характеристики используемых микросхем с точки зрения необходимости включения в структурную схему тех или иных функциональных блоков.

2.1 Входное буферное устройство Типовая схема включения АЦП AD7819 показана на рис. 2.1.

Как видно из рисунка, в типовой схеме включения измеряемый сигнал подаётся на вход АЦП без каких-либо входных устройств. Согласно техническим характеристикам микросхемы, вход измеряемого напряжения характеризуется следующими параметрами:

— ток утечки при максимальном входном напряжении не более 1 мкА;

— входная ёмкость не более 15 пФ.

По этим данным входное активное сопротивление можно оценить как что значительно превышает требуемую в техническом задании величину 100 кОм.

Оценим максимальную частоту входного сигнала, при котором входное реактивное сопротивление входное реактивное сопротивление микросхемы, обусловленное входной ёмкостью не превышает 100 кОм.

преобразование аналоговый сигнал Таким образом, если выдвинутые в техническом условии требования касаются также реактивного сопротивления, то частота входного сигнала не должна превышать 100 кГц. Поскольку техническое задание никак не конкретизирует этот вопрос, считаем, что АЦП обеспечивает требуемое входное сопротивление.

Рассмотрим теперь вопрос о диапазоне входных напряжений.

Согласно технической документации, диапазон входных напряжений АЦП простирается от 0 В до величины опорного напряжения. Так как никаких особых требований к стабильности опорного напряжения в техническом задании не оговорено, применим типовое включение микросхемы, совместив опорное напряжение с напряжением питания.

Напряжение питания микросхемы может меняться от 2,7 до 5,5 В. В этом диапазоне нет ни одного предпочтительного напряжения по ГОСТ 29 322–92, однако есть четыре дополнительных напряжения по тому же ГОСТу: 3; 4; 4,5 и 5 В. Выбор конкретных напряжений питания для микросхемы отложим до рассмотрения характеристик других используемых элементов, однако заметим, что в любом случае входные напряжения, которые можно непосредственно подавать на вход АЦП, не превышают его напряжения питания, а значит между сигнальным входом устройства и измерительным входом АЦП необходимо предусмотреть согласующее устройство, представляющее собой линейный делитель напряжения с коэффициентом деления Выбор конкретной схемы делителя будет произведён в разд. 3, пока же отметим, что входное буферное устройство в схеме понадобится. Его функцией будет согласование диапазона входных напряжений устройства с диапазоном входных напряжений используемого АЦП.

Рис. 2.1. Типовая схема включения АЦП AD7819

2.2 Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь является обязательным компонентом, регламентированным техническим заданием. В разрабатываемом устройстве в соответствии с требованиями технического задания будет применён АЦП AD7819.

2.3 Устройство цифровой обработки сигнала

В качестве устройства цифровой обработки сигнала в соответствии с требованиями технического задания будет применён микроконтроллер PIC16F628.

2.4 Широтно-импульсный модулятор Согласно технической документации на микроконтроллер PIC16F628, в его составе имеется встроенный 10-разрядный ШИМ с управляемой длительностью минимального интервала. Таким образом, отпадает необходимость в отдельном устройстве ШИМ. Следует учесть, что выход ШИМ — это альтернативная функция линии RB3 порта B микроконтроллера. Таким образом, использование внутреннего ШИМ уменьшает на единицу доступное количество линий ввода/вывода микроконтроллера.

2.5 Устройство согласования разрядности Согласно технической документации на АЦП AD7819 и микроконтроллер PIC16F628, АЦП имеет 8-разрядную шину для вывода кода измеренного напряжения. Микроконтроллер имеет два 8-разрядных порта ввода/вывода (один из выводов порта, А работает только на вход), однако практически все выводы микросхемы могут совмещать функции, то есть использоваться для каких-то других целей.

Предварительно установим, что все вывода порта, А микросхемы будут использованы для считывания кода с АЦП.

Кроме того для управления АЦП используются четыре сигнала:

— CONVST — вход, на который поступает сигнал о начале преобразования;

— BUSY — выход, сигнализирующий о том, что в АЦП ещё не закончен процесс преобразования;

— CS — вход выбора кристалла, необходимый в устройствах с шинной организацией при наличии нескольких периферийных устройств;

— RD — вход чтения, необходимый в устройствах с шинной организацией для вывода на шину данных выходного кода АЦП.

Каждый из этих сигналов, в случае, если он будет использован, потребует одной линии ввода или вывода микроконтроллера. Таким образом, максимальное количество линий ввода/вывода, необходимое для взаимодействия контроллера с АЦП составляет 12, что не превышает общего количества линий портов, А и В, даже с учётом того, что одна из линий будет перепрограммирована как выход ШИМ.

