RmJ6oqBKgl

1.3. Инструментальные усилители

При построении схем усилителей с симметричными входами, например, усилителей сигналов дифференциальных датчиков (давления, температуры и др.) требуется обеспечение одинаковых входных сопротивлений и коэффициентов передачи по инвертирующему и не инвертирующему входам. Производители предлагают готовые схемные решения на базе микросхем, обеспечивающих симметрию за счет мультиусилительного внутреннего построения. При создании схем на их базе разработчик должен выбрать принцип обеспечения требуемого усиления, поэтому выбор микросхемы идет поэтапно.

1.Выбор микросхемы по принципу обеспечения усиления: ∙ с фиксированным усилением; ∙ с усилением, определяемым внешним резистором;

∙ с усилением, задаваемым кодом на внешних выводах.

2.Важным фактором выбора становятся следующие характеристики:

∙точность поддержания будущего усиления;

∙температурный дрейф усиления.

3. Основной областью применения инструментальных усилителей является построение измерительных схем, поэтому на следующем этапе микросхемы выбираются по точностным характеристикам:

∙напряжение смещения;

∙дрейф входного смещения;

∙входной ток.

4. Следующие этапы выбора аналогичны выбору микросхем усилителей общего применения.

				Таблица 4
		Микросхема INA326EA
		Производитель «Texas Instruments»
	Напряжение питания	5,5 В	Рабочий диапазон	От –40
			температур	до +125 ° С
	Обеспечение	Внешний	Дополнительные параметры
	усиления	резистор
	Точность усиления	0,2 %	Входной ток	2 нА
	Дрейф усиления	25 ppm/° С	Выходной ток	10 мА
	Полоса пропускания	1 КГц	Напряжение смещения	100 мкВ
	Тип корпуса	MSOP	Дрейф входного смещения	20 мкВ/° С
	Поставщик	«Компэл»	Выходное напряжение	Uп 0,005В
	Стоимость	95 руб.	Ток потребления	3,7 мА
	Срок поставки	Склад	–	–

Пример требований к разработке:

∙задание усиления – внешний резистор;

∙точность поддержания усиления – менее 0,5 %;

11

∙температурный дрейф усиления – не более 100 ppm/° С;

∙напряжение смещения – не более 200 мкВ;

∙дрейф напряжения смещения – не более 0,4 мкВ/° С;

∙входной ток – не более 10 нА;

∙класс аппаратуры – «Industrial».

Возможный вариант выбора микросхемы на основе заданных требований представлен в табл. 4.

1.4. Компараторы

Компараторы относятся к специализированной разновидности операционных усилителей и представляют собой устройства сравнения двух входных сигналов с формированием результата в цифровом формате. В качестве одного из сигналов часто используется эталонный уровень, и устройство превращается в индикатор превышения порогового значения. Устройство относится к комбинированным, так как входные сигналы аналоговые, а выходной – цифровой. Перечислим этапы выбора микросхемы.

1.На основе анализа типа цифровых микросхем, устанавливаемых на выходе компаратора, задаются логические уровни выходного сигнала (ТТЛ, ЭСЛ или КМОП).

2.Как правило, основным параметрическим требованием к компаратору является его быстродействие, поэтому на втором этапе выбирают микросхемы, имеющие задержку распространения сигнала меньше требуемой.

3.Далее осуществляется выбор микросхем по точности сравнения двух сигналов, определяемых напряжением смещения компаратора.

			Таблица 5
	Микросхема ADSCMP608
	Производитель «Analog devices»
Напряжение питания	До 5,5 В	Ток потребления	1.3 мА
Входное напряжение	VCC	Выходное напряжение	VCC-0,4
Напряжение	3 мВ	Тип корпуса	SC-70
смещения
Коэффициент	80 dB	Поставщик	ООО
усиления			«ЭЛТЕХ»
Рабочий диапазон	От –40	Стоимость	50 руб.
температур	до +125 ° С
Выходной ток	50 мА	Срок поставки	Склад

Пример требований к разработке:

∙тип выхода – TTL;

∙задержка сигнала – 100 нс;

∙ток потребления – 3 mA;

12

∙напряжение смещения – 10 мВ;

∙входной ток – 10 мкА;

∙класс аппаратуры – «Industrial».

Возможный вариант выбора микросхемы на основе заданных требований представлен в табл. 5.

