CC BY
11
УДК 681.586
Хахамов А.П.
Магистрант кафедры ЭРИИС ФГБОУ ВО «ОГУ имени И.С. Тургенева»
Орел, Россия
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВИДА АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НА ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ ДАТЧИКОВ РАСПРЕДЕЛЕННОГО КОНТРОЛЯ
Аннотация
В данной статье проводится анализ зависимости энергопотребления датчиков. Основной акцент анализа делается на методе аналого-цифрового кодирования, реализованный на аналого-цифровых преобразователей разного вида (аналого-цифровой преобразователь времяимпульсного типа, интегрирующего аналого-цифрового преобразователя и аналого-цифрового преобразователя с поразрядным кодированием). Также рассматривается вариант использования платы Arduino на основе микроконтроллера с встроенным аналого-цифровым преобразователем, для уменьшения потребляемого питания. Производится обзор принципов работы каждого вида аналого-цифрового преобразователя. На их основе приводится расчет основных параметров аналого-цифрового кодирования и анализ полученных результатов с последующим сравнением и нахождением самого оптимального варианта реализации аналого-цифрового преобразователя.
Ключевые слова
Аналого-цифровой преобразователь, датчик, энергопотребление, АЦП времяимпульсного типа, АЦП с поразрядным кодированием, интегрирующее АЦП, плата Arduino, встроенное АЦП.
Энергопотребление является важным фактором при выборе датчиков. Для разработки наиболее экономически выгодной системы распределенного контроля необходимо осуществлять подбор аппаратуры с наименьшим энергопотреблением. На потребляемую мощность датчиками в целом, влияет энергопотребление их функциональных узлов, а именно: структурное схемотехническое посторонние, быстродействие, число активных элементов, разрешающая способность, реализация индикации и вывода информации результатов контроля. Для уменьшения потребляемого питания производится подбор компонентов, которые обеспечивают низкое энергопотребление. Однако существует возможность дополнительно уменьшить энергопотребление за счет подбора метода аналого-цифрового кодирования, который, позволяет достичь допустимой погрешности измеряемых данных, не увеличивая время преобразования.
При подборе метода аналого-цифрового кодирования, необходимо учитывать следующе условия:
- точность аналого-цифрового преобразования в сравниваемых устройствах ограничена допустимой погрешностью дискретности уд при одинаковой длительности цикла преобразования tпр = const [6, с. 77].;
- АЦП должны формировать максимальный выходной код A'x.max, соответствующий номинальному значению ^ном, которое обратно пропорционально допустимой погрешности дискретности ^ном = 1 / уд [6, с. 77].;
- время задержки срабатывания tзд компараторов и время установления tycT выходного напряжения усилителей не должно превышать половины периода опорной тактовой частоты fo по условию tзд = tycT < 1/2 fo [6, с. 77].;
- время срабатывания аналоговых ключей и коммутаторов, а также время выполнения управляющих операций (сброс цифровых счетчиков, запись кодов в регистры памяти и т. п.) пренебрежимо мало по сравнению с длительностью цикла преобразования fcp [6, с. 77].;
Дополнительным фактором, влияющим на выбор способа аналого-цифрового преобразования при равенстве основных технических параметров, является количество применяемых активных компонентов (операционных усилителей, компараторов, транзисторов) в аналоговой части устройств, увеличение
которых приводит к возрастанию статической мощности потребления аппаратуры контроля. Большую роль играет также принцип работы аналого-цифрового преобразователя.
Для проведения сравнительной оценки потребляемой мощности рассмотрим принципы работы АЦП времяимпульсного типа, АЦП с поразрядным кодированием и интегрирующий частотный АЦП, а также сравним основные параметры АЦП, которые оказывают влияние на энергопотребление.
В АЦП времяимпульсного типа входное напряжение их сравнивается компаратором DA2 с линейно изменяющимся во времени напряжением и1, для формирования которого служит источник опорного напряжения (ИОН) и интегратор на усилителе DA1 с резистором на входе и конденсатором в цепи обратной связи [6, с. 78].
