Аналого-цифровой преобразователь с управляемой чувствительностью на базе микроконтроллера

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в цифровых системах для измерения и контроля аналоговых величин. Технический результат заключается в повышении чувствительности. Аналого-цифровой преобразователь с управляемой чувствительностью на базе микроконтроллера (МК) содержит VR (1), со встроенным аналоговым компаратором (АК) (2), элементы интегрирующего RC-звена конденсатор (3) (емкость С) и управляемый резистор (Р) (4) (сопротивление R3), Р (5) и (6) (сопротивления R1 и R2). Первые выводы Р (5) и (6) подключены к выходу интегрирующего RC-звена, второй вывод Р (5) подключен к плюсу источника питания, второй вывод Р (6) подключен к минусу источника питания, выход интегрирующего RC-звена подключен ко второму входу АК (2) МК (1), вход интегрирующего RC-звена подключен к дискретному выходу МК (1), первый вход АК (2) подключен к источнику входного напряжения Uвх. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровым преобразователям, и может быть использовано в цифровых системах для измерения и контроля аналоговых величин.

Уровень техники

Для сопряжения аналоговых датчиков с цифровыми системами требуется аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Современные микроконтроллеры содержат аналоговые компараторы (АК), что позволяет строить на их основе АЦП с высокими технико-экономическими показателями.

Известно техническое решение, содержащее микроконтроллер со встроенным АК, биполярный транзистор, конденсатор, четыре резистора, причем эмиттер транзистора подключен к плюсу источника питания, конденсатор подключен одной обкладкой к коллектору транзистора и к неинвертирующему входу АК, первый резистор включен между базой транзистора и дискретным выходом микроконтроллера, второй, третий и четвертый резисторы первыми выводами соединены в общую точку, которая подключена к инвертирующему входу АК, вторые выводы второго и третьего резисторов подключены к дискретным выходам микроконтроллера, второй вывод четвертого резистора подключен к источнику входного напряжения. (http://www.electroclub.fatal.ru/RusAVR/Doc/Examples/AVR401/AVR401.htm AVR401: 8-ми битный прецизионный аналого-цифровой преобразователь).

Недостатки известного решения - низкая чувствительность и отсутствует функция по управлению чувствительностью.

Известно техническое решение, содержащее микроконтроллер, АК, два интегрирующих RC-звена (ИЗ), причем выходы первого и второго ИЗ подключены, соответственно, к неинвертирующему и инвертирующему входам АК, вход первого ИЗ подключен к дискретному выходу микроконтроллера, к входу второго ИЗ подключен источник входного напряжения, выход АК подключен к дискретному входу микроконтроллера (В.Л.Горбунов. Однокристальные микроЭВМ. - Вычислительная техника и ее применение, 1989, №1, с.30-47).

Недостатки известного решения - низкая чувствительность и отсутствует функция по управлению чувствительностью.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является АЦП, содержащий микроконтроллер со встроенным АК и ИЗ, вход которого подключен к дискретному выходу микроконтроллера, выход подключен к неинвертирующему входу АК, инвертирующий вход АК подключен к источнику входного напряжения. (http://www.rtcs.ru/comp/html/txt/app/Atmel/micros/avr/AVR400.htm. AVR 400 - Простой аналогово-цифровой преобразователь).

Недостатки известного решения - низкая чувствительность и отсутствует функция по управлению чувствительностью, что ограничивает область применения данного решения.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению чувствительности и расширению функциональных возможностей устройства.

Технический результат достигается с помощью АЦП с управляемой чувствительностью на базе микроконтроллера, содержащий ИЗ и микроконтроллер со встроенным АК, причем первый вход АК подключен к источнику входного напряжения, второй вход АК подключен к выходу ИЗ, вход которого подключен к выходу микроконтроллера, при этом в него введены первый и второй резисторы, причем первые выводы этих резисторов подключены к выходу ИЗ, второй вывод первого резистора подключен к плюсу источника питания, второй вывод второго резистора подключен к минусу источника питания, резистор ИЗ выполнен управляемым и его управляющий вход подключен к выходу микроконтроллера, управляемый резистор выполнен подстроечным.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена структурная схема АЦП с управляемой чувствительностью на базе микроконтроллера.

На фиг.2 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы АЦП.

На фиг.3 представлены схемы замещения для пояснения методики расчета чувствительности АЦП.

Осуществление изобретения

АЦП с управляемой чувствительностью на базе микроконтроллера содержит (фиг.1) микроконтроллер 1 со встроенным АК 2, элементы ИЗ конденсатор 3 (емкость С) и управляемый резистор 4 (сопротивление R3), резисторы 5 и 6 (сопротивления R1 и R2). Первые выводы резисторов 5 и 6 подключены к выходу ИЗ, второй вывод резистора 5 подключен к плюсу источника питания, второй вывод резистора 6 подключен к минусу источника питания, выход ИЗ подключен ко второму входу АК 2 микроконтроллера 1, вход ИЗ подключен к дискретному выходу микроконтроллера 1, первый вход АК подключен к источнику входного напряжения Uвх.

АЦП работает следующим образом.