2. АНАЛОГОВО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преобразования аналоговых входных сигналов в цифровую форму. Обычно их выходной двоичный код линейно пропорционален уровню входного сигнала. Существует несколько принципов построения АЦП.

Принцип двойного интегрирования. Наиболее прост в реализации, основан на заряде емкости и измерении времени ее разряда, но имеет очень большое время преобразования (пропорциональное числу дискретов) и, соответственно, может использоваться только в инерционных устройствах, например, в бытовых тестерах.

АЦП параллельного типа. Состоит из большого числа компараторов, их количество и уровень срабатывания соответствует числу градаций АЦП. Таким образом достигается параллельность работы. Номер последнего сработавшего компаратора определяет уровень входного сигнала; этот номер преобразуется в двоичную форму и передается на выход. Такой принцип обладает самым высоким быстродействием, определяемым только быстродействием компараторов, и используется для преобразования широкополосных сигналов, например, в телевидении. К недостаткам преобразователей этого типа следует отнести очень большую мощность потребления и невозможность построения высокоразрядных преобразователей.

АЦП последовательного приближения (поразрядного уравновешивания).

Это наиболее широко используемый и производимый тип преобразователей. Сочетает в себе относительную простоту реализации и время преобразования, пропорциональное разрядности. Обычно содержит специализированный цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), во время работы последовательно включающий разряды, начиная со старшего. На его выходе располагается компаратор, сравнивающий выходной сигнал с ЦАП со входным. Если входной сигнал меньше, разряд остается включенным, а если больше – сбрасывается. Таким образом, после завершения перебора всех разрядов код ЦАП является выходным кодом АЦП.

АЦП сигма-дельта. Принцип работы основан на следящей за уровнем входного сигнала петле обратной связи. Этот тип преобразователей имеет наиболее широкие возможности построения высокоточных многоканальных систем, в том числе, и промышленного применения.

13

При выборе АЦП усилителя следует принимать к рассмотрению его следую-

щие параметры:
∙ производитель;	∙ статическая ошибка нуля;
∙ принцип преобразования;	∙ температурный дрейф нуля;
∙ разрядность;	∙ напряжение питания;
∙ внешний интерфейс;	∙ потребляемый ток;
∙ уровень входного сигнала;	∙ тип корпуса;
∙ время преобразования;	∙ рабочий диапазон температур;
∙ опорное напряжение;	∙ поставщик;
∙ дифференциальная нелинейность;	∙ стоимость;
∙ интегральная нелинейность;	∙ срок поставки.

Производители. Основными производителями АЦП являются производители аналоговых микросхем, поэтому в качестве основных можно рассматривать произ-

водителей операционных усилителей: «Analog Devices» (www.analog.com), «Texas

Instruments» (www.ti.com), «Maxim Integrated Products» (www.maxim-ic.com), «National Semiconductor» (www.national.com) и «Linear Technology»

(www.linear.com).

Принцип преобразования. Выбор принципа преобразования, как правило, основан на требуемом быстродействии и условиях применения.

Разрядность. Выбор микросхем по разрядности основан на требуемом динамическом диапазоне преобразования и может варьироваться от 8 разрядов для простых систем сбора информации до 24 разрядов при построении прецизионных устройств. Надо помнить, что чем выше разрядность, тем более дорогой будет выбранная микросхема, поэтому завышение разрядности не оправданно.

Внешний интерфейс. По принципу организации передачи выходных данных в цифровую систему АЦП можно разделить на несколько основных типов.

Параллельный интерфейс, когда выходное слово передается на внешние выводы параллельно. Такие интерфейсы обычно используются у очень производительных АЦП (для быстроты передачи данных) не очень большой разрядности, поскольку при большой разрядности может возникнуть требование многовыводного корпуса.

Последовательный интерфейс с последовательной передачей по одному биту результирующего слова. В зависимости от протокола и сопровождающих обмен сигналов он может быть разных форматов: SPI, I2C и др. Микросхемы с этим интерфейсом имеют наименьшее количество внешних выводов и, соответственно, самые маленькие корпуса, однако за счет последовательной передачи – наибольшее время обмена информацией.

14

Мультиплексированный интерфейс с последовательной передачей выходного слова по частям. Занимает промежуточное положение между предыдущими интерфейсами по размерам корпусов и времени обмена данными.