Рисунок 1 - Структурная схема АЦП времяимпульсного типа
Источник: Микромощная аппаратура распределенного контроля с совмещенной линией связи и питания датчиков: монография Ю. Б. Иванов
При изменении напряжения вплоть до момента равенства значений Ц^) = их импульсы частоты /О от генератора тактовых импульсов (ГТИ) суммируются в цифровом счетчике СТ (это определяется уравнением Ц^) = Цо^ / ЯС). После этого срабатывает компаратор DA2, выходным сигналом которого запускается первый формирователь импульсов F1, вырабатывающий короткий импульс для замыкания ключа SA, разряжающего конденсатор С интегратора до нулевого уровня. По фронту выходного импульса формирователя F1 выходной код счетчика СТ записывается в регистр памяти RG, а по срезу этого импульса срабатывает второй формирователь F2, устанавливая на выходе счетчика нулевое выходное напряжение, после чего процесс аналого-цифрового преобразования повторяется [6, с. 79].
Цикл преобразования длится до момента равенства опорного напряжения Цо и выходного напряжения Цх.мах. Длительность цикла преобразования зависит от ЯС-элементов, используемых в схеме интегратора.
Максимальный выходной код схемы время импульсного АЦП определяется формулой
^хмах = ЯС/О = / ио. (1)
Опорная частота выбирается в зависимости от допустимой погрешности дискретности и должна соответствовать условию:
/О > -Мюм / Ы = 1 / Уд^пр (2)
Требования к скорости нарастания Vвых выходного напряжения интегратора на усилителе DA1 и времени задержки tзд срабатывания компаратора DA2 в этом АЦП определяются выражениями
увых > Цо / ^ПР = ЦоУд/о (3)
tзд < 0,5 / /о = 0,5уд^Р (4)
Для уменьшения требований к быстродействию аналоговых функциональных узлов целесообразно использовать многотактное времяимпульсное преобразование с изменением скорости развертки опорного напряжения в разных тактах.
Увеличение количества тактов в цикле преобразования ^пр при одновременном уменьшении в т раз скорости изменения опорного напряжения в каждом последующем такте реализуется в АЦП с поразрядным кодированием (рис. 2). В процессе поразрядного преобразования на выходе ЦАП в первом
< 7 Ь
такте формируется опорное напряжение из.1 = ио/2 которое сравнивается с их, во втором такте -напряжение из.2 = ио/4 в третьем такте - напряжение из.з = ио/8 и т. д. Для получения таких напряжений в схеме АЦП с поразрядным кодированием применен регистр последовательного приближения RG. Если их > ио, то в следующем такте эта единица исключается, а вместо нее в регистр добавляется следующая из соседнего разряда. [6, с. 85]. Если же их < ио, то единица в старшем разряде сохраняется и к ней прибавляется единица из соседнего разряда и т.д. Преобразование заканчивается за время ^р = поТо +1, где п - разрядность регистра; То - период следования тактирующих импульсов.
Рисунок 2 - Аналого-цифровой преобразователь с поразрядным кодированием Источник: Микромощная аппаратура распределенного контроля с совмещенной линией связи и питания датчиков: монография Ю. Б. Иванов
Выходной код АЦП с поразрядным кодированием не зависит от частоты тактовых импульсов, а частотаfo зависит от разрядности регистра n с учетом допустимой погрешности уд:
fo > n / tnp = -log2 Уд / ¿ПР. (5)
Скорость выходного напряжения определяется формулой:
РВых > nUo / tnp = Uofo. (6)
В структурной схеме интегрирующего АЦП для линейного преобразования входного напряжения Ux в частоту импульсов fx выполняется его интегрирование до порога срабатывания компаратора DA2, который задается опорным напряжением Uo. После появления высокого уровня сигнала на выходе компаратора срабатывает D триггер, на С-вход которого поступают импульсы опорной частоты fo от тактового генератора ГТИ. При этом на выходе D-триггера формируется импульс стабильной длительности to = 1 /fo, в течение которого замыкается аналоговый ключ SA для разряда емкости интегратора на усилителе DA1 опорным напряжением Uo, подаваемым через сопротивление обратной связи Roc [6, с. 86].
