Практически в каждой электронной схеме есть датчики. Это "органы чувств" электронных приборов. Чтобы поступающий от них сигнал был правильно воспринят и обработан "мозгом" электронной схемы (микроконтроллером), его нужно усилить и отфильтровать. Только после этого он может быть корректно преобразован "в цифру" с помощью АЦП. Разумеется, достоверность полученных микроконтроллером окончательных данных зависит от правильной работы всей входной цепи, по которой сигнал проходит от датчика к микроконтроллеру.

По статистике, на один микроконтроллер в так называемых встраиваемых (Embedded) системах управления приходится как минимум 1,5-2 вспомогательные аналоговые или периферийные микросхемы. Фирма MICROCHIP предлагает своим покупателям концепцию "полного продукта", то есть у MICROCHIP есть практически все компоненты, необходимые разработчику для создания электронного устройства. За последний год фирма резко расширила предложение аналоговых и интерфейсных электронных компонентов и теперь может рассматриваться как альтернативный поставщик традиционной, например, для DALLAS и MAXIM продукции.

Операционные усилители от Microchip

На данный момент MICROCHIP выпускаются несколько семейств ОУ с различными параметрами напряжения смещения, тока потребления и полосой пропускания. Все ОУ Microchip работают в индустриальном температурном диапазоне (-40…+85°С) от однополярного источника питания, имеют Rail-to-Rail вход и выход (кроме MCP60X, MCP61X). В каждом семействе есть модель с входом выбора кристалла CS (Chip Select). Высокий уровень на входе CS выключает ОУ и переводит его выход в высокоомное состояние. Выключение ОУ и снижение тока потребления особенно актуально в приборах с батарейным питанием.

Сравнительные характеристики ОУ приведены в табл. 1

Для облегчения разработки усилителей и фильтров на базе ОУ, MICROCHIP предлагает воспользоваться математическими макромоделями для своих операционных усилителей, которые можно использовать со всеми PSPICE-подобными программами компьютерного моделирования электронных схем.

Для построения систем с активными фильтрами и АЦП MICROCHIP предлагает воспользоваться бесплатным программным пакетом FilterLabФ (рис. 1). Он поддерживает разработку фильтров до 8-го порядка Чебышева, Бесселя и Баттерворта с частотой среза от 0,1 Гц до 10 МГц. Программа синтезирует принципиальную схему и рассчитывает значение всех номиналов компонентов. FilterLabФ содержит в качестве библиотечных компонентов все ОУ и АЦП MICROCHIP.



Фирма MICROCHIP выпускает 8- и 16-выводные микросхемы с операционным усилителем, аналоговым компаратором и источником опорного напряжения (1,2 В) на одном кристалле. Выпускаются две модификации - TC1026 (OУ + компаратор + источник опорного напряжения) (рис. 2) и TC1043 (два ОУ + два компаратора + источник опорного напряжения) (рис. 3) Модель TC1043 имеет дополнительный вывод SHDN отключения ОУ и одного компаратора.



Автономные АЦП

Для преобразования входных аналоговых сигналов в "цифру" выпускается несколько семейств микросхем:

скоростные АЦП последовательного приближения,

защищённые от импульсных помех АЦП двойного интегрирования,

сигма-дельта АЦП

преобразователи напряжение/частота U/F.
Большое разнообразие моделей позволяет подобрать наилучший вариант для каждого конкретного случая. Многие модели имеют дифференциальный вход для аналогового сигнала, что позволяет без особых усилий развязать аналоговую и цифровую земли, убрать синфазные помехи, ввести коррекцию по одному из входов, получить на выходе код, пропорциональный разности двух аналоговых сигналов и так далее.

АЦП последовательного приближения

Этот тип последовательных АЦП представлен двумя семействами: 10-разрядным MCP3001/2/4/8 и 12-разрядным MCP3201/2/4/8.

