CC BY
84Миниатюрные 16-битные АЦП успешно заменяют конвертеры,
встроенные в микроконтроллеры
В современной электронике инженеры стремятся разработать приборы меньшего размера с большей функциональностью, чем прежде. Это касается практически всех применений — от серверных систем размером с комнату до миниатюрных карманных устройств. Конечный продукт, размер которого на 20% меньше по сравнению с устройством предыдущего поколения, будет более конкурентоспособен, чем другой, с размером, меньшим всего на 10%. Ключевым элементом в такой гонке является интегральная схема.
Стив ЛОГАН (Steve LOGAN) Перевод: Дмитрий ВАСИЛЕНКО
Введение
Разработки с требованием уменьшения размера могут включать в себя источники питания, микроконтроллеры, силовые элементы, усилители, АЦП, ЦАП. Инженеры постоянно пытаются решить все или большую часть задач при помощи заказных прикладных интегральных схем (ASIC). Одна из функций, «первая жертва» компромисса между ценой, размером решения и производительностью, — это аналогово-цифровое преобразование. Разработчики зачастую применяют встроенный в микроконтроллер АЦП или АЦП с низким разрешением совместно с усилителем.
АЦП играют ключевую роль при измерении различных величин: температуры, напряжения, тока и других сигналов в реальном времени. Одной из важнейших проблем встроенных в котроллеры АЦП является то, что многие их характеристики (линейность, шумовая характеристика и др.) зачастую не гарантированы. Это приводит к тому, что, хотя в блок-диаграмму микроконтроллера внесен 16-битный сигма-дельта АЦП, разработчик не знает, какое именно у него разрешение.
С другой стороны, современные микроконтроллеры в первую очередь включают в себя большое количество цифровых функциональных блоков: таймеры, регистры памяти и т. д. Собрать воедино все цифровые и аналоговые возможности такого элемента, и даже просто прочитать длинную спецификацию, бывает очень трудно.
Определить точность встроенного АЦП в лаборатории — такая же непростая задача. В различных условиях работы могут теряться биты преобразования, и «16-битный» АЦП превращается на деле в 10-битный. Конечно, цифровая и аналоговые шины питания вну-
три микроконтроллера разнесены, но они расположены на одной и той же шумной полупроводниковой подложке. Как правило, микроконтроллер оптимизирован для цифровых задач, а аналоговые преобразования — это лишь дополнение к первым. Поэтому при разработке контроллеров крайне сложно произвести оптимальную разводку вместе для аналоговых и цифровых блоков.
16-битный АЦП в миниатюрном корпусе
Новое семейство 16-битных АЦП LTC245x от Linear Technology предоставляет дополнительные возможности для решения проблем современного дизайна с наименьшими затратами, так как это устройство практически не
занимает дополнительного места. Например, 1ТС2450 производится в корпусе ББЫ 2x2 мм и разработан для проведения точных аналоговых измерений. Для этой микросхемы точно специфицированы во всем рабочем диапазоне температур такие параметры, как линейность, ошибки сдвига и усиления, шумовые характеристики.
На рис. 1 представлена типичная печатная плата с ПЛИС, источниками питания, микроконтроллерами и дискретными компонентами. Сфера применения таких устройств — оптические телекоммуникационные устройства, системы сбора данных и др. ЦТС2450 занимает всего 4 мм2 и позволяет точно измерять температуру, ток, напряжение или воздушные потоки без смещения на плате других элементов.
Рис. 2. a) LTC2450 на демоплате DC1067 размером 2,8х2,8 см;
б) ИОН LT6660 формирует незашумленное питание 5 В для АЦП LTC2450
Таблица. Характеристики линейки микросхем АЦП серии LTC245x
Наименование Скорость преобразования, выб/с Входной сигнал Цифровой интерфейс Суммарный шум, мкВ Потребляемая мощность, мВт Корпус
LTC2450 30 однополярный SPI 1,4 1,05 DFN-6
LTC2450-1 60 однополярный SPI 1,4 1,05 DFN-6
LTC2451 60 однополярный I2C 1,4 1,2 DFN-8
LTC2452 60 дифференциальный SPI 1,4 2,4 DFN-8
LTC2453 60 дифференциальный I2C 1,4 DFN-8
Несмотря на малый размер, эти дельта-сигма АЦП имеют 16-битное разрешение без потери кодов. Типичная интегральная нелинейность (ВДЬ) составляет 2 НЗР (максимально 10 НЗР); максимальное значение ошибки усиления — 0,02%. Оба параметра специфицированы в индустриальном температурном диапазоне -40.. .+85 °С.
Данный АЦП измеряет однополярный сигнал в диапазоне напряжений от 0 до Усс с точностью 16 бит. АЦП можно применить при измерениях с помощью различных сенсоров: давления, температуры (термисторов), термопар и многих других. Размер ЦТС2450 таков, что он может с успехом заменить встроенный АЦП в микроконтроллер. А стоимость ЦТС2450 сформирована так, чтобы заменить встроенный АЦП было выгодно.