Напряжение питания. АЦП выпускаются для применения в системах с различным питанием. Как правило, микросхемы выбираются из работающих от уже имеющихся в проектируемой аппаратуре источников. Однако при построении прецизионных систем уровень помех по питанию может оказаться недопустимым и потребуется автономное питание для АЦП.

Уровень входного сигнала. АЦП могут корректно работать только в определенном диапазоне входных сигналов. При его превышении переполняется разрядная сетка выходного кода. АЦП выпускаются на стандартный ряд входных сигналов 1,25 В; 2,5 В; 3 В; 5 В и 10 В, что накладывает определенные требования к сигналам на выходе узлов, предшествующих АЦП.

Время преобразования. Время преобразования аналогового сигнала в цифровой код и время передачи данных во внешнее устройство определяют быстродействие преобразователей. Время преобразования должно обеспечивать возможность дальнейшей обработки данных без потери информации.

Опорное напряжение. В каждом преобразователе входной сигнал измеряется в долях от некоего опорного напряжения. Источник опорного напряжения может быть встроенным для простых и дешевых систем или внешним, например, при построении специализированных прецизионных устройств со специальными требованиями к источнику опорного напряжения. В этом случае используются отдельные микросхемы источников опорного напряжения.

Интегральная нелинейность – максимальная абсолютная ошибка реальной характеристики преобразования от идеально линейной во всем диапазоне преобразований, выраженная в уровнях младшего значащего разряда. Чем меньше ошибки, тем более точным считается преобразование, но при этом стоимость АЦП увеличивается.

Дифференциальная нелинейность – максимальная ошибка передачи одного дискрета во всем диапазоне преобразований, выраженная в долях младшего значащего разряда. Этот параметр, как и интегральная нелинейность, связывает точность преобразования со стоимостью микросхемы.

Статическая ошибка нуля. Ошибка, измеряемая как уровень ненулевого сигнала на выходе при отсутствии входного сигнала. Может быть компенсирована дальнейшей обработкой, но это требует процедуры калибровки аппаратуры на этапе ее настройки.

Температурный дрейф нуля. Параметр характеризует температурную зависимость процесса преобразования и влияние температуры на точность измерений. Как правило, этот параметр определяется источником опорного напряжения.

15

Потребляемый ток. Потребляемый ток во многом определяется временем преобразования. Как правило, чем меньше время преобразования, тем выше ток потреблений. Самыми энергоемкими являются АЦП параллельного типа с минимальным временем преобразования, а самыми маломощными – АЦП двойного интегрирования, с успехом применяемые в батарейных устройствах.

Тип корпуса. Типы корпусов АЦП аналогичны корпусам операционных усилителей, однако могут иметь значительно больше выводов, особенно при использовании параллельного интерфейса.

Рабочий диапазон температур. Выбор по рабочей температуре аналогичен выбору операционных усилителей и определяется классом разрабатываемой аппаратуры.

2.1. АЦП последовательного приближения

На практике АЦП используются для выполнения функции преобразования с заданной точностью и последующей обработкой данных. Подбор микросхем состоит из четырех этапов.

1.Определение типа интерфейса. Этап важен, поскольку определяет взаимодействие микросхемы АЦП со схемой обработки, влияет на точность, быстродействие и конструктивные размеры будущего преобразователя.

2.Выбор микросхемы по заданной точности преобразования с учетом возможных нелинейностей и статических и динамических ошибок. На этом этапе выбор основывается на разрядности, дифференциальной и интегральной нелинейности и ошибках нуля.

3.Далее АЦП выбирается по требуемому быстродействию, исходя из максимальной частоты обрабатываемого сигнала, по работающим от имеющихся в разрабатываемой аппаратуре источникам питания.

4.АЦП должно иметь рабочий температурный диапазон в соответствии с классом разрабатываемой аппаратуры, обладать малыми размерами и током потребления.

Пример требований к разработке:

∙внешний интерфейс – I2C;

∙разрядность – 12 бит;

∙интегральная нелинейность – менее 2 МЗР;

∙время преобразования – не более 10 мкс;

∙напряжение питания – 5 В;

∙ рабочий диапазон температур – от –40 до +85 ° С; ∙ уровень входного сигнала – от 0 до 5 В.

