Улучшение разрешающей способности систем сбора данных

В типовой системе сбора данных в состав ИС микроконтроллера часто входит АЦП, разрешающая способность которого ограничивается, как правило, 8-мью, редко 10-тью разрядами. При более высоком разрешении, когда число разрядов достига­ет 12 и даже 14, либо стоимость устройства становится несоразмеримо большой, либо характеристики встроенного АЦП не удовлетворяют требованиям системы. На практике для большинства задач 8-10 разрядов бывает достаточно для коррект­ного преобразования внешних воздействий. Существуют два метода улучшения разрешающей способности системы: использование АЦП двойного интегрирова­ния, чья разрешающая способность ограничивается только скоростью счета и быс­тродействием компаратора (не следует путать разрешение с точностью), и приме­нение АЦП (например, последовательного приближения) совместно с устройством расширения разрешающей способности, дающего возможность повысить разре­шение на несколько разрядов (например, с 8 до 12). На рис. 5.30 показана принци­пиальная схема такого устройства. В дополнение к обычному 8-ми разрядному АЦП в ее состав включены ЦАП, вычитающее устройство и усилитель с коэффици­ентом усиления А. В специализированных ИС или схемах из дискретных компо­нентов ЦАП может входить в состав АЦП (см. рис. 5.29А).

При максимальном уровне входного сигнала V_in , равном Е, исходная разрешающая способность 8-ми разрядного преобразователя выражаемая в вольт/разряд, равна:

Например, при E = 5 В, разрешение 8 -ми разрядного АЦП будет равно 19.6 мВ/ разряд. В исходном состоянии мультиплексор подсоединяет ко входу АЦП вход­ное напряжение. При этом выходной сигнал АЦП в цифровом виде равен М. Мик­ропроцессор передает это значение на вход ЦАП, с выхода которого снимается аналоговое напряжение V_c, приблизительно равное входному сигналу. На вычитаю­щем устройстве определяется разность напряжений V_in и V_c, которая затем усилива­ется ОУ до значения:

8-Дж Фраидсм

Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

Напряжение V_D представляет собой усиленное рассогласование между действитель­ным значением входного сигнала и его цифровым представлением. При макси­мальном уровне входного сигнала получается наибольшее значение ошибки (V_in - V_c), равное разрешающей способности АЦП. При 8-ми разрядном преобра­зовании величина V_D равна 19.6Л мВ. После этого мультиплексор подает напряже­ние V_D на АЦП, преобразующий его в цифровое значение С:

^ко

В результате микропроцессор получает два цифровых кода, соответствующих зна­чения М и С, где С соответствует дополнительным разрядам, обеспечивающим бо­лее высокое разрешение. При А = 255, Е = 5В, МЗР будет приблизительно равен 77 мкВ, разрешению 16-ти разрядного АЦП. На практике получить такое высокое разрешение, как правило, не удается, что связано с внутренними погрешностями ЦАП, дрейфом усилителя, шумами и т.д. Однако этот метод дает возможность реально повысить разрешение до 10 или 12 разрядов.

5.5. Прямая дискретизация и обработка сигналов

Выходные сигналы датчиков, как правило, очень малы. Для приведения таких сиг­налов до уровня, совместимого с устройствами сбора данных, обычно применя­ются усилители. К сожалению, усилители и подводящие кабели, часто приводят к появлению дополнительных погрешностей, увеличению стоимости и сложности всей системы. Поэтому в настоящее время использование усилителей считается устаревшим способом согласования уровней сигналов (по крайней мере, для неко­торых типов датчиков) [5]. Во многих современных промышленных интерфейсных системах применяются цифровые устройства передачи и преобразования данных, реализованных на основе методов прямой дискретизации выходных сигналов дат­чиков, особенно эффективных в случаях интеграции датчика и всей системы на одном кристалле.

Традиционные методы АЦ преобразований основаны на работе с достаточно высокими входными сигналами, что позволяет делать большую величину МЗР и минимизировать погрешности, вызванные шумами и сигналами смещения. По этой причине минимальный уровень МЗР обычно выбирается равным не менее 100-200 мкВ, что делает невозможным прямое подключение многих датчиков (например, термопарных и пьезорезистивных струнных датчиков). Выходные сигналы таких дат­чиков часто не превышают нескольких милливольт, что означает, что МЗР 10-ти раз­рядного АЦП при этом должен быть порядка 1 мкВ.