Миниатюрный корпус LTC2450 имеет 6 выводов:
1. Vcc — используется для питания внутренних блоков АЦП, а также для положительной опоры устройства.
2. Напряжение входного сигнала (Vin).
3. Подключение к «земле» (GND), используемое для формирования «земли» для аналоговых и цифровых блоков, а также для отрицательной опоры микросхемы.
4. Три цифровых вывода: вход тактового сигнала (SCK), последовательный порт измеренных данных (SDO), вывод выбора микросхемы chip select/data framing (CS).
На рис. 2а обычная кнопка указывает на
аналоговую часть LTC2450 (Vcc, Vin, GND).
С другой стороны микросхемы расположены цифровые выводы SCK, SDO, CS. Такая
компоновка позволяет упростить разводку печатной платы, а если требуется дополнительно уменьшить занимаемый размер решения, АЦП позволяет работать с 2-провод-ным цифровым интерфейсом, необходимо просто подсоединять вывод CS к «земле». Схема подключения АЦП в демонстрационной плате представлена на рис. 2б. Для формирования чистого питания используется ИОН LT6660, который преобразует 20 В системного питания в незашумленное напряжение 5 В. Данный ИОН также предлагается в корпусе DFN 2x2 мм, его 3 вывода— IN, OUT и GND — подключены к терминалам корпуса с одной стороны. LT6660 обеспечивает высокую точность: 0,2% (максимум) с температурным дрейфом 10 ppm/°C при выходном токе 20 мА, что вполне достаточно для АЦП.
Другие микросхемы серии LTC245x имеют дополнительные функции: более высокую скорость преобразования, интерфейс I2C, дифференциальный вход. В таблице представлены основные параметры этой серии микросхем.
Рассмотрим подробнее 2 прикладные задачи применения 16-битного АЦП серии LTC2450:
• замена менее точного (с разрешением до 12 бит) дешевого АЦП вместе с усилителем на 16-битный;
• интерфейс с сенсорами в зависимости от их импеданса.
Замена менее точного АЦП с усилителем
Один из способов снижения себестоимости измерительной системы — использование АЦП с меньшим разрешением (например, 12 бит с последовательным приближением) вместе с усилителем сигнала. Усилитель позволяет уменьшить разрешение, требуемое от АЦП, и увеличивает входной импеданс схемы. Типичная схема такого решения представлена на рис. 3а.
Основная проблема решения заключается в том, что многие сенсоры имеют очень маленький уровень рабочих напряжений, и зачастую требуется работать в диапазоне от 10 до 100 мВ. При этом необходимо про-
Сдвиг входного напряжения ОУ добавляет ошибку
Сигнал на выходе ОУ/входе АЦП в любом случае искажается в диапазоне до 100 мВ от шин питания
Резисторы, устанавливающие КУ, требуют согласования и высокой точности
Отсутствие ошибок от ОУ или резисторов, а также ограничения входа АЦП
Особо низкий ток выборки АЦП (50 нА) позволяет подключать его вход напрямую к многим сенсорам
Диапазон выходных напряжений сенсора до 5 В
И
Рис. 3. а) Типичное включение 12-битного АЦП для измерений, требующий большего разрешения; б) прямое подключение сенсора к LTC2450
водить измерения с точностью от единиц мВ до сотен мкВ в диапазоне 0-100 мВ. Напряжения возбуждения сенсора могут быть вблизи 0 В или вокруг среднего синфазного напряжения. Одним из решений задачи могут стать микросхемы, снижающие напряжение «земли» на несколько десятков мВ (например, LM7705), которые позволяют в таких условиях использовать линейность операционного усилителя на грани рабочих характеристик. Но обычно инженеры настраивают усиление ОУ: каждое следующее умножение КУ на 2 позволяет уменьшить разрешение АЦП на 1 бит.
Например, при КУ = 16 у усилителя А1 (рис. 3а) оказывается возможным применить 12-битный АЦП вместо 16-битного. Точность измерений в схемах на рис. 3 в первом приближении оказывается одинаковой. Предполагая, что максимальное значение выходного сигнала сенсора 0,25 В, усилитель преобразует их в 4 В. При питании АЦП 5 В оказывается, что АЦП теперь может использовать 80% диапазона входных напряжений вместо 5%.
С другой стороны, использование ОУ при таком включении имеет множество недостатков. Во-первых, сдвиг входного напряжения усилителя (Vos) сразу добавляет значительную ошибку измерения непосредственно на сенсоре. Во-вторых, навесные элементы (например, резисторы в обратной связи ОУ) сами имеют определенную точность, что является еще одним источником ошибки измерений. Такие источники ошибок могут негативно повлиять на точность системы.
