Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007) (1264220), страница 49
Текст из файла (страница 49)
1!нйз Ух Яз Г Язх ! ! ! Как можно заметить, входное напряжение смеШения умножается на тот же коэффициент, что и входное напряжение (как в реальном, так и в идеальном случае). Это приводит к значительной погрешности на выходе. В спецификации на ).М318, например, указана величина напряжения смешения от 4 мВ (тип.) до 10 мВ (макс.). Приняв напряжение смешения 1О мВ при усилении 6, получим смещение выходного напряжения 60 мВ. Это три шага АЦП, то есть целых 2 бита ошибки в 8-битной системе с диапазоном 0...5 В. В 16- битной системе такое смещение создаст ошибку в 786 шагов, то есть в 9 бит! Естественно, (.М318 не подойдет для преобразований высокой точности.
К счастью, мы выбрали ОУ ЕМ 318 только для демонстрации проблемы, вызываемой напряжением смещения, поскольку ЕМ318 — высокоскоростной ОУ с малым потреблением тока, но не предназначенный для прецизионных измерений. Для обеспечения высокой точности при усилении сигналов следует выбрать, например, ИС прецизионного ОУ МАХ400 фирмы МАИМ/Райне, напряжение смешения которой составляет всего 1О мкВ. В рассмотренной нами системе с коэффициентом усиления 10, усилитель на основе МАХ400 получит на выходе смещение всего 60 мкВ. Это даже меньше, чем 1 бит при 16-битном преобразовании в диапазоне 0...5 В.
9.3. Входноесопротивление Схемы на основе идеального ОУ обычно рассчитаны при условии, что входные токи ОУ равны нулю, поскольку входное сопротивление ОУ бесконечно. Однако небольшие токи все же текут через входы реального ОУ. Входное сопротивление 1.М318, например, составляет от 0.5 МОм (мин.) до 3 МОм (тип.).
Для упрощения предположим, что сопротивление источника на входе ОУ пренебрежимо мало. На Рис. 92 показано влияние входного сопротивления Вь между инвертируюшим и неинвертируюшим входами. Если предположить, что входное сопротивление ОУ равно 3 МОм, тогда выражение для коэффициента усиления ОУ будет выглядеть следующим образом: В! В! ~~2 ' й! У, = В! ' В!+ %т ' й! + Вг ' В! '~-Я!. В! Ан 268 ° Глава 9. Системы высокой вочносми а! вг Весен сспрстивле ю ус Рве. 9.2. Входное сопротивление ОУ Если величина Ау достаточно велика, тогда слагаемое с Ау в знаменателе будет стремиться к нулю.
Слагаемым, содержащим Яь можно будет пренебречь, и результат будет совпадать с идеальным уравнением. Следовательно, конечное сопротивление Я; влияет на коэффициент усиления ОУ с разомкнутой петлей ОС. Входное сопротивление ОУ 1.МЗ!8 весьма низкое, а ИС МАХ400 обладает, например, входным сопротивлением порядка 30 МОм.
Таким образом, можно выбрать ОУ с высоким входным сопротивлением, использование которого улучшает согласование с низкоомными нагрузками. Другой путь снижения ошибки, вызванной конечной величиной входного сопротивления, заключается в снижении сопротивлений Яг и Яо Естественно, увеличение входного тока ОУ может сказаться на работе других каскадов системы. В данном примере мы пренебрегли сопротивлением неинвертирующего входа ОУ. Если предполагается соединение ОУ с высокоимпедансным источником, тогда конечное сопротивление неннвертирующего входа может образовать с сопротивлением источника делитель напряжения.
9.4. Частотные характеристики На Рис. 9.3 показана типичная зависимость коэффициента усиления от частоты для ИС 1.М318. Коэффициент усиления с разомкнутой петлей ОС падает с ростом частоты до ОдБ (единичное усиление) на частоте 10 МГц. Ранее мы показали, что реальный коэффициент усиления неинвертирующего усилителя на основе ОУ 1.М318 составляет 5.99964 (7.199568~1.2) в отличии от идеального, равного 6.
Теперь, анализируя график на Рис. 9.3 мы видим, что коэффициент усиления с разомкнутой петлей ОС равен 100000 на частоте 0 Гц, 3000 на частоте 1 кГц и 500 на частоте 10 кГц. Если теперь подать на вход усилителя сигнал амплитудой 1.2 В, с коэффициентом усиления, равным 6, то на выходе получим следующие амплитуды для разных частот: 9.5. Влияние гнемлературы на салрагнилление резисгнарав ° 269 ° Выходное напряжение при 0 Гц равно 7.199568 В (коэффициент уси- ления 5.99). ° Выходное напряжение при 1 кГц равно 7.185 В (коэффициент усиле- ния 5.98). ° Выходное напряжение при! кГц равно 7.115 В (коэффициент усиле- ния 5.93).