Структурная схема 10-разрядного АЦП MCP3001 с последовательным приближением представлена на рис. 4. Входной сигнал подается на вход схемы выборки/хранения (Sample and Hold), где запоминается. После этого входной сигнал отключается, и его изменение не влияет на дальнейшее преобразование. Далее измеряемый сигнал подаётся на компаратор. Преобразование осуществляется опробованием различных выходных кодов путём подачи их на ЦАП (DAC) и сравнением результата с измеряемым сигналом с помощью компаратора. Процесс начинается с установки всех разрядов в "0". Затем, начиная со старшего значащего разряда, каждый разряд по очереди устанавливается в "1". Если выходное напряжение ЦАП не превышает напряжения входного сигнала, то этот разряд остаётся в состоянии "1", в противном случае, он возвращается в "0". Для n-разрядного АЦП требуется n таких шагов. Данный процесс можно описать как процесс бинарного поиска, начинающегося с середины. Цифровое значение преобразуется с помощью управляющих цепей (Control Logic) и регистра сдвига (Shift Register) в последовательный формат и поступает на выход (Dout). Другие разновидности этого семейства АЦП отличаются лишь количеством каналов (входных линий), между которыми может переключаться вход АЦП.

Рис. 4. Структурная схема MCP3001

Микросхема MCP3002 является двухканальной, MCP3004 - 4-канальной, и MCP3008 - 8-канальной. Управление АЦП и вывод информации осуществляется по последовательному SPI-интерфейсу. АЦП последовательного приближения - самые быстродействующие из всех последовательных АЦП, они не требуют внешних элементов для своей работы, с чем связано их наибольшее распространение. Недостаток этих АЦП - чувствительность к импульсным помехам, что требует внимания при размещении компонентов на печатной плате и разводке "земли".

Семейство MCP3201/2/4/8 имеет точно такое же устройство, но является 12-разрядным. Оба семейства работают в индустриальном диапазоне температур (-40…+85°С) и выпускаются в 8-, 14- и 16-выводных корпусах. Максимальное число преобразований в секунду для 10-разрядных MCP300X составляет 200000, а для 12-разрядных MCP320X - 100000. Питание - однополярное в диапазоне 2,7…5,5 В.

АЦП двойного интегрирования

Принцип работы АЦП этого типа поясняет рис. 5.

Рис. 5. Цикл двухстадийного интегрирования

Сначала в течение фиксированного интервала времени происходит заряд конденсатора током, точно пропорциональным входному сигналу; затем конденсатор разряжается постоянным током до тех пор, пока напряжение на нём вновь не станет равным нулю. Внутренний счётчик измеряет время разряда. Результат прямо пропорционален накопленному заряду, а следовательно - интегралу от входного напряжения.

Достоинствами АЦП двойного интегрирования считаются невысокие требования к стабильности компонентов (в первую очередь, конденсатора интегрирующей цепи). А поскольку выходной сигнал пропорционален среднему значению входного напряжения на фиксированном интервале времени интегрирования, выбирая этот промежуток времени кратным периоду помехи, можно успешно бороться с периодическими и импульсными помехами. Основной недостаток, по сравнению с АЦП последовательного приближения - меньшая скорость преобразования.

Рис. 6. Функциональная схема TC500/500A/510/514

TC500/500A/510/514 - семейство компонентов, представляющих собой аналоговую часть точных АЦП двойного интегрирования, имеющих максимальное разрешение 17 разрядов плюс знак. Каждая ИС этой серии содержит интегратор, компаратор и логику интерфейса управляющего микроконтроллера. TC500 является базовым элементом. Его максимальное разрешение - 16 разрядов. Питание должно осуществляться от двуполярного источника питания. TC500A идентичен TC500, но имеет большую линейность, обеспечивающую максимальное разрешение 17 разрядов. TC510 имеет встроенный преобразователь отрицательного напряжения и может работать от однополярного источника питания. TC514 имеет встроенный преобразователь отрицательного напряжения и аналоговый мультиплексор для 4 входных дифференциальных каналов.