16

			Таблица 6
	Микросхема ADC121S625
	Производитель «Texas Instruments»
Внешний интерфейс	I2C	Потребляемый ток	510 мкА
Разрядность	12 бит	Дифференциальная	0,75 % от
		нелинейность	полной шкалы
Интегральная	1 МЗР	Статическая ошибка	–
нелинейность		нуля
Время	5 мкс	Температурный дрейф	–
преобразования		нуля
Рабочий диапазон	От –40	Тип корпуса	MSOP8
температур	до +85 ° С
Напряжение питания	До 5,5 В	Поставщик	«Компэл»
Опорное напряжение	2,5 В	Стоимость	$ 3,07
Уровень входного	2,5 В	Срок поставки	Склад
сигнала

Возможный вариант выбора микросхемы на основе заданных требований представлен в табл. 6. Просмотр предложений других поставщиков также позволяет найти варианты, отвечающие поставленным требованиям.

2.2. Сигма-дельта АЦП

Сигма-дельта АЦП обладают значительно более широкими возможностями по сравнению с остальными типами АЦП по доработке входного аналогового сигнала. При этом предполагается встраивание их в системы сбора и обработки информации на основе микроконтроллеров для упрощения новых разработок. Кроме того, с учетом большой разрядности все современные АЦП имеют последовательный интерфейс, обеспечивающий программирование режимов работы и передачу данных. Выбор микросхемы сигма-дельта АЦП в общем аналогичен выбору других АЦП, однако вместо выбора типа интерфейса необходимо выполнить требования входной многоканальности, а на втором этапе кроме точностных характеристик необходимо учитывать особенности внутреннего усиления входного аналогового сигнала и параметры внутренних заградительных фильтров.

Пример требований к разработке:

∙количество каналов – 1;

∙разрядность – 16 бит;

∙интегральная нелинейность – 0,03 % от полной шкалы;

∙максимальная частота преобразования – не ниже 30 Гц;

∙внутреннее усиление – да;

∙напряжение питания – 5 В;

∙рабочий диапазон температур – от –40 до +85 ° С.

17

				Таблица 7
	Микросхема ADS1100
	Производитель «Texas Instruments»
Количество каналов	1		Потребляемый ток	150 мкА
Разрядность	16 бит		Дифференциальная	–
			нелинейность
Интегральная	0,0125 МЗР		Статическая ошибка	5 мВ
нелинейность			нуля
Максимальная частота	128 Гц		Температурный дрейф	8 мкВ/° С
преобразования			нуля
Внутреннее усиление	8		Тип корпуса	2,7–5,5 В
Напряжение питания	2,7–5,5	В	Поставщик	«Компэл»
Рабочий диапазон	От –40		Стоимость	$ 2,9
температур	до +85 ° С
Опорное напряжение	2,7–5,5	В	Срок поставки	Склад

Возможный вариант выбора микросхемы на основе заданных требований представлен в табл. 7. Просмотр предложений других поставщиков также позволяет найти варианты, отвечающие поставленным требованиям.

3. ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Большинство цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) строятся на базе подключаемых в соответствии со входным кодом генераторов тока, пропорциональных источнику опорного напряжения и степени 2. Наиболее простые генераторы реализуются на основе резистивной матрицы R-2R. Выбор микросхем ЦАП, аналогичен выбору АЦП поразрядного уравновешивания с учетом типа выходного сигнала (ток или напряжение) и возможностями реализации функции умножения опорного напряжения на входной цифровой код. Производители и поставщики ЦАП выбираются по аналогии с АЦП.

					Таблица 8
	Микросхема DAC7571
	Производитель «Texas Instruments»
Внешний интерфейс	I2C		Потребляемый ток	200 мкА
Разрядность	12 бит		Дифференциальная	1	мзр
			нелинейность
Время преобразования	10 мкс		Статическая ошибка	5	мВ
			нуля
Время нарастания	10 мкс		Температурный дрейф	7	мВ/° С
выходного сигнала			нуля
Напряжение питания	До 5,5 В		Тип корпуса	200 мкА
Рабочий диапазон	От –40		Поставщик	«Компэл»
температур	до +105 ° С
Уровень входного	VCC		Стоимость	$ 2,8
сигнала
Опорное напряжение	внутреннее		Срок поставки	3	недели
		18

Пример требований к разработке:

∙внешний интерфейс – I2C;

∙разрядность – 12 бит;

∙интегральная нелинейность – менее 2 мзр;

∙время преобразования – не более 10 мкс;

∙тип выхода – напряжение;

∙напряжение питания – 5 В;

∙ рабочий диапазон температур – от –40 до +85 ° С; ∙ уровень выходного сигнала – 0– 5 В.