При прямой дискретизации выходных сигналов датчиков нет необходимости использовать усилители в интерфейсной схеме, что может привести к улучшению рабочих параметров систем без ухудшения точностных характеристик. Основная идея прямой дискретизации заключается во встраивании датчика в схему преобра­зователя сигнала (например, АЦП или преобразователя импеданса в частоту). Та­кие преобразователи по своей природе являются модуляторами и, следовательно, нелинейными устройствами. Как правило, в их состав входит нелинейное устрой-

5.5. Прямая дискретизация и обработка сигналов 21 I

ство, часто пороговый компаратор. Смещение порогового уровня компаратора при­водит к модуляции выходного сигнала, что и используется для преобразования сигнала датчика в дискретный вид.

На рис. 5.31 А показана схема простого модуляционного генератора, который состоит из интегратора, реализованного на основе ОУ, и порогового устройства. На­пряжение на конденсаторе С равно интегралу тока, пропорционального напря­жению на неинвертирующем входе ОУ. Когда это напряжение сравнивается с по­роговым уровнем, ключ S_цзакрывается, конденсатор полностью разряжается. После чего конденсатор снова начинает интегрировать ток до следующего замыкания клю­ча и т.д. Рабочая точка ОУ задается резистором R₂, фототранзистором S и опорным напряжением V_ref, Изменение потока света, падающего на базу транзистора, приво­дит к изменению его тока коллектора, что смещает рабочую точку. Подобную схему можно использовать для прямой дискретизации выходного сигнала резистивного датчика (например, термистора). Если в схему ввести цепи, компенсирующие на­пряжение и ток смещения ОУ, а также дрейф температуры и т.д., ее точность преоб­разований будет значительно улучшена.

(А) (Б)

Рис. 5.31.А — схема генератора, модулируемого светом, Б — напряжение на выходе генератора

Емкостные датчики являются очень популярными измерительными устройства­ми. В настоящее время много типов емкостных датчиков изготавливают в интеграль­ном исполнении методами микротехнологий. В состав емкостных датчиков давле­ния входит тонкая кремниевая диафрагма, выполняющая роль подвижной пластины конденсатора спеременным зазором. На обратную сторону этой диафрагмы нанесен металлический электрод. Основной проблемой конденсаторов такого типа является относительно низкое значение емкости на единицу площади (пФ/мм²), что приво­дит к увеличению размеров датчика. Обычно емкость таких датчиков при нулевом давлении составляет величину порядка нескольких пикофарад, поэтому при 8-ми разрядном разрешении датчик должен детектировать изменения емкости порядка 50 фФ и даже меньше (1 фФ = 10¹⁵Ф). Очевидно, что любые внешние измерительные

8'

212 Глава 5 Интерфейсные электронные схемы

схемы работать с такими датчиками не могут, поскольку паразитная емкость соеди­нительных проводов, как правило, составляет не менее 1 пФ, что сравнимо с емко­стью самого датчика. Единственным выходом из данной ситуации является разра­ботка интегрированного устройства на одном кристалле, составляющими частями которого являются сам датчик и интерфейсная схема. Для построения такого уст­ройства можно применить метод с переключением конденсаторов, основанный на передаче заряда с одного конденсатора на другой при помощи твердотельных ана­логовых переключателей.

