Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007) (1264220), страница 50
Текст из файла (страница 50)
В этом случае каждая выходная величина АЦП служит индексом таблицы для получения исправленного числа. Преимушество такого подхода в том, что вычисления необходимо делать только один раз при калибровке системы. Однако применение энергонезависимой памяти увеличивает стоимость. Как и в любой схеме, требующей калибровки, при замене блоков в производственных условиях может потребоваться дополнительная подстройка параметров (микропроцессора или памяти).
2.5а ний Рис. 9.4. Источник опориогонапряжеиия на основе 1.М336 272 ° Глава 9. Системы высокой точности Микропроцессорные системы обычно не имеют специализированных выводов для калибровки. Так вы можете использовать для этих целей какой-либо вывод микроконтроллера, присоединив его через резистор к положительной шине питания и установив перемычку на плате от данного вывода к земле. При включении питания программа проверит логический уровень на выводе. Если на выводе ВЫСОКИЙ логический уровень, то программа работает в обычном режиме, если НИЗКИЙ вЂ” следует выполнить калибровку. Выходное напряжение ИС 1М336 также изменяется с температурой— на 30 мВ во всем температурном диапазоне ( — 55...+125'С). Этот дрейф также повлияет на результат преобразования, как и рассмотренные ранее отклонения опорного напряжения.
Ряд микросхем ИОН имеют более точный уровень опорного напряжения. Например, И4Х6225 фирмы МАХГМ/суа!!ав при температуре +25'С имеет опорное напряжение 2.5 В с допуском от 2.499 до 2.501 В. Часть микросхем ИОН других версий имеет крайне низкие температурные коэффициенты, достигающие 2ррш/'С. У МАХ6225 есть дополнительная возможность работы в качестве электронного потенциометра, который позволяет произвести настройку диапазона напряжения примерно от 30 до 50 мВ. 9.7.
Влияние изменения температуры в целом Как упоминалось ранее, при изменении температуры изменяются напряжение смещения ОУ, сопротивления резисторов, опорное напряжение и т. д. Все эти погрешности суммируются, влияя на результат преобразования в худшую сторону. Если все компоненты высокоточной системы собраны в одном месте на плате, условно говоря, в левом углу печатной платы, то компенсацию температурной зависимости можно выполнить программно. Коррекцию данных можно будет осуществить подключением дополнительного температурного датчика, располагая его около некоторых компонентов высокоточной системы. Тогда система может быть калибрована при различных температурах, и константы калибровки заносят в ППЗУ.
Программное обеспечение, обращаясь к соответствующим ячейкам ППЗУ, где хранятся константы калибровки, учитывает их, сводя к минимуму все виды температурных погрешностей в высокоточной системе. Допустим, необходимо измерить некоторое напряжение с датчика. В этом случае на вход системы следует подать точное напряжение и поместить устройство в специальную камеру с изменяющейся температурой. Данные микропроцессорной системы затем сравниваются с температурой 9.8.
Заземление и шумы ° 273 и заносятся в таблицу. Результат можно сохранить в какой-либо энергонезависимой памяти, например в ППЗУ (ЕЕРКОМ). При работе система будет при каждом измерении считывать значение термодатчика и выдавать уже скорректированную величину, пользуясь составленной ранее таблицей. Если число точек коррекции получается слишком большим, то можно вычислить компенсирующее значение и обойтись изменением программного кода, вместо того, чтобы использовать таблицу. Для применения данной методики необходимо выполнить следующие пункты: ° Убедитесь, что все компоненты высокоточной системы и температурный датчик возможно расположить в одном месте, где температура постоянна. Для этого может потребоваться герметизация или принудительное охлаждение.
Непрецизионные компоненты, такие как микропроцессор, например, не потребуют герметизации. ° Система должна обеспечивать необходимую пропускную способность и иметь достаточную память для операций с таблицами и проведения необходимых вычислений. ° Подайте на вход системы напряжение строю заданной величины и установите точную температуру при калибровке.
Результаты будут верны настолько, насколько точны калибровочные напряжение и температура. Ранее в примере показан простой метод проверки изменения выходных параметров с изменением температуры. В некоторых системах, где требуется измерять световые или звуковые величины, задание определенных входных параметров может оказаться сложной задачей. Если применены такие прецизионные компоненты, которые сами значительно нагреваются (например, резисторы, на которых рассеивается достаточная мощность), то результаты будут менее точными и коррекцию произвести будет намного сложнее.
Данная методика не для выпуска больших партий систем, поскольку каждый раз требуется точная калибровка. Если датчик находится на удалении от системы, то влияние на него изменений температуры не скомпенсировать, если не использовать дополнительный (второй) температурный датчик. 9.8. Заземление и шумы На Рис. 9.5а изображены АЦП высокою разрешения и кварцевый генератор. Когда генератор переключается, по шине земли протекают значительные токи к источнику питания.