С учётом этих соображений, устройство согласования разрядности в схеме не потребуется.

2.6 Выходное буферное устройство Для обеспечения работы выхода ШИМ на сопротивление нагрузки 100 Ом может потребоваться выходной буферный формирователь.

Максимальный нагрузочный ток портов ввода/вывода микропроцессора составляет 200 мА, что на сопротивлении 100 Ом даёт падение напряжения 20 В. Это заведомо превышает напряжение питания схемы и, следовательно, возможные значения напряжения на выходах портов. Таким образом, микропроцессор без каких-либо дополнительных буферных элементов обеспечивает работу на сопротивление нагрузки 100 Ом, которое требует техническое задание.

2.7 Структурная схема устройства Структурная схема устройства показана на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Структурная схема устройства

3. Разработка функциональной схемы

3.1 Аналого-цифровой преобразователь AD7819

Аналого-цифровой преобразователь AD7819 представляет собой высокоскоростной совместимый с микропроцессорами 8-разрядный АЦП последовательного приближения с производительностью 200 тыс. преобразований в секунду. Микросхема питается от одного источника напряжением от 2,7 до 5,5 В, содержит преобразователь последовательного приближения с временем преобразования 4,5 мкс, внутренний тактовый генератор и 8-битный входной интерфейс, совместимый с шинами микропроцессоров и цифровых сигнальных процессоров.

АЦП имеет режим пониженного энергопотребления, в котором автоматически отключается от питания после окончания преобразования и автоматически включается по сигналу о начале преобразования.

Микросхема поставляется в 16-выводном пластиковом DIP-корпусе шириной 7,5 мм, 16-выводном корпусе SOIC шириной 3,75 мм, а также в корпусе TSSOP.

Диапазон входных напряжений 0… U_REF, где U_REF — опорное напряжение, которое может находится в диапазоне от 1,2 В до напряжения питания.

Функциональная схема АЦП AD7819 представлена на рис. 3.1, типовая схема включения — на рис. 2.1.

Рис. 3.1 Функциональная схема АЦП AD7819 фирмы Analog Devices

3.2 Входное буферное устройство Как было установлено в предыдущем разделе, в схеме необходимо буферное устройство, которое должно согласовать диапазон входных напряжений измеряемого сигнала с диапазоном входных напряжений АЦП.

Существуют две очевидных схемы, по которым можно реализовать входной делитель:

1. Пассивный резистивный делитель, высокое входное сопротивление которого обеспечивается номиналами сопротивлений;

2. Активный делитель на операционном усилителе (ОУ), высокое входное сопротивление которого обеспечивается применением ОУ с полевыми транзисторами на входе и соответствующей схемой включения.

Сначала рассмотрим схему резистивного делителя, как наиболее простую (рис. 3.2).

Рис. 3.2 Резистивный делитель Коэффициент деления в этой схеме равен, а входное сопротивление откуда При (U_п = 5 В) имеем при (U_п = 3 В)

Так как сопротивление примерно в 100 раз больше, им при расчётах можно пренебречь, а небольшую погрешность коэффициента деления скорректировать подстроечным резистором R2.

Таким образом, схема рис. 3.2 удовлетворяет условиям технического задания. Более сложную схему с применением ОУ не рассматриваем.

3.3 Контроллер PIC16F628

Контроллер PIC16F628 представляет собой 8-разрядный однокристальный микропроцессор производства компании Microchip Technology Inc., изготовленный по технологии КМОП, с флэш-памятью программ и электрически перепрограммируемым ПЗУ данных.

Микропроцессор имеет тактовую частоту до 20 МГц (машинный такт 50 нс), 35 команд со временем выполнения 1 машинный цикл (200 нс) или 2 машинных цикла (400 нс, только команды перехода). Объём флэш-памяти программ составляет 2048?14 бит, ОЗУ данных — 224?8 бит, ППЗУ данных — 128?8 бит. Микропроцессор имеет 16 специальных аппаратных регистров, прямой, косвенный и относительный режим адресации, 8-уровневый стек, систему прерываний.

Микропроцессор оснащён большим набором периферийных устройств, среди которых с точки зрения реализации технического задания вызывают интерес:

— Порты ввода/вывода (всего 16 линий ввода/вывода, функции которых, однако, совмещены с функциями других устройств). Порты в режиме вывода обладают высокой нагрузочной способностью, что в ряде случаев позволяет отказаться от буферных усилителей;

— Модуль ШИМ разрядностью 10 бит.

Диапазон напряжений питания микроконтроллера составляет 3…5,5 В, то есть практически совпадает с диапазоном напряжений питания АЦП AD7819.

Функциональная схема микроконтрллера приведена на рис. 3.3.

