CC BY
11924-разрядные АЦП от ANALOG DEVICES -
законченные системы аналого-цифрового преобразования для низкочастотных измерений
Появление специализированных интегральных микросхем и снижение энергопотребления традиционных — таких как операционные усилители, микроконтроллеры, аналого-цифровые преобразователи и т. д. — привело к лавинообразному росту радиоэлектронных устройств, имеющих автономное питание.
Владимир Осилчук
compilech<®mlu-net ш
В немалой степени этому также способствовали широкое внедрение так называемых «трехвольтовых» микросхем (то есть таких, параметры которых нормированы для питающих напряжений о диапазоне 2.7...3,6 В), и ОС-ОС преобразователей, позволяющих получить стабилизированное 3- или 5-вольтовое питающее напряжение из нестабильного, снимаемого с 1-2 батареек.
Особую группу из вышеупомянутых радиоэлектронных устройств состасляют измерительные приборы. От чисто цифровых, таких как калькулятор. их отличает наличие датчика, преобразующего измеряемый параметр в электрический сигнал, и АЦП, а гакже усилителя. Редкий измерительный прибор может обойтись без последнего, поскольку в большинстве случаев амплитуда преобразованного сигнала составляет милли-. микро- или нановолмы. Да и датчики с токовым выходом требуют преобразователь ток-напряжение, который чаще всего выполняется на основе все того же усилителя.
Современные операционные усилители по своим точностным параметрам далеко ушли от своих предшественников, незабвенных иА709 и 1М102, известных нам как 140УД1 и 153УД2. Однако изжить зависимость сигнала на выходе ОУ от питающего напряжения и от разбаланса «плюсового» и «минусового» питания создателям современных ОУ так до сих пор и не удалось. В связи с этим во многих приборах узел питания является чуть ли не самым сложным. Особенно ярко это проявляется в изделиях, созданных на основе микроконтроллеров с интегрированными ЦАП, АЦП, источником опорного напряжения и т. п. — весь прибор может быть выполнен на основе всего 5-6 микросхем, две-три из которых формируют требуемые питающие напряжения. Да и тепловые потери на каком-нибудь последовательном ста-
билизаторе напряжения могут составлять чуть ли не половину от всей потребляемой устройством энергии.
В сеете сказанного очевидна необходимость 8 решениях, позволяющих оптимизировать схемотехнику подобных устройств. Одним из них может являться использование микросхем AD7711-AD7714, а также AD7730 и AD7731, производимых фирмой Analog Oevices.
ОСОБЕННОСТИ МИКРОСХЕМ
По своему функциональному назначению эти микросхемы принадлежат к ждлого-цифровым преобразователям, хотя правильнее их считать даже не чипами, а практически законченными системами аналого-цифрового преобразования для низкочастотных измерений. Они принимают низкоуровневые сигналы непосредственно от датчиков и выдают в последовательном формате цифровое слово — результат преобразования. Использованный сигма-дельта метод преобразования позволяет достичь разрешения до 2«(!) разрядов. Точность преобразования достигает 0,0015 %. среднеквадратическое значение приведенного ко входу шума в лучшем случае может быть не выше КО нВ. Ошибки на концах шкалы и эффекты температурного дрейфа устраняются внутренней автокалибровкой, корректирующей «ноль» и коэффициент усиления внутреннего усилителя. Сигнал от источника поступает на входной каскад с программируемым усилением, построенный на основе аналогового модулятора. Выходной сигнал модулятора обрабатывается внутренним цифровым фильтром. Первая частота режекции последнего программируется путем занесения кодов в соответствующие внутренние управляющие регистры микросхемы, что позволяет программным путем регулировать граничную частоту фильтра и время установления.