Все элементы имеют одинаковый интерфейс управления микроконтроллером (рис. 6), состоящий из 3-х проводов: входы А и В управления фазами преобразования и выход компаратора перехода через нуль (CMPTR). Процессор формирует на линиях A и B последовательность состояний, соответствующую четырем фазам преобразования TC5XX: автообнуление (подстройка уровня "0"), интегрирование, деинтегрирование и обнуление интегратора.

TC500/500A/510/514 обеспечивают высокое разрешение (до 17 разрядов), превосходное подавление шумов 50/60 Гц, малое потребление, низкие входные токи смещения и меньшую стоимость, по сравнению с другими технологиями преобразователя, имеющими подобные характеристики.

TC520A - адаптер последовательного интерфейса, обеспечивающий логику управления для АЦП двойного интегрирования семейства TC500/500A/510/514. Он формирует фазы управления преобразованием по линиям A, B и CMPTR, таким образом уменьшает загрузку процессора и сложность программного обеспечения. Связь с TC520A осуществляется через 3-проводный последовательный интерфейс.

TC530/534 - высокоточные АЦП двойного интегрирования с последовательным интерфейсом (28/40 выводов). TC530 состоит из АЦП двойного интегрирования, источника отрицательного напряжения и 3-проводного последовательного порта. TC534 (рис. 7) идентичен TC530, но дополнительно имеет аналоговый мультиплексор для 4-х входных дифференциальных каналов.

Рис. 7. Функциональная схема TC534

Запуск преобразования данных осуществляется, когда на входе RESET устанавливается низкий уровень. После окончания преобразования данные загружаются в выходной регистр, и на выходе EOC устанавливается активный уровень, указывая готовность новых данных. Результат преобразования хранится в 18-разрядном регистре (17-разрядное значение плюс знак) до тех пор, пока не будут считаны процессором или не закончится следующее преобразование.

TC7109/7109A - 12-разрядные (плюс знаковый бит) АЦП двойного интегрирования с последовательным и параллельными интерфейсами (40 выводов). Предназначены для работы с любым типом микроконтроллеров. Имеют полный дифференциальный вход, микросхемы с индексом А имеют буферизированные выходы.

АЦП с сигма-дельта преобразованием (АЦП уравновешивания заряда)

Функциональная схема такого преобразователя представлена на рис. 8. Входное напряжение поступает на интегратор, выходной сигнал сравнивается с нулём. В зависимости от выходного сигнала компаратора, импульсы тока фиксированной длительности (то есть с фиксированным приростом заряда) подключаются либо к суммирующему входу, либо к земле, что позволяет поддерживать нулевой средний ток на суммирующем входе. Это принцип уравновешивания. Счётчик отслеживает число импульсов подключения к суммирующему входу в пределах некоторого заданного числа тактовых импульсов. Полученное счётчиком число будет пропорционально среднему входному уровню за это количество тактовых импульсов, то есть это и будет выходным кодом. После этого счётчик обнуляется, и цикл измерения начинается сначала.

Рис. 8. Функциональная схема сигма-дельта преобразователя

Так же, как и АЦП двойного интегрирования, в сигма-дельта преобразователях происходит усреднение входного сигнала на фиксированных интервалах времени, что позволяет сделать АЦП практически нечувствительным к низкочастотным периодическим помехам. Сигма-дельта АЦП характеризуются высокой точностью и низкой стоимостью и обеспечивают строго монотонный выход и высокое разрешение. Вместе с тем, они медленнее АЦП последовательного приближения.