Рис. 3.3 Функциональная схема микроконтроллера PIC16F628

Вышеприведённых технических данных о микроконтроллере PIC16F628 достаточно, чтобы сделать определённые выводы о составе оборудования конструируемого устройства.

Наличие в составе микроконтроллера встроенного ШИМ исключает необходимость в ШИМ в виде отдельного модуля.

Поскольку диапазоны изменения напряжения питания АЦП и микропроцессора, а также диапазон изменения опорного напряжения АЦП, совпадают, можно взять любое из установленных в ГОСТ 29 322–92 стандартных напряжений питания: 3; 4; 4,5 и 5 В. Так как в техническом задание нет никаких указаний о напряжении питания, возьмём наименьшее из вышеперечисленных напряжений (3 В), чтобы обеспечить максимальную экономичность устройства. Выбор напряжения питания не влияет на работоспособность устройства, за исключением делителя напряжения, который при напряжении питания 3 В должен иметь коэффициент деления, равный 3,33. В этом случае

и для обеспечения требуемого входного сопротивления Примем для одно из стандартных номинальных значений соответствующее значение должно быть равно

Возьмём тогда для обеспечения гарантированной подстройки делителя во всём диапазоне изменения значений сопротивлений и подстроечное сопротивление возьмём равным 10 кОм.

Поскольку, как было сказано в предыдущем разделе, в схеме планируется использование внутреннего ШИМ микроконтроллера, АЦП будет единственным периферийным устройством, которому может понадобиться адресация. Учитывая это, целесообразно подать выходы данных АЦП непосредственно на входы микроконтроллера Кроме того, для нормального функционирования АЦП необходимо обеспечить правильные сигналы на входах RD (чтение выходного слова), CS (выбор кристалла), CONVST (начало преобразования). Первые два сигнала не актуальны, так как в схеме нет других периферийных устройств, а АЦП по шине данных работает только на выход. Таким образом, эти два входа можно сделать постоянно активными, подключив их к общему проводу.

Вход CONVST также можно задействовать различными способами. Можно подавать сигнал начала преобразования по одной из линий порта ввода/вывода арифметического устройства, а можно при необходимости (для экономии линий ввода/вывода) запускать преобразование внешним генератором. Поскольку, как было указано в предыдущем разделе, нет недостатка в свободных линиях ввода/вывода микроконтроллера, запуск АЦП будем осуществлять программно, подавая на вход CONVST сигнал отрицательной полярности с одной из линий порта В.

В АЦП есть также сигнал BUSY, который сообщает внешним устройствам о том, что АЦП либо занято процессом преобразования, либо процесс закончен, и по линиям данных можно прочитать результат преобразования. При необходимости без этого сигнала можно обойтись, если после запуска производить чтение результата через определённое время, которое обеспечит гарантированное окончание процесса (то есть временная задержка должна быть более 4,5 мкс). Временную задержку можно реализовать программно. Однако, поскольку микроконтроллер имеет достаточное количество линий ввода/вывода, выделим одну из линий порта В для опроса состояния АЦП.

Так как в техническом задании не указаны требования к точности временных характеристик выходного сигнала, используем внутренний RC-тактовый генератор микроконтроллера, имеющий точность поддержания частоты 1%.

Функциональная схема устройства представлена в прил. А.

Заключение

При выполнении работы были проведены расчеты основных элементов схемы, результатом работы стало получение функциональной схемы устройства, способного выполнять преобразование аналогового сигнала в цифровой код, а затем после обработки его — в сигнал ШИМ с нагрузочной способностью на выходе не менее 100 Ом.

Список использованных источников

1. Микропроцессоры: В 3кн. Кн. 2: Средства сопряжения. Контролирующие и информационно — управляющие системы: Учебник для технических вузов / В. Д. Вернер, Н. В. Воробьёв, А. В. Горячев и др.; под ред. Л. Н. Преснухина. — Мн.: Выс. шк., 1987. — 303 с.

2. Щелкунов Н. Н., Дианов А. П. Микропроцессорные средства и системы / Н. Н. Щелкунов, Дианов А. П. — М: Радио и связь, 1989. — 288 с.

3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл; пер. с англ. Б. Н. Пронина [и др.] - М.: Мир, 1998. — 704 с.

4. AD7819 — 2.7 V to 5.5 V, 200 kSPS 8-Bit Sampling ADC [Электронный ресурс] / Analog Devices, Inc., USA, 1999. — Режим доступа:

http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7819.pdf.

5. PIC 16F62X. Однокристальные 8-разрядные FLASH CMOS микроконтроллеры компании Microchip Technology Inc. [Электронный ресурс] — М.: Микро-чип, 2001. — 148 с. — Режим доступа: http://scbist.com/datasheets/microchip/articles/PIC18FXX2_manual.pdf.