Даже в 8-битной системе появляется ошибка в 2 бита на частоте 10 кГц. Частотные характеристики ОУ влияют на точность в прецизионных схемах. Чем выше коэффициент усиления, тем более негативным оказывается влияние частотной зависимости. Если в том же усилителе установить коэффициент усиления, равный 60, вместо 6 (Яигйг = 10 кОм/599 ком), тогда усиление упадет до 59.688 на частоте 1 кГц и 54.28 на частоте 10 кГц. 120 тоо 90 во уа Коэффициент усиления (ав( во 40 зо го Ю таа тк (ак(аак тМ таМ Честстл (Гщ (лагернфкт. шкала) Рис.
9.3. Зависимость коэффициента усиления ИС 1 МЗ!8 от частоты 9.5. Влияние температуры на сопротивление резисторов Сопротивление резисторов изменяется в зависимости от температуры. Соотношение между сопротивлением и температурой определяется ятем нерагаурным наэф4ициенатам салратиаления, ТКС (гетре гагате сое(Вс(епг, ТС) и измеряется в миллионных долях — 1О в на градус Цельсия (ррт/'С). Типичные значения ТКС для пленочных резисторов лежат в диапазоне 25...100 ррш/'С. Для вычисления ТКС можно применить следующую формулу: 270 ° глава 9. Системы высокой точности 2 1 ТС р х 1 0 где ХС вЂ” температурный коэффициент сопротивления, Т, — начальная температура, Т, — конечная температура, Я! — сопротивление при температуре Ть Яз — сопротивление при температуре Ть Для того чтобы найти сопротивление резистора при изменившейся температуре, данное выражение можно переписать: ТС х Я х (Тз — Т!) 10 Предположим, что резисторы, применяемые в рассматриваемом нами неинвертирующем усилителе, обладают ТКС, равным 100 ррш/'С, и температура окружающей среды составляет 25'С.
Что произойдет, если резистор, под действием приложенного напряжения нагреется на 10'С? Используя предыдущее выражение, можно определить, что сопротивление его возрастет до 10010 Ом. Это изменит коэффициент усиления (по формуле для идеального усилителя) с б до 5.995. В результате выходное напряжение упадет с 7.2 до 7.194  — нечувствительный эффект для 8-битного преобразования, однако приведет к 1 биту ошибки при! 0-битном и к 2 битам при 12-битном преобразовании. Этот пример искусственный, но приводится для того, чтобы заострить проблему, потому что один резистор может отводить тепло с меньшей эффективностью и поэтому иметь более высокую температуру корпуса, чем другой и по другим причинам.
Например, неудачно разместили резисторы на монтажной схеме или применили резисторы с большим ТКС. Решением проблемы будет перемещение резисторов подальше от горячей ИС, что могло бы уменьшить эту температурную ошибку. Используя резисторы с более низкими температурными коэффициентами также можно уменьшить ошибки, вызванные температурой. 9.6. Источник опорного напряжения В любой системе с АЦП требуется применение источника опорного нанрлзкенин (ИОН).
Все ИОН характеризуются номинальным напряжением и допустимым отклонением от этого напряжения. Поскольку ИОН являются полупроводниковыми приборами, изменения температуры также оказывают на них определенное влияние. 9.б. Источник опорною напряжении ° 271 ИС АМЗЗбА-2.5 — ИОН, схема включения которого во многом схожа со схемой включения ста+ч билитрона (Рис.9.4). При 25'С напряжение, со- йГ здаваемое данной ИС может лежать в пределах от 2.44 до 2.54 В (ИС с индексом В обладают более широким диапазоном выходного напряжения).
ОГ Если ИС 1.М336 используется в качестве ИОН для ий336.2. 5 8-битного АЦП, входному напряжению 1 В соответствует число 100 на выходе (Чавг = 2.54 В) и число 104 (Чяаг= 2.44 В). На выходе 10-битного преобразователя при том же 1 В на входе разброс йг данных будет еше шире — от 403 до 419. Нйт ийч ОООООГОО На Рис. 9.4 также показана схема включения ЬМ336 для подачи на АЦП минимальной, номи- ГЭГ нальной и максимальной величин опорного наОйЭЭ6-2.5 пряжения. При напряжении 0 В на входе, на выходе АЦП также должно быть значение О.
При ли- оГи"'~Ойи "а'х О" " нейном росте входного напряжения, число на выходе АЦП должно увеличиваться на постоянную величину. В рассматриваемой цепи диапазон изменения напряжения составляет 120 мВ. Естественно, такая цепь нуждается в предварительной ручной подстройке.
Компенсация изменений напряжения может быть выполнена программно. Если на систему подается известное точное напряжение, программно можно вычислить смещение. В нашем примере, если подать напряжение 1 В на вход! 0-битного АЦП с ИС 1.М336 в качестве ИОН, выходная величина должна составить 409 при величине опорного напряжения 2.5 В.
Если на выходе АЦП получаем 419, значит опорное напряжение несколько ниже, и все результаты следует умножать на 409/419 или О. 976. Если же резул ьтат равен 403, например, то умножать следует на 1.0 14. Конечно, во многих системах недоступна операция умножения с плавающей точкой, однако ее можно поменять на считывание из 1024-битной таблицы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