Поскольку сопротивление провода земли всегда несколько больше нуля, в месте соединения земли АЦП с об- 274 ° Глава 9. Системы высокои точности щей землей также будут наблюдаться импульсные помехи. Амплитуда этих импульсов будет зависеть от сопротивления шины земли и от тока генератора. Чем выше разрешение АЦП, тем при меньшем напряжении помехи будут наблюдаться проблемы. Даже при применении довольно медленного АЦП импульсная помеха может создать на выходе нежелательный шум. На Рнс. 9.5б показано, как правильно организовать заземление для того, чтобы свести ошибки к минимуму.
яцп высокого разрешения Кварцевый Кисточнику питания а1 яцп высокопт разрешения Кварцевый К источи питания б1 Рис. 9.5. Шум на шине земли Генератор следует соединить с источником питания отдельным проводом. Такое соединение, разделяющее цепи питания цифровых и аналоговых схем, обычно выполняется при помощи печатного монтажа на плате. Принцип разделения цепей питания цифровых и аналоговых подсистем необходимо учитывать и при использовании ЦАП, УВХ, схем на ОУ и т. п. В большинстве систем высокой точности обязательно применение отдельной шины земли для аналоговых сигналов. Иногда даже требуется провести несколько шин земли для различных аналоговых узлов системы.
Наконец, снижения шума по земле можно достичь дополнительно усилив входной сигнал. Например, при применении 12-битного АЦП, увеличение диапазона входного сигнала от О... 100 мВ до 0...2.5 В изменит 9.9. Печатная плата ° 275 шаг АЦП с 24.4 до 610 мкВ. Таким образом, при входном диапазоне до 100 мВ шумы на уровне 24.4 мкВ создадут ошибку в 1 бит, тогда как в диапазоне до 2.5 В понадобится уже уровень шума 610 мкВ для такой же погрешности.
Конечно, любой шум или смещение, которые появляются на входах, уменьшатся при масштабировании, но результирующий шум, добавленный к сигналу после масштабирования (типа шума земли АЦП), не увеличится. 9.9. Печатная плата Трассировка печатной платы (Рппгед С(гсшг Воагд )луоцг, РСВ) имеет большое значение в аналоговых системах и зависит от квалификации конструктора при ручной разводке или от сложности программы машинной разводки. Непрофессиональная трассировка может привести к паразитной связи по земле и шумам схемы.
Возможна так называемая недоразводка, когда нельзя проложить печатную дорожку и вместо этого запаиваются проводники в изолированной оплетке между элементами схемы, с которыми нет соединения. 9.9.1. Заземление на печатной плате Как уже упоминалось ранее, заземление аналоговых цепей следует выполнить так, чтобы по нему проходили только токи аналоговых сигналов.
Если токи цифровой подсистемы пойдут по аналоговой земле, они создадут шумы и нежелательные смещения сигналов в аналоговых устройствах типа ОУ и АЦП. Если плата обработки сигналов соединяется с источником питания при помощи кабеля, то следует удостовериться, что погонное сопротивление кабеля достаточно мало. Большое сопротивление проводов питания может привести к значительному смещению входного напряжения аналогового сигнала. В прецизионных системах следует предусмотреть для аналоговых цепей отдельные шины земли и отдельные провода в кабеле от источника питания.
Некоторые шумы могут проникнуть из цифровой подсистемы в аналоговые цепи за счет паразитных емкостей печатного монтажа. Для снижения этого влияния можно расположить проводники цифровых сигналов под углом 45' к проводникам аналоговых сигналов. Возможно, также пропустить трассы аналоговых сигналов между плоскими шинами аналоговой земли в многослойной печатной плате по типу сэндвича. Если проводник аналогового сигнала все же оказывается рядом с проводником цифрового сигнала, следует отодвинуть его как можно дальше и между проводниками проложить шину земли.
276 ° Глава 9. Системы высокой точности Аналоговая земля 1 Соединение в одной точке ЦиФровая земля а! Аналоговая земле 2 Соединение в одной точке Аналоговая земля 6> цифроваяземля Соединение водной точке Рис. 9. Гг. Два аналоговых устройства на одной печатной плате АЦП содержит и аналоговую и цифровую секции, и во многих АЦП предусмотрены отдельные выводы земли для аналогового и цифровых сигналов. Компоновка всех цифровых элементов вдали от аналоговой части — верный способ снизить влияние шума цифровых цепей на измеряемый сигнал. В спецификациях на многие АЦП рекомендуется соединять аналоговую и цифровую земли у вывода цифровой земли АЦП.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