На рис. 5.32 показана упрощенная схема преобразователя с переключением конденсаторов [6], в которой переменный конденсатор С_x и эталонный конден­сатор С_r. являются составными частями симметричного кремниевого датчика дав-иения. Встроенные МОП-ключи (1-4) работают парами в противофазе и управля­ются тактовыми импульсами ф_] и ф₂. При замыкании соответствующей пары клю-чей происходит заряд того или иного конденсатора сигналом от источника посто­янного напряжения V_in. Суммарный заряд в общей точке конденсаторов про­порционален разности С_x — С., и, следовательно, давлению, приложенному к дат­чику. Этот заряд поступает на вход преобразователя заряда в напряжение, состо­ящего из ОУ, интегрирующего конденсатора С_ƒ. и МОП ключа 5, используемого для разряда С_ƒ. Выходной сигнал такого преобразователя представляет собой им­пульсный сигнал с переменной амплитудой (рис. 5.32Б), который может быть передан по линии передач и либо демодулирован для получения линейного сиг­нала, либо преобразован в цифровой код. Поскольку для построения интегра­тора используется ОУ с высоким коэффициентом усиления, величина его вы­ходного напряжения не зависит ни от паразитной входной емкости С, ни от на­пряжения смещения, ни от температурного дрейфа. Минимальный детектируе­мый сигнал (уровень шума) определяется амплитудой шума и температурным дрейфом компонентов. Анализ схемы показал, что минимальная мощность шума соответствует в случаю, когда интегрирующий конденсатор С_ƒравен конденса­тору частотной компенсации ОУ.

(А)

(Б)

Рис. 5.32. Упрощенная схема дифференциального преобразователя емкости в напряжение (А) и его временные диаграммы (Б)

5.5. Прямая дискретизация и обработка сигналов

Во время переключения МОП ключа 5 происходит перенос некоторой части заряда через затвор транзистора сброса на инвертирующий вход ОУ [6]. Этот за­ряд распространяется через емкость между затвором и каналом МОП ключа 5. Утечка этого заряда приводит к появлению напряжения смещения на выходе ОУ, которое может быть скомпенсировано при помощи устройства гашения заряда [7], способного улучшить отношение сигнал/шум на два порядка от величины нескомпенсированого заряда. Температурный дрейф такой схемы может быть выражен как:

где Т_cr — номинальный температурный коэффициент С_х и С_r., а Т_Cƒ — температурный коэффициент интегрирующего конденсатора С_ƒ В этом уравнении предполагает­ся, что температурный дрейф в основном зависит от рассогласования емкостей в датчике. На рис. 5.33 показана типовая передаточная функция схемы для двух раз­ных значений интегрирующего конденсатора С_ƒ. Подобная схема была реализована по КМОП технологии на кремниевом кристалле размером 0.68x0.9 мм [8]. Она может работать с тактовой частотой в интервале 10... 100 кГц.

Современная тенденция построения интерфейсных схем заключается в объе­динении на одном кремниевом кристалле усилителя, мультиплексора, АЦП, и дру­гих схем. Примером такого интегрированного устройства является ИС МАХ 1463 (Maxim Integrated Products), в состав которой входит двухканальный 16-ти разряд­ный программируемый интерфейс, выполняющий функции усиления, калибров­ки, линеаризации сигнала и температурной компенсации. Эта ИС обеспечивает воспроизводимость рабочих характеристик датчика без применения внешних ре­гулировочных компонентов. МАХ 1463 может работать с разнообраз­ными датчиками, включая датчики давления, терморезисгивные и тер­мопарные чувствительные элемен­ты, тензодатчики, динамометры и резистивные элементы, применяе­мые в магнитных датчиках направ­ления. У нее есть несколько выход­ных портов: аналоговых и цифровых. Выходными сигналами могут быть: напряжение, ток (4...20 мА), отно­шение сигналов и сигналы с широт-но-импульсной модуляцей (ШИМ). В состав МАХ 1463 также входят не-задействованные ОУ, предназначен­ные для выполнения пользователь­ских функций, например, буфериза­ции выходных сигналов ЦАП,

4 Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

управления большими внешними нагрузками, дополнительного усиления и фильтра­ции сигналов. ИС МАХ 1463 имеет внутренний 16-ти разрядный процессор с про­граммируемой FLASH-памятью на 4 кбайта, 128 байт оперативной FLASH памяти, 16-ти разрядный АЦП и два 16-ти разрядных ЦАП. В дополнение к этому в нее входят два 12-ти разрядных цифровых порта для ШИМ сигналов, четыре ОУ и один встроенный датчик температуры. Микросхема смонтирована в стандартном SSOP корпусе с 28 выводами, что позволяет ее располагать в непосредственной близости от датчиков без каких-либо промежуточных кабелей и проводов.

Поиск по сайту: