Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007) (1264220), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Хотя метод смешения увеличивает сдвиг частот и делает измерения проще, тем не менее, имеет определенные недостатки: ° Смеситель увеличивает сдвиг не только той частоты, которую надо измерить, но и сдвиги других частот. Эти сдвиги частот могут быть обусловлены тепловым, шумовым дрейфом и т. п. ° Диапазон входных частот должен быть ограничен, в противном случае часть полезных сигналов будет отфильтрована. Если частота входного сигнала (Рис. 4.4а) уменьшится с 5 до 4.5 МГц, разностная частота возрастет до 2.5 МГц и станет выше частоты среза ФНЧ, тогда часть паразитных сигналов не будет отфильтрована.
° Схемотехника смесителя и фильтра может оказаться непростой. Еще более ухудшают ситуацию изменения амплитуды входного сигнала вместе с изменениями частоты. ° В заключение надо заметить, что добавление сигнала другой частоты для смешения частот (1п)есг(оп Ггеоцепсу Гог шцбп8) усложняет электрическую цепь и увеличивает электромагнитные помехи. 4.4. Преобразователи напрязиение-частота ° 129 4.4. Преобразователи напряжение-частота Для преобразования входной аналоговой величины в цифровую можно использовать преобразователь напрязтсение-частота, ПНЧ (чо11аяе-гоГгеццепсу сопчег(ег, Ч-Г). Структурная схема ПНЧ показана на Рис.
4.5. Сигнал с выхода компаратора запускает одновибратор (опе-з)тог), который вырабатывает импульс определенной длительности при переключении. К одному из входов компаратора подключена емкость„которая либо заряжается от источника постоянного тока, либо разряжается через резистор, в зависимости от положения ключа. Вход Выход Выход одно- — а1 апбратора — Импульс одноаибратора Входной сигнал Рис.
4.5. Структурная схема и временные диаграммы ПНЧ На Рис. 4.5 показаны также временные диаграммы работы ПНЧ. При некотором напряжении на входе, конденсатор заряжается от источника постоянного тока (что обеспечивает линейный заряд) на время действия импульса одновибратора. После его окончания конденсатор разряжается через резистор й!, пока пороговое напряжение Ч вЂ” не сравняется с входным напряжением.
Тогда на выходе компаратора установится НИЗКИЙ логический уровень, снова переключая одновибратор. Время заряда всегда будет равно времени, когда одновибратор формирует импульс. При изменении входного напрюкения емкость будет заряжаться такое же время, но 130 ° Глава 4. Измеренне временных парамегпров разряжаться уже до нового уровня. На следующем зарядном цикле напряжение Ч вЂ” сдвинется выше нового входного уровня, и емкость разрядится до этого уровня. В любом случае разряд происходит через резистор по экспоненциальному закону, до потенциала земли.
Следовательно, время разряда при новом напряжении будет меньше, и длительность НИЗКОГО уровня выходного сигнала уменьшится, делая частоту выше. Точность ПНЧ зависит от линейности источника тока, точности переключения одновибратора и точности конденсатора С1. Длительность импульса одновибратора устанавливается ЯС-цепочкой, следовательно, на эти компоненты надо обратить особое внимание. Кроме того, конденсатор С! и резистор К1 определяют частоту выходного сигнала. Поэтому, обычно, в ПНЧ используют прецизионный резистор и тефлоновый или полипропиленовый конденсатор, обладающий повышенной точностью, по сравнению с керамическим конденсатором.
При запуске конденсатор должен зарядиться от 0 до напряжения входного сигнала. Время включенного состояния одновибратора может быть слишком коротким для обеспечения этого условия. Обычно ключ держит режим заряда до тех пор, пока напряжение Ч вЂ” не достигнет уровня входного сигнала. Типичным примером ПНЧ является интегральная микросхема (ИС) ЕМ231 фирмы Манона( Бепнеопдисгог. В данной ИС используется встроенный источник опорного напряжения для формирования тока заряда; величина тока определяется внешним резистором, соединяющим один из выводов ИС с землей. Диапазон рабочих частот !.М231 составляет 1 Гц...100 кГц. Мы рассмотрели асинхронные ПНЧ. Синхронные ПНЧ работают таким же образом, с той лишь разницей, что время заряда емкости определяется внешним более точным тактовым сигналом, и погрешность изменения частоты в этом случае уменьшится. Это делает характеристики ПНЧ независимыми от АС-цепочки.
Принципы, описанные для других методов временных измерений, могут использоваться и для выходного сигнала ПНЧ. 4.4.1. Применение ПНЧ Одна из областей применений ПНЧ вЂ” обработка информации с датчика, работающего с разными напряжениями смешения. Например, микропроцессорная система может использоваться для контроля температуры в здании, находящемся на некотором расстоянии от нее. Разность потенциалов между землями Зданий может оказаться настолько значительной, что сделает невозможным применение какого-либо из известных цифровых интерфейсов. Вместо использования АЦП, напряжение может быть преобразовано ПНЧ, а полученный сигнал может быть передан микропроцес- 4.5.
Тактовая частота и диапазон ° 131 сору с применением оптической развязки (Рис. 4.6). Для передачи аналоговой величины микропроцессору понадобятся только два провода. Естественно, оптопара должна быть способна работать на максимальной частоте ПНЧ и «развязывать» удаяенные друг от друга земли датчика и микропроцессора. Напряжение питания датчика Напряжение питания микропроцессора Земля микропроцессора Входное напряжение Земля датчика Рис. 4.б. Использование ПНЧ дпя интерфейса с удаленным датчиком Также ПНЧ пригодится тогда, когда требуется передать аналоговый сигнал по зашумленному каналу. До тех пор, пока уровень шума не превышает порога переключения, приемник может извлекать корректные данные.
4.4.2. Фильтрация Использование делителя совместно с ПНЧ (Рис. 4.7) реализует функцию автоматической фильтрации. На Рис. 4.7 показан ПНЧ, соединенный с микропроцессором через счетчик-делитель на 16. В результате на микропроцессор будут поступать суммы 16 циклов сигнала от ПНЧ. Если входное напряжение ПНЧ немного колеблется, зги колебания будут эффективно отфильтрованы. Естественно, фильтрация может быть осуществлена также с помощью программного обеспечения. к ртмроиссоот Входное напряжение Рис. 4.'тт.
Фильтрация сигнала ПНЧ с помощью счетчика 4.5. Тактовая частота и диапазон Все рассмотренные выше методы имеют одно ограничение по частоте дискретизации для измерения периода или частоты. Если ваш датчик может преобразовывать аналоговый сигнал в период с точностью 100 нс, а вы измеряете период, используя тактовый генератор на 2 Мрц (500 не), то 500 нс и будет предельной точностью системы. 132 ° Глава 4.
Измерение временных нараментрав Как известно, разрешение и крутизна преобразования измерительного датчика взаимосвязаны. Например, упоминавшийся ранее температурный датчик МАХ6576 имеет крутизну преобразования 10 мкс/К. Температурный датчик соединен с входом запроса на прерывание МК, и для обработки периодического сигнала с датчика используется счетчик (Рис. 4.8).
Когда происходит прерывание, микроконтроллер считывает результат на выходе счетчика и вычисляет температуру. Если МАХ6576 используется для измерения температуры в диапазоне — 30....6100'С, период повторения сигнала на выходе датчика МАХ6576 будет изменяться от 2.400 до 3.730 мс. При использовании 5 МГц тактового генератора в момент прерывания, МК считывает величину счетчика в диапазоне от 12000 до 18650 отсчетов.
Предположим, что микроконтроллер не снабжен входом захвата: он должен снять показания счетчика, затем вычесть результат из предыдущей величины для получения числа отсчетов, произошедших со времени последнего прерывания. В подобных приложениях микроконтроллер должен обработать либо запретить другие прерывания. Это приведет к изменению времени от запроса на прерывание, устанавливаемого МАХ6576 до обработки прерывания.
Если максимальное время до обработки прерывания составляет 10 мкс, то обшая погрешность всей системы складывается из погрешности МАХ6576 (3.5 — 7.5 градусов) и погрешности за счет этого времени (1 градус). Скажем, сделано предположение, что частота прерываний датчика слишком высока, или что время до обработки прерывания добавляет слишком большую ошибку в измерения. В результате, МАХ6576 устанавливается для работы с точностью 40 мкс на градус Кельвина. Теперь 10-мкс задержка МК внесет погрешность в измерение температуры только на уровне 0.25 К. Однако это изменение характеризуется двумя побочными эффектами.
Тактовая частота 5 Мгц Рис. 4.В. Применение МАХ6516 для измерения температуры в градусах Кельвина 4.6, Увеличение точности нри ограниченном разрешении ° 133 Во-первых, величина, подсчитываемая счетчиком, теперь находится в диапазоне от 48000 до 74600. Поскольку счетчик 16-битный (максимальная величина 65536), измерение высоких температур может привести к переполнению счетчика. Необходимо, чтобы с помощью ПО контролировались такие ситуации, возможно программированием таймера для формирования прерывания при переполнении и установлением флага, показываю1цего, что прерывание произошло.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