Некоторые и) перечисленных АЦП имеют до трех дифференциальных входов, которые
СІТПМ. ОЯ gqmoc
HUMUTM
Рис. 1
по желанию разработчика могут быть программно переконфигурированы в большее количество (до пяти) псевдодифференциаль-ных. Некоторые иэ микросхем снабжены встроенным источником опорного напряжения. а также генератором стабильного тока, необходимым для работы с резистивными датчиками. Таким образом, использование А07711-А07714. А07730, А07731 может позволить обойтись без громоздких схем предварительного усиления сигнала и формирователей питания для них. В итоге упрощается конструкция изделия, снижается себестоимость комплектующих, сокращается время настройки электронной схемы (что опять-та-ки удешевляет изделие), повышается его надежность — словом ваше изделие приобре-
тает хорошие шансы стать конкурентоспособным с лучшими аналогами, в том числе и импортного происхождения.
Все АЦП выполнены по КМОП-тех-нологии, вследствие чего их энергопотребление чрезвычайно мало (например, для А07714 это 500 мкА при тактовой частоте 1 МГц или 1 мА на 2,5 МГц. В дежурном режиме ее потребление может быть снижено до 15 мкВт. рекомендуемое питающее напряжение — 5 В. есть и 3-вольтовая версия этой микросхемы). Выпускаются эти микросхемы 8 24-выводных корпусах типов 501С и 01Р (последние — 0.3-дюймовые пластмассовые или керамические) и 28-выводных ББОР. Они идеально подходят для применения о интеллектуальных системах, управляемых микроконтроллерами или цифровыми сигнальными процессорами, поскольку установка коэффициента усиления, полярности сигнала, выбор канала, конфигурация входов, и частота фильтра осуществляются программно. В них реализованы функции автокалибровки, системной калибровки и фоновой калибровки; допускается считывание и модификация внутренних
РАБОТА AD7714
Краткое описание выводов
Из ранних микросхем (А07711-А07714) наиболее сложной внутренней структурой (и, как следствие этого, более развитыми функциональными возможностями) отличается А07714, в связи с чем мы рассмотрим ее чуть более подробно. Она имеет три независимых дифференциальных входа. Однако если все измеряемые сигналы изменяются относительно общего провода, то она может вести измерения по пяти каналам (один из входов, AIN6, соединен с общим проводом, а пять остальных. AIN 1-AIN5 — с незаземленными концами соответствующих источников сигнала). AD7714 не содержит внутреннего источника опорного напряжения — оно должно вырабатываться в вашем устройстве. Микросхема имеет раздельные цепи питания внутренних аналоговой и цифровой частей, но на практике чаще всего объединяют не только аналоговую и цифровую «земли», но и оба питания (см. рис. 1).
Для связи с микроконтроллером (МК) А07714 имеет входы SCLK. 0IN и выход D0UT — по первому контроллер передает сигнал, фронт или спад которого записывает в микросхему бит. установленный им на DIN, или выводит при чтении очередной бит на D0UT. Вход CS служит, как
Рис. 2
Таблица 1
Bit/ B.I6 Bit 5 Btt4 Bit3 Bil2
0/DRDY RS2 RSI RSO R/W CH2
Прмдочоммя
I При юпиги бит '! должен быть установлен п 0, при *«TetwiH ом ноет состоянии вывода DRDY ? R/W установлен п 0 - будят алорацки iописи в peincrp, и I — чтении из регистра
Brtl
СНІ
вію
сно
Таблица 2
RS2 RSI RS0 Регистр (разрядность. 6ит|
0 0 0 Ретистр обмена 18]
0 0 1 Регистр режима |8)
0 1 0 Верхний ретистр фильтра (8)
0 1 1 Нижний регистр филътро (8)
1 0 0 Тестовый реї истр (8)
1 0 1 Ретистр данных (16 или 24>
1 1 0 Регистр *агтибров*и нуле шкапы (16)
1 1 1 Ретистр «ипиброи’.и млпной шкалы (16)
Таблица 3
калибровочных регистров. Необходимо отметить, что внутренняя разрядность А07711-А07714, А07730, А07731 — 33 бита, хотя результат преобразования передается в микроконтроллер в 24- или 16-битном представлении. Микросхемы имеют последовательный интерфейс, допускающий работу в трехпроводной конфигурации.
СН2 СНІ сно A1NI+) AIN(-) Тип Пара калибровочных регистров
0 0 0 AINI AIN6 Псеодадифференииольный Регистровой ла|>а 0
0 0 1 AIN2 AIN6 Псавдодифферонциальнмй Регистровая паро 1
0 1 0 AIN3 AIN6 Псевлодифференциальный Регистровая пара 2
0 1 1 AIN4 AIN6 Гкввмодиффоренциольный Регистровом пора 2
1 0 0 AINI AIN2 Полностью дифференциальный Регистровая пора 0
1 0 1 AIN3 AIN4 Полностью дифференциальный Регистровое пара 1
1 1 0 AINS AIN6 Полностью дифференциальный Регистровая лора 2
1 1 1 AIN6 AIN6 Тестовый рож И А* Регистровая пара 2
обычно, для активирования микросхемы, выход DRDY сообщает контроллеру о завершении цикла преобразования (при отсутствии свободных входов у МК использование ОРОУ необязательно — информацию о готовности данных можно получить и путем считывания старшего бита регистра обмена). А07714 содержит встроенный тактовый генератор, для запуска которого достаточно соединить с выводами МС1Ш и МС1К-01Л кварцевый или керамический резонатор. Наиболее употребимыми являются резонаторы с частотами 2.4576 и 1 МГц. Допустимо тактирование микросхемы внешним тактовым сигналом. подаваемым на вход МСЫСШ.
Регистры
А07714 содержит 8 внутренних регистров — обмена, режима, верхний и нижний регистры фильтра, тестовый, данных. калибровочный нуля шкалы и калибровочный полной шкалы. Доступ к регистрам осуществляется по последовательному каналу. Последние 3 регистра — 24-разряд-ные, остальные — 8-разрядные.
Основным из них является регистр обмена, который МК может
как читать, так и обновлять. Этот регистр определяет. будет ли следующая операция чте-
Рис. 3
иием или записью и какой из регистров при этом будет* читаться (записываться). После включения, сброса или по завершении любой операции чтения/записи А07714 ожидает запись в регистр обмена. Другими словами, записываемый в микросхему байт автоматически оказывается в этом регистре.
Последовательность записи информации в какой-либо регистр (или считывания ее опуда.
Таблица 4
если это допустимо) такова. Вначале нужно записать в А077 14 8-битное слово, которое содер-
жит сведения о том, с каким из регистров мы будем работать (и будем ли мы писать туда что-то или читать оттуда). Как уже сказано, слово это автоматически попадет в регистр обмена. Прочитав его. AD7714 осуществит требуемые контроллером чтение или запись в соответствующий регистр, после чего вновь будет ожидать записи в регистр обмена с новыми предписаниями.
Мы не случайно так подробно описали идеологию обмена МК и AD7714 — она сильно отличается от той, которая принята в наиболее распространенных последовательных АЦП, в том числе и производимых самой Analog Devices.
Отметим, что при записи в регистр обмена первый из записываемых бит должен быть нулевым. Если же первые несколько бит, пересылаемых в AD7714 в то время, как она ожидает запись в регистр обмена, будут единичными, она их попросту проигнорирует и начнет запись лишь с того момента, когда найдет нулевой бит.
Структура регистра обмена приведена в табл. 1, соответствие битов RS2-RS0 регистрам AD7714 — в табл. 2, битов СН2-СН0 каналам
усилителя выбранного канала (1.2.4,8....128)
и режим работы — оцифровка сигнала или какая-либо калибровка АЦП. При этом возможны следующие режимы калибровки:
• автокалибровка нуля шкалы — оба входа входного усилителя «заземляются», и производится его балансировка до получения нулевого выходного сигнала;
• автокалибровка полной шкалы — на вход усилителя подается максимально допустимый сигнал, равный Uon/Kyc, и его усиление подстраивается до получения на выходе сигнала. равного опорному;
• автокалибровка — последовательно выполняемые автокалибровки нуля шкалы и полной шкалы;
• системная калибровка нуля шкалы — датчик измеряемой физической величины должен подать на вход AD7714 сигнал, вырабатываемый в состоянии, соответствующем принятому за нулевое. А07714 подстроится таким образом, что до следующей такой операции при измерении напряжения, равного вышеупомянутому. вырабатываемый им код будет «нулевым»;
• системная калибровка полной шкалы — датчик должен подать на вход А07714 сигнал, вырабатываемый в состоянии максимального отклонения измеряемой величины от нулевого. AD7714 сформирует код соответствующий максимальному результату измерения;
• системная калибровка смещения — последовательно выполняемые системные калибровки нуля шкалы и полной шкалы;
• фоновая калибровка — перед каждым измерением автоматически производится автокалибровка нуля шкалы.
Структура регистра режима приведена в табл. 4. режимов работы — в табл. 5.
Таким образом, приняв соответствующую команду, AD7714 подстраивается таким образом, что компенсируются дрейфовые смещения как внутри самой микросхемы, так и датчиков-пре-образователей (если, разумеется, система может быть установлена перед соответствующей калибровкой о нулевое состояние и а состояние максимального отклонения от него). И что весьма ценно, в отличие от большинства доступных пользователю АЦП, AD7714 для реализации этих подстроек не нуждается в каких-либо дополнительных аппаратных средствах — свойство чрезвычайно полезное при создании аппаратуры, выпускаемой крупными сериями.
Структура верхнего и нижнего регистров фильтра приведена в табл. 6 и 7. Заносимая в них информация определяет, является ли сигнал в измеряемом канале биполярным или униполярным (B/U равно 0 или 1 соответственно), а также разрядность результата измерения, передаваемого от AD7714 в микроконтроллер (WL равно 0 или 1 — соответственно 16 или 24 бита), и первую частоту режекции внутреннего цифрового фильтра. Записанное в биты FS0-FS11 число (code) должно лежать в пределах от 013Н до FA0H (в десятичном эквиваленте от 19 до 4000), что при тактовой частоте AD7714, равной f(clkin)-2.4576 МГц, обеспечивает первую частоту режекции f(notch) в диапазоне от 1.01 кГц до 4,8 Гц: f(notch) -
Ви7 Вчб B.t5 B.I-J Bit3 Bit? Bit I ВмО
MD2 MD1 MDO G2 Gl GO 0 0
Примечание.
Биты G2G0 олредопиот «оэф. усилении внутреннего уошмтеля — от 128до 0(0,0,0) Возможности дну» млашник битов подробно описоии о фирменном руководстве по использованию микросхем
Таблица 5
MD2 MDI MDO Режим роботы
0 0 0 Обычный (оцифровка)
0 0 1 Аптогапиброока
0 1 0 Системной юпиброако нуля шкапы
0 1 1 Системно* калибровка пошюй шкапы
1 0 0 Системная калибровка смещения
1 0 1 Фоновая кот>бро»«о
1 1 0 Аитокалибровка кули школы
1 1 I Аятоколибровко полной школы
Таблица б
Bit7 m B.I5 ВН4 B<l3 Bit2
B«/U WL 1 0 FS1J FS10
А07714 — в табл. 3.
Следующим важным регистром является регистр режима. Заносимая в него информация определяет коэффициент усиления Кус внутреннего
Bill
FS9
ВиО
FS8
Примечание
Возможности битов В.15 и Bil4 подробно описаны в фирменном |>уг.овадстпе по испопыовомию МИГ0ОООМ
Таблица 7
Bit7 Bit6
FS7 FS6
Bits
FS5
Bit4
FS4
виз
FS3
Bit2
FS2
Bitl
FS1
BitO
FS0
BVm OVea
Рис. 4
in)/code/128. При изменении code форма и ФЧХ фильтра не меняется, меняются
ВХС51
М.1
«ш
Г
А07714
ОД1Д OUT
►О 0414 ■
nscu
Он
ь частоты режекции и полоса пропускания, шоговые входы AD7714 могут работать с униполярными, так и с биполярными вход-и сигналами. Но последняя возможность * не означает, что на аналоговом оходе до-аются полноценные отрицательные сигна-большой амплитуды — для правильного кционирования микросхемы напряжение шалоговом входе, который должен иметь ж высокий потенциал, не должно опускать-пносительно другого входа ниже чем на >8. Поясним сказанное примерами, ак отмечалось, входные каналы могут быть (игурированы или как полностью диффе-^иальные. или как псевдодифференциаль-(AIN1-AIN5 относительно AIN6). 8 любом <ае входные каналы образуют пары (♦) — AIN(-). Как следствие этого, напря-ке на любом из входов AIN(+) исчисляется кительно напряжения на соответствующем (•). Например, если AIN(-) - +2,5 В, Uref -В. Кус - 2 и установлен униполярный ре-I, то диапазон допустимых напряжений для )а AIN(+) будет +2,5...3,75 В. Для биполяр-» режима и тех же AIN(-) и Uref диапазон ряжений для входа AIN(+) будет 5...3.75 В. Если AIN(-) заземлен, то на [*) сигнал в биполярном режиме должен ать в пределах от -30 мВ до +30 мВ. тети м. что при изменении с биполярного униполярный режимы, и наоборот, в схеме оного усилителя ничего не меняется — ме-|тся пишь кодирование выходных данных и ш передаточной функции, в которых пропс-in калибровка.
Цифровой интерфейс
Ьследовательный интерфейс AD7714 состо-05 линий: DIN. DOUT. SCLK. DRDY и CS. Линия (используется для записи данных во енут-►ие регистры AD77K. a 00UT — для выводных из них. SCLK — это входной последований тактовый сигнал — все изменения 3IN или D0UT привязаны к фронтам (или щи) этого сигнала. 0R0Y используется как Ки статуса. Он сбрасывается в 0, когда в вы->см регистр помещается новый результат зования. и устанавливается в 1 после ния чтения из регистра данных. Кроме
тога он также устанавливается в 1 во время обновления выходного регистра, что дает возможность исключить считывание в момент, когда данные недостоверны.
CS. как и везде в микропроцессорной технике. — сигнал выбора микросхемы, необходимый для организации работы более чем одного чипа, обменивающегося с микроконтроллером.
Минимальное количество физических линий, необходимых для организации обмена информацией между AD7714 и контроллером — три. При этом вход CS AD77K должен быть заземлен. а статус DR0Y можно получить путем опроса старшего бита регистра обмена.
На рис. 2 и 3 приведены временные диаграммы операций чтения и записи с использованием сигнала CS для адресации AD771A. Первый из рисунков соответствует чтению из выходного сдвигового регистра, второй — записи во входной сдвиговый регистр. Диаграммы соответствуют случаю, когда на вход POL подан единичный потенциал. При этом чтение данных со входа DIN (на рис. 2) и вывод их на выход D0UT (на рис. 3) происходит во время перепада из 0 в 1 на входе CLK. Если же P0L-0. то чтение и вывод данных происходят во время перепада на входе CLK из 1 в О, все же остальное — без изменений.
На рис. А приведена схема сопряжения AD77H ( микроконтроллером 68НС11. Используется трехпроводный интерфейс, вход CS AD77H соединен с общим проводом. Сигнал DRDY отслеживается программным путем. 68СН11 конфигурирован в режим «ведущий», его бит CP0L установлен в 0, а бит СРНА установлен в I. При этом SCLK
68СН11 устанавливается в 0 на то время, когда он неактивен между операциями обмена. Следовательно, на вход POL AD7714 должен быть подан 0.