Фирма MICROCHIP представляет семейство ИС TC340Х - недорогих маломощных аналого-цифровых преобразователей (АЦП), использующий сигма-дельта закон преобразования. TC340Х обеспечивают от 8 преобразований в секунду с 16-разрядным разрешением (15 разрядов и знак) до 512 - с 10-разрядным. АЦП оптимизированы для работы от однополярного низковольтного источника питания с минимальным напряжением 1,8 В, имеют внутренний источник опорного напряжения и возможность подключить внешний. Напряжение внутреннего источника - 1,193 В, точность преобразования при 16-разрядном разрешении - до 72,8*10-6 В.

TC3400 имеет один дифференциальный вход. TC3401 имеет два дифференциальных мультиплексированных входа, а также вход отключения, встроенные компараторы "сброса" и контроля напряжения (рис. 9). TC3402 имеет 2 дифференциальных мультиплексированных входа. TC3403 имеет 4 несимметричных мультиплексированных входа, а также встроенные компараторы "сброса" и контроля напряжения. TC3404 имеет 2 несимметричных и 2 дифференциальных мультиплексированных входа, а также встроенный компаратор контроля напряжения. TC3405 имеет один дифференциальный и 3 несимметричных мультиплексированных входа, а также вход отключения и встроенный компаратор "сброса".

Рис. 9. Функциональная схема TC3401

Для управления АЦП используется 2-проводной последовательный цифровой интерфейс. Встроенные компараторы "сброса" и контроля напряжения позволяют минимизировать схему приложения, то есть обойтись без супервизоров напряжения. Каждый компаратор имеет источник опорного напряжения 1,23 В и обеспечивает гистерезис 0,03 В. Они имеют на выходе транзистор с открытым стоком и активный низкий уровень сигнала. Компаратор "сброса" дополнительно имеет встроенную задержку установки высокого уровня на выходе.

TC3400 изготавливается в 8-контактных корпусах PDIP и SOIC, а остальные - в 16-контактных QSOP и PDIP.

Встроенные модули 12-разрядного АЦП

На современном рынке микроконтроллеров стало нормой размещение на кристалле микроконтроллера аналоговых и аналого-цифровых модулей, таких как АЦП, ШИМ и аналоговые компараторы. Это удобно и с точки зрения экономии, и с точки зрения гибкости настройки и использования интегрированных модулей. Фирма MICROCHIP давно выпускает микроконтроллеры со встроенными 8- и 10-разрядными АЦП и аналоговыми компараторами.

Все встроенные АЦП работают по принципу последовательного приближения (за исключением PIC14000, использующего развертывающий АЦП). В первую очередь, это связано с высокой скоростью преобразования АЦП этого класса. В последнее время фирма фактически перешла на 10-разрядные АЦП, которыми комплектуются практически все новые микроконтроллеры. Также выпущено целое семейство микроконтроллеров со встроенным 12-разрядным АЦП PIC16C77X. Это кристаллы в 20-выводном корпусе PIC16C770/771, различающиеся между собой объёмом встроенной памяти: 28-выводный PIC16C773 и 40-выводный PIC16C774. Первые три модели имеют 6-канальные АЦП, последняя - 10-канальный. Что отличает их от других семейств PICmicro? В связи с увеличением разрядности, АЦП потребовалось разделить цепи питания и "земли" для аналоговых и цифровых схем микроконтроллера. В остальном расположение выводов этих микросхем соответствует стандартному для 28/40 выводных микроконтроллеров PIC16/PIC18, что позволяет быстро повысить точность работы уже разработанного устройства и перейти на микроконтроллеры с 12-разрядным АЦП практически без переделок в принципиальной схеме.

Встроенный модуль опорного напряжения

В микроконтроллеры семейства PIC16C77X встроен модуль опорного напряжения. С его помощью можно получить высокоточные опорные напряжения 2,048 и 4,096 В, которые можно использовать для встроенного модуля АЦП, а также вывести на выводы микроконтроллера и использовать для управления другими аналоговыми схемами разрабатываемого устройства. Кроме того, этот источник используется для работы модуля LVD (Low-Voltage Detect). С его помощью можно контролировать питающее напряжение, и в случае его уменьшения ниже заранее заданного значения вырабатывается прерывание.