Рисунок 3 - Интегрирующий частотный аналого-цифровой преобразователь Источник: Микромощная аппаратура распределенного контроля с совмещенной линией связи и питания датчиков: монография Ю. Б. Иванов
В результате непрерывного интегрирования входного сигнала с периодическим разрядом емкости интегратора опорным напряжением на выходе ^-триггера формируются прямоугольные импульсы, частота которых прямо пропорциональна входному напряжению их и не зависит от емкости интегратора [6, с. 90]:
fх = UхRоcfо / UоR. (7)
3 8
Длительность цикла преобразования ¿пр = Аном / fxмxx в таком АЦП задается счетчиком с номинальным кодом Аном, применяемым в составе микроконтроллера, поэтому результат аналого-цифрового преобразования не зависит от опорной частоты^ тактовых импульсов и определяется формулой [6, с. 90]:
Ах = ¿-¡^х = UxRocNнoм / UoR. (8)
При высокой частоте переключения цифровых компонентов быстродействие АЦП с частотным преобразованием (рис. 2.10, а) ограничивается максимальной скоростью нарастания выходного напряжения усилителя DA1 и задержкой срабатывания ¿зд компаратора DA2, допустимые значения которых зависят от опорного напряжения Цо и частоты^ тактовых импульсов согласно условиям [6, с. 91]:
^ > 2fx:мAx = 2 / ¿пруд; (9)
Vвыx > Цо / ¿о = Цо^ = 2 Цо / ¿прУд; (10)
¿зд < 0,5 / ^ = ¿прУд / 4. (11)
Во всех рассмотренных структурных схем АЦП различного типа используются схожие функциональные узлы - источники опорного напряжения, генераторы импульсов, компараторы. Их энергопотребление оказывает влияние на суммарную потребляемую мощность АЦП.
Для сравнительной оценки требований к основным параметрам АЦП разного типа в таблице 1 приведены значения частоты импульсовзадержки срабатывания ¿зд компараторов и скорости выходного напряжения интеграторов РВык, вычисленные при неизменном опорном напряжении Цо = Цх.мах, временем преобразования и с допустимой погрешностью уд < 0,1 %.
Таблица 1
Основные параметры аналого-цифровых преобразователей
Вид аналого-цифрового преобразования Опорное напряжение Uo, В Время преобразования Гпр, мс Число тактов Частота fo, кГц Время Гзд, мкс Скорость Квых, В/мс
АЦП времяимпульсного типа 1,024 40 1 25 20 0,025
АЦП с поразрядным кодированием 1,024 40 10 0,25 2000 0,250
Интегрирующее АЦП 1,024 40 2 50 10 0,050
Источник: Микромощная аппаратура распределенного контроля с совмещенной линией связи и
питания датчиков: монография Ю. Б. Иванов
Согласно расчетным данным, приведенным в таблице 1, для микромощного кодирования напряжений целесообразно использовать метод поразрядного кодирования, который обладание самой большой скоростью нарастания выходного напряжения, что позволяет снизить требования к быстродействию применяемых функциональных узлов и обеспечить меньшее энергопотребление.
С развитием современных технологий, для решения проблемы уменьшения энергопотребления становится возможным, не подбирать специальный метод аналого-цифрового кодирования, а использовать плату Arduino, имеющая в своей основе микроконтроллер, который имеет встроенный аналого-цифровой преобразователь. Использование такой платы, позволяет не только уменьшить габариты используемого оборудования, но и дает возможность создать систему на базе одной платы, подключая датчики напрямую к ее контактам, а также настраивать работу элементов системы, с помощью ввода специальных команд, а не подбирая элементы основной схемы.
В качестве примера рассмотрим плату Плата Arduino UNO, которая имеет следующие характеристики:
Таблица 2
Основные характеристики платы Arduino UNO
Микроконтроллер ATmega 328
Рабочее напряжение 5 В
Рекомендуемое напряжение питания 7-12 В
Максимальный ток одного вывода 40 мА
Тактовая частота 16 МГц
Среднее время преобразований АЦП на максимальной частоте 0,1123 мс.
Источник: http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardUno
-( 39 Ь
-
международный научный журнал «символ науки»
issn 2410-700x
№ 5 /2021
Для подключения внешних устройств к плате Arduino UNO используются специальные контакты, каждый из которых на плате имеет свое назначение. На рисунке 3 представлены основные контакты платы.
Рисунок 4 - Плата Arduino UNO Источник: http://wiki.amperka.ru/products: arduino-uno
Описание контактов платы Arduino UNO приведены в таблице 3.
Контакты платы Arduino UNO
Таблица 3
Контакты питания
VIN Контакт для подключения внешнего источника напряжения
5V: Выходной контакт от стабилизатора напряжения с выходом 5 вольт и максимальным током 1 А.
3V3: Выходной контакт от стабилизатора напряжения с выходом 3,3 вольта и максимальным током 150 мА.
IOREF Контакт предоставляет платам расширения информацию о рабочем напряжении микроконтроллера.
AREF Контакт для подключения внешнего опорного напряжения АЦП относительно которого происходят аналоговые измерения.
GND Контакт вывода земли.