В-третьих, усилитель и навесные элементы добавляют занимаемый на плате размер решения. В-четвертых, инженер всегда должен учитывать ограничения усилителя при обработке входного и выходного синфазного сигналов: даже если усилитель обозначен с выходом rail-to-rail, выходной сигнал практически никогда не сможет достичь точных значений Vss и GND, всегда будет зазор от единиц до десятков мВ.
ЦГС2450 был специально разработан так, чтобы его можно было подключить непосредственно к сенсору (рис. 3б). Данный АЦП с 16-битным разрешением без пропуска битов может с успехом заменить систему из 12-битного АЦП с усилителем для измерений показаний с сенсора с выходом до 250 мВ.
В дополнение к этому, АЦП, естественно, позволяет производить измерения во всем динамическом диапазоне до 5 В. ОУ не входит теперь в состав схемы, поэтому нет необходимости заботиться о сдвиге его напряжения и точности навесных резисторов или их шумах, о согласовании их дрейфов. А также можно сэкономить занимаемое место на плате.
Снятие показаний с сенсоров с различным импедансом
Вторая проблема при согласовании сенсора и АЦП: значение импеданса различных сенсоров может варьироваться от единиц Ом до единиц МОм. Архитектура входных каскадов большинства АЦП не оптимизирована для непосредственного подключения вы-сокоимпедансных датчиков. Это обстоятельство требует использования буферов между сенсором и АЦП, что в свою очередь заставляет учитывать ошибки сдвига входного напряжения, а также увеличение места на плате и себестоимости.
Структура входного каскада ЦГС2450 позволяет подключать данный АЦП непосредственно к выходу датчика с импедансом до десятков кОм. Например, при питании 5 В величина Ь8В 16-битного АЦП будет составлять 5 В/ 65536, что примерно равно 76 мкВ. С другой стороны, значение входного тока ЬТС2450 составляет 50 нА, таким образом, выходное сопротивление датчика должно составлять 1,5 кОм для получения ошибки в 1 Ь8В.
Для сенсоров с импедансом более 1,5 кОм необходимо применить буфер с малым входным током, например ЦГС6078. Данный буфер имеет входной ток 1 пА при комнатной
температуре. Один из примеров таких применений — измерение показаний с датчика кислотности (рН-сенсора). Типичное значение импеданса таких датчиков составляет несколько МОм, и при входных токах буфера 1 пА, предполагая, например, у рН-сенсора импеданс в 5 МОм, имеем ошибку не более 5 мкВ, что все еще значительно ниже 1 Ь8В в 76 мкВ. Таким образом, обеспечивается точное и стабильное измерение кислотности.
После добавления буфера (рис. 4) разработчик может использовать перед входом ЦТС2450 фильтр нижних частот. RC-цепочка, включенная как ФНЧ, значительно улучшает качество работы АЦП, обеспечивая как фильтрацию нижних частот, так и уменьшение эффектов наложения спектров. Конденсатор представляет собой резервуар для бесперебойного входного тока АЦП, а резистор изолирует выход усилителя от емкостной нагрузки.
Большинство современных АЦП имеет намного более высокий ток на входе при выборке, чем у ІЛС2450, что добавляет ошибку измерения в связи с падением напряжения на резисторе 1 кОм.
Заключение
Задача современной схемотехники — получать все более высокие характеристики систем при меньшем размере приборов и снижении их себестоимости, что порождает много проблем. Микроконтроллеры со встроенными АЦП могут подойти для задач мониторинга напряжения, тока или температуры. Но при более пристальном рассмотрении вопроса оказывается, что такая измерительная система имеет множество источников ошибок.
Технологии изготовления цифровых микросхем развиваются в сторону уменьшения размеров транзисторов на кристалле, что усложняет встраивание АЦП в современные микроконтроллеры. Инженеры все чаще сталкиваются с проблемами проектирования измерительных систем при переходе на новые серии процессоров.
АЦП серии ЦГС245х оптимальны по себестоимости, занимаемому месту на плате и качеству преобразования. 16-битный АЦП КГС2450 занимает не более 4 мм2 при цене 12-битного и идеально подойдет для решения задач измерения медленно меняющихся величин. ■
Литература
1. Документация на АЦП ІТС2450: http://www.linear.com/pc/ downloadDocumentdo?name=2450fb.pdf
2. Документация на демо-плату с АЦП ІТС2450 (БС1067): http://www.linear.com/pc/productDetail. jsp?navId=H0,C1,C1155,C1283,P86235
3. Ратхор Т. С. Цифровые измерения. ЦП/ЦАП. М.: Техносфера, 2006.
Низкий входной ток ОУ (не более 1 пА при 25 °С) не искажает показания сенсора
К входу АЦП LTC2450 можно добавить ФНЧ без ухудшения параметров
5 В
Т
LTC2450 16 бит АЦП
Резистор изолирует выход ОУ от емкостной нагрузки
Конденсатор работает
как резервуар заряда
для входного тока выборки АЦП
Рис. 4. Измерение показаний LTC2450 с сенсоров с импедансом свыше 1,5 кОм при добавлении буфера и ФНЧ