В случае когда необходимо управление AD77K по ее входу CS, он должен быть соединен с одним из битов порта 68НС11 (например, с РС1, сконфигурированным как выход). Возможно также и аппаратное определение статуса DRDY. В одном случае выход DRDY AD7714 должен быть соединен с одним из битов порта (например, РСО в режиме входа). Во втором варианте DRDY AD7714 соединяется со входом IRQ 68НС11. и сигнал готовности АЦП вызывает прерывание МК.
На рис. 5 приведена схема сопряжения AD7714 с МК семейства х51. Здесь используется стандартный последовательный порт микроконтроллера. Поскольку у х51 и входные. и выходные данные передаются через один и тот же вывод RxD (он же РЗ.О), то DIN и D0UT у AD7714 объединены и соединены с RxD. Это допустимо, поскольку AD77K не работает в полностью дуплексном режиме — данные, подаваемые на ее вход при выводе информации из нее, игнорируются. Тактовый сигнал х51 в промежутках между обменами данными устанавливается в 1. поэтому вход POL AD7714 должен быть установлен в 1.
При обмене по последовательному каналу х51 первым передает (или принимает) младший бит. в то время как AD7714 ждет старший. Поэтому перед операцией обмена микроконтроллер должен осуществить перестановку порядка битов в словах, для чего разработчик должен предусмотреть соответствующую подпрограмму.
Продолжение следует
АРГУССОФТ Компани _______________
--■■и. ■ официальным лисгрмоьююр фи
Q ANALOG
DEVICES AI)77\\
недорогие прецизионные сигма-дельта АЦП
AV\I.<M, UFA К F_S npc.uamci ссмсйово прсиншонных. ЖОНОМИМ11ЫХ. недороги* смшя-дслыи АЦП с отроен-нммн цифровыми фн дырлын Каждым hi ни* содержи i ИЧОДНО!) >CHIHIC-ll.i lipol раММНрЧСМММ КО «ффИИИСШОМ переда*|н, npoi раммирусмие цифровые фндмры с ид южным подавлением часюил 50 Гп. (ПбкиН последом 1сдь-ныГ< ншсрфсНс. paooiaci «и неючннки ншании 2 7- 5.5 В. тмрсолнм не Гю |сс 10 uKi я рабочем режиме н нчсс» ЙОШОЖНОСИ. переключения И (КОНОМИЧИМН режим
□ ANALOG DEVICES
l*« V 10 Число «»»■■ ~ . Inmlluiitik (4) OlOQ3 Ml. .. Co
ЛП7Ж П 1* \nnt, MB ~
U : >44. Ott» I
Лота» '21 *n—• 0.6011 SjST
Agmi ft fvTTt У ;* :• : mH '.»■ • 1 a^ft 1 « 1a ul\ ,■ 1,1M. i ft IMII ft : 110
Л1/ГГ12 ADTTIJ ■44 apMi ' ~~ 0,001» 2IJJO
ЛПТ714 ;j осой ;
[APTTtS j IB 1*4» 0,0011
V077JO 31 0,061 > I u.w
ptflraoi 'I : 1 lm •«•«> 0.0015 I II.?»
МГГЗД "O.WH5~ Il.ft
CP Clare
iHFNmiNIX
TRACO
CMTlMKXUOi
Все UIIKpOCXCMIJ С(1С1|ифП1|НроПЛ1Ы II piUKIMCM UiallJIOIIC ICMIIC[Mryp *-S5*C. а некоторые • в расширенной (до ♦ 1254 I Цены приведены ,vn K.»iii**cvin«n НШшг и «ключам» вес калош 9 Лтя mvToiiHiux мка пиков вшможнмспсниа-И.нмс иены.
Наш адрес 1Москва. Проспект Мира. 95 « Тел.: »095» 217-24X7.217-2519.217-2505 : Факс: 1095) 216-66-42 ;
- Ишсрнс!: htip:/Mww.urgusM»ft.ni: e-mail: componcnis@argussoft.ru
Honeywell