Возможный вариант выбора микросхемы на основе заданных требований представлен в табл.8.

4. МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ

Микроконтроллеры – микропроцессоры, ориентированные на реализацию одной специализированной задачи, определяемой разработчиком. При использовании микроконтроллеров должно обеспечиваться сочетание минимальной стоимости изделия, его массогабаритных параметров и требуемой производительности вычислений. Стоимость микроконтроллеров и их производительность во многом определяются шириной внутренней адресной магистрали. Производители представляют разработчикам 4-, 8-, 16- и 32-разрядные микроконтроллеры. Самыми распространенными являются 8-разрядные, имеющее производительность до 50 mips. Основная внутренняя архитектура микроконтроллеров выполняется либо по аналогии с Motorola 68HC, либо Intel MCS51, но есть производители, выпускающие микроконтроллеры с уникальной архитектурой, например, Texas Instruments или Microchip Technology. Преемственность архитектуры микроконтроллера с уже используемыми в фирме разработчика существенно упрощает процесс разработки новых изделий, поскольку готовы аппаратные и программные наработки и средства отладки.

4.1. 8-разрядные микроконтроллеры общего применения

Производители. В мире существует много фирм-производителей электронных компонентов, специализирующихся на 8-разрядных микроконтроллерах. Са-

мый большой выбор предлагают фирмы: «Motorola Freescale Semiconductor»

(www.freescale.com); «Atmel Corporation» (www.atmel.com); «STMicroelectronics»

(www.st.com); «Microchip Technology» (www.microchip.com); «Infineon Technology

AG» (www.infineon.com); «Zilog Inc» (www.zilog.com); «Silicon Labs»

(www.silabs.com); «Texas Instruments» (www.ti.com).

Следующим по важности параметром микроконтроллеров общего применения после выбора его типа архитектуры является производительность. Как правило, в

19

новых разработках используются микроконтроллеры со значительным запасом по быстродействию на случай повышения требований к разрабатываемой аппаратуре.

Тактовая частота/Производительность. Тактовая частота определяет быстродействие микроконтроллеров. Чем выше тактовая частота, тем больше быстродействие. При выборе режима работы микроконтроллера следует учитывать растущую потребляемую мощность при увеличении тактовой частоты. Для микроконтроллеров RISK-архитектуры тактовая частота практически равна производительности, поскольку основные команды выполняются за один такт.

ПЗУ. Алгоритмические возможности микроконтроллера во многом определяются размерами исполняющей программы, а она размещается в ПЗУ, поэтому емкость ПЗУ определяет максимальные размеры исполняемой программы. Кроме емкости ПЗУ характеризуется типом памяти: Flash, с УФ стиранием и однократные. Для научных исследований и опытно-конструкторских разработок более предпочтительны микроконтроллеры с многократно перепрограммируемой Flashпамятью, а для серийной продукции – более дешевые, программируемые однократно.

ОЗУ. Емкость ОЗУ во многом определяет возможности микроконтроллеров по приему и обработке больших массивов данных. При выборе микроконтроллеров необходимо учитывать регистры управления периферийными устройствами, что уменьшает реально доступную область памяти данных.

Таймеры – наиболее часто используемый вид периферийных устройств, формирующий тактовую частоту микроконтроллера, обмен информацией по основным каналам обмена и синхронизацию работы микроконтроллера и внешних устройств. Разрядность и возможные режимы работы таймера являются основными параметрами, характеризующими возможности микроконтроллера.

Периферийные устройства. К основным периферийным устройствам относятся аналогово-цифровые преобразователи и интерфейсы последовательного обмена данными. АЦП характеризуются количеством каналов, их разрядностью и быстродействием. Практическую ценность представляет наличие стандартного последовательного интерфейса UART и синхронного интерфейса для обмена информацией с внешними устройствами, а также интерфейса I2C для подключения дополнительных периферийных устройств

Дополнительные устройства. Функциональные возможности микроконтроллеров могут быть увеличены за счет дополнительных внутренних устройств, например: цифро-аналогового преобразователя, встроенных компараторов, температурных датчиков, часов реального времени, дополнительных интерфейсов и т. д.

Ток потребления. При проектировании энергосберегающей аппаратуры, например, с батарейным или аккумуляторным питанием, как правило, выбираются

20