Модуль LVD не следует путать с программируемым BOD (Brown-Out Detect). Включая BOD, при программировании кристалла задаётся одно из четырёх значений напряжения сброса 2,5, 2,7, 4,2 или 4,7 В, и если напряжение питания микроконтроллера упадёт ниже этой точки, произойдёт сброс с установкой служебных битов, по которым при дальнейшем включении кристалла можно установить, что сброс случился именно из-за срабатывания BOD.

В отличие от него, модуль LVD не сбрасывает микроконтроллер, а лишь выставляет служебный бит/генерирует прерывание, предупреждая о снижении напряжения питания ниже заранее запрограммированного порога (выбирается из 15-ти значений в диапазоне 2,5…4,5 В). Кроме того, есть возможность это пороговое напряжение подать на вход микроконтроллера и плавно его менять в процессе работы системы. Кроме того, модуль LVD, в отличие от BOD, можно программно включать/выключать по ходу работы программы, что позволяет уменьшать потребляемый микроконтроллером ток.

Использование модуля LVD позволит программе заранее узнать о выключении источника питания/сбое на шине питания и своевременно подготовиться (включить источник резервного питания, сохранить важные данные в EEPROM, отключить энергоёмкие узлы устройства и так далее).

Режим "окна" для преобразования

Все микроконтроллеры семейства PIC16C77X позволяют проводить преобразование в "окне". Так же, как и у семейства PIC16F87X, на входы встроенного АЦП PIC16C77X Vref- и Vref+ можно подавать опорные напряжения нижней и верхней границы окна преобразования, соответственно. Причём Vref- и Vref+ могут быть подключены к внешним источникам опорного напряжения, привязаны к уровням питания и "земли" или быть подключены к встроенному источнику опорного напряжения 2,048 и 4,096 В. Таким образом, используя режим преобразования в "окне" и встроенный источник опорного напряжения, можно увеличить точность преобразования в два раза.

Достоинства и недостатки встроенных 12-разрядных АЦП

Недостатки встроенных АЦП являются продолжением их достоинств, а именно близость цифрового ядра микроконтроллера и, как следствие, повышенная чувствительность к импульсным помехам по сравнению с автономными АЦП. Кроме того, повышается критичность к разводке печатной платы, особое внимание нужно уделить расположению "земельных" цепей. Больше время преобразования - внутренний 12-разрядный АЦП семейства PIC16C77X позволяет провести до 30 тыс. измерений в секунду.

Достоинства встроенных АЦП очевидны - вместо двух микросхем можно использовать одну и для измерений, и для обработки и дальнейшей передачи информации. Это позволяет сэкономить место на печатной плате и удешевить конструкцию. Сравнительные характеристики внутренних и автономных АЦП приведены в табл. 2.

Интегрированные микроконтроллеры PIC16C781/782 со встроенным ОУ

Каких только микроконтроллеров ни выпускают на данный момент производители электронных компонентов. И все же, инженерам MICROCHIP, создателям семейства PIC16C781/782, снова удалось всех удивить! Потому что, кроме ставших стандартными для MICROCHIP АЦП, расширенного ШИМ, аналоговых компараторов, источника опорного напряжения, дополнительного генератора часов реального времени, в кристаллы этих микроконтроллеров встроены 8-разрядный ЦАП и, что самое интересное, операционный усилитель, позволяющий программно переключать частоту единичного усиления - 70 кГц или 2 МГц, что особенно актуально для изделий с питанием от батарей.

Всё это позволяет до предела снизить количество внешних элементов, используя практически одну микросхему интегрированного микроконтроллера для реализации сложных устройств. Пример построения системы управления двигателем показан на рис. 10.

Рис. 10. Система управления электродвигателем на базе PIC16C781/782

Семейство PIC16C781/782 построено на базе 14-бит ядра серии PIC16C7X и выпускается в 20-выводном исполнении.