На первый вход АК 2 подается возрастающее напряжение Uc, снимаемое с выхода ИЗ. Напряжением Uc управляет микроконтроллер 1 методом широтно-импульсной модуляции. Двоичный код N, пропорциональный Uc, находится в одном из регистров микроконтроллера 1. Как только Uc сравняется с Uвх, на выходе АК 2 формируется сигнал, по которому микроконтроллер 1 останавливает процесс преобразования. В этом случае двоичный код N эквивалентен входному напряжению Uвх.

Метод широтно-импульсной модуляции основан на том, что если на ИЗ подавать прямоугольные импульсы напряжения, то конденсатор ИЗ заряжается до среднего напряжения Uc, так как постоянная времени ИЗ достаточно велика по сравнению с периодом следования импульсов. Значение Uc определяется: Uc=(U¹-U⁰)·k=ΔU·k, где U¹ и U⁰ - высокий и низкий уровни напряжения прямоугольных импульсов (фиг.2,а,б); k - коэффициент заполнения, k=tи/(tи+tп), где tи и tп - длительности импульса и паузы между импульсами.

Период следования прямоугольных импульсов определяется Т=tи+tп. Если изменять tи, а Т оставить постоянным, то Uc будет изменяться пропорционально изменению tи.

Значение tи хранится в форме двоичного кода N в одном из регистров микроконтроллера 1. Микроконтроллер 1 увеличивает значение tи на единицу перед каждым выводом высокого уровня напряжения U¹ на вход ИЗ. Двоичный код N изменяется от минимального Nmin=1 до максимального Nmax. Если регистр 8-разрядный, тогда Nmax=2⁸-1=255.

Чувствительность АЦП определяется по формуле

Микроконтроллеры, например, семейства AVR, корпорации Atmel 8-разрядные, изготовлены по КМОП технологии, для которых уровень U¹≈5 B, a U⁰≈0 B, при Uп=5 В. Чувствительность АЦП, построенного на базе этих микроконтроллеров, при Uп=5 В, составит S≈5/255≈20 мВ, что явно недостаточно, так как многие аналоговые датчики формируют на выходе напряжение, измеряемое в единицах мВ.

Чувствительностью можно управлять, изменяя напряжение ΔU (1). В предлагаемом техническом решении изменение ΔU достигается введением делителя, состоящего из резисторов 5 и 6 (фиг.1). Рассмотрим частный случай, когда R1=R2.

Допустим, микроконтроллер 1 вывел на вход ИЗ низкий уровень напряжения U⁰, что равнозначно подключению входа ИЗ к минусовому проводу питания схемы (фиг.3,а). В этом случае: U2=Uп/(R1+R23)·R23=I⁰·R23; U2=U⁰, где R23 - общее сопротивление параллельно включенных R2 и R3.

Допустим, микроконтроллер 1 вывел на вход ИЗ высокий уровень напряжения U¹, что равнозначно подключению входа ИЗ к плюсовому проводу питания схемы (фиг.3,б). В этом случае: U1=Uп/(R2+R13)·R13=I¹·R13; Uп-U1=U¹, где R13 - общее сопротивление параллельно включенных R1 и R3.

Так как R1=R2, то I^O=I^l=I; R23=R13=R

U⁰=I·R; U¹=Uп-I·R=Uп-U⁰

Расчет сопротивления R3 резистора 4 ИЗ для обеспечения заданной чувствительности, например для S=1 мВ, при Nmax=255, для частного случая, когда R1=R2=100 кОм, производят в следующей последовательности.

Максимальный диапазон изменения Uвх должен быть Uвх≤ΔU, тогда

ΔU=S·N=1·255=255 мВ

U⁰=Uп/2-ΔU/2=5/2-0,255/2=2,3725 В

I=(Uп-U⁰)/R1=(5-2,3725)/10^-5=2,6275·10^-5 А

R=U⁰/I=2,3725/2,6275·10^-5=90,295 кОм

R3=(R·R2)/(R2-R)=(90,295·100)/(100-90,295)=930 кОм.

Следует принимать во внимание, что напряжения на выходе микроконтроллера 1, например для семейства AVR, при напряжении питания Uп=5 В составляют U¹≈4,9 В и U⁰≈0,1 В.

Чувствительность изготовленного опытного образца предлагаемого решения АЦП составила S≈0,85 мВ, при R3=1 Мом, R1=R2=100 кОм, С=0,47 мкФ, Uп=5 В.

В качестве управляемого резистора может быть использована комбинация из двух последовательно включенных резисторов, резистора с цифровым управлением и подстроечного или только одного подстроечного резистора.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:

- более высокую чувствительность;

- расширенные функциональные возможности.

1. Аналого-цифровой преобразователь с управляемой чувствительностью на базе микроконтроллера, содержащий интегрирующее RC-звено, микроконтроллер со встроенным аналоговым компаратором, причем первый вход аналогового компаратора подключен к источнику входного напряжения, второй вход аналогового компаратора подключен к выходу интегрирующего RC-звена, вход которого подключен к выходу микроконтроллера, отличающийся тем, что в него введены первый и второй резисторы, причем первые выводы этих резисторов подключены к выходу интегрирующего RC-звена, второй вывод первого резистора подключен к плюсу источника питания, второй вывод второго резистора подключен к минусу источника питания, резистор интегрирующего RC-звена выполнен управляемым и его управляющий вход подключен к выходу микроконтроллера.

2. Аналого-цифровой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что управляемый резистор выполнен подстроечным.