Контакты ввода/вывода
0-19 Контакты общего назначения. Логический уровень единицы - 5 В, нуля - 0 В.
A0-A5 Контакты АЦП. Разрядность - 10 бит. Диапазон входного напряжения - не более 5 В.
3, 5, 6, 9-11 Контакты ШИМ. Позволяет выводить аналоговое напряжение в виде ШИМ-сигнала из цифровых значений. Разрядность ШИМ - 8 бит.
SDA/18/A4 SCL0/19/A5 Контакты для общения платы АМшпо с платами расширения и сенсорами по интерфейсу РС.
Ü £
О О ^ 1/1
< Z Z ш
< <Л
GUS I I I
Источник: разработано автором
к 1* « L
■ • и 1 1 |Т*
1 1 1 • ! rx
си-рипз а
Arduino'" UNO -0Ni
uuu.arduino.ee i
m * •
P0UEB ANALOG IN %
— — — a tn 5u gnd uin «в ai a2 лэ м *5
i Ii ■
Рисунок 5 - Плата Arduino UNO Источник: https://prodatchik.ru/vidy/datchik-vibracionnyj/
Датчики к плате Arduino подключаются к аналоговым контактам напрямую. Используя специальные программные команды, настраиваются основные входные характеристики получаемых данных, такие как: опорное напряжение, время преобразования, частота преобразования и другие
Поступающие данные с датчиков обрабатываются встроенным АЦП и далее передаются через плату Arduino на средства вывода информации. Типовое подключения датчика к плате плату Arduino представлены на рисунке 5.
Одним из преимуществ использования встроенного АЦП платы Arduino, является то что АЦП может работать в 2-х режимах: непрерывное преобразование и одиночное. В случае одиночного преобразования, АЦП автоматически переходит в режим пониженного энергопотребления, после окончания преобразования. Данные режимы можно настроить программно в плате специальными кодами.
Режим одиночного преобразования позволяет экономить энергию. Например, вместо режима непрерывного преобразования на основной рабочей частоте, можно увеличить в несколько раз максимальную частоту дискретизации, но при этом, со стороны микроконтроллера запускать одиночные преобразования на основной рабочей частоте. АЦП будет находится в режиме непрерывного преобразования только в моменты работы на основной частоте, а все остальное время АЦП будет находиться в режиме пониженного энергопотребления, тем самым потребляя значительно меньше.
Сравним основные параметры лучшего вида построения АЦП, приведенного в таблице 1 и параметры встроенного АЦП в плату Arduino UNO.
Таблица 3
Сравнение параметров АЦП с поразрядным кодированием и встроенного АЦП в плату Arduino UNO.
Вид аналого-цифрового преобразования Опорное напряжение Uo, В Время преобразования Гпр, мс Частота fo, кГц Скорость Квых, В/мс
Встроеное АЦП в плату Arduino UNO 5 0,1123 125 625
АЦП с поразрядным кодированием 1,024 40 0,25 0,250
Источник: разработано автором
Исходя из данных приведенных в таблице 3, можно сделать вывод о том, что встроенное АЦП в плату Arduino UNO обладает значительно меньшим временем преобразования, что позволит быстрее производить необходимые операции, и при программной настройке режима пониженного энергопотребления, будет требовать малое количество питания. Также скорость нарастания выходного напряжения у в АЦП строенного в плату Arduino гораздо больше, чем у АЦП с поразрядным кодированием, что позволяет значительно снизить требования к быстродействию применяемых функциональных узлов и обеспечить подавление гармонической сетевой помехи
Список использованной литературы:
1. Клаассен, К. Основы измерений. Датчики и электронные приборы - Москва: Наука, 2008. - 352 с.
2. Фрайден, Дж. Современные датчики. Справочник - М.: Техносфера, 2006. - 592 с.
3. Хадлстон, Крид Проектирование интеллектуальных датчиков с помощью Microchip dsPIC - М.: МК-Пресс, 2008. - 320 с.
4. Хашемиан, Х. М. Датчики технологических процессов. Характеристики и методы повышения надежности - М.: Бином, 2008. - 336 с.
5. Эткин, Л. Г. Виброчастотные датчики. Теория и практика - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. - 408 с.
6. Микромощная аппаратура распределенного контроля с совмещенной линией связи и питания датчиков: монография / Ю. Б. Иванов. - Орёл: Академия ФСО России, 2017 - 256 с.
7. Загорский Я.Т., Иванов Б.Р. Микромощные электронные измерительные устройства. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 320 с.
© Хахамов А.П., 2021
