ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЕМКОСТЬ-КОД С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ВРЕМЯИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Преобразователи емкость-код

с промежуточным времяимпульсным преобразованием

Юрий ТРОИЦКИИ

[email protected]

Рассмотрен метод преобразования емкость-код с промежуточным время-импульсным преобразованием с использованием относительного и разностного алгоритмов обработки результатов измерения, устраняющих влияние нестабильности времязадающих цепей преобразователя на результат измерения. Метод может быть реализован на базе современных универсальных микроконтроллеров. Повышение скорости преобразования может быть достигнуто с помощью пикосекундных преобразователей время-код фирмы Асат.

Показано, как использование относительного алгоритма преобразования емкость-время-код наряду с другими запатентованными методами обработки результатов измерения и технологическими достижениями позволили фирме Асат создать семейство устройств Р1С0САР, обладающих уникальными возможностями по диапазону измеряемых емкостей (от долей пикофарад до сотен нанофарад), разрешающей способности (до десятка аттофарад (10-18 Ф), по быстродействию (частота преобразования до сотен кГц), а также имеющих малую потребляемую мощность (токи потребления в микроамперном диапазоне).

Расширение областей применения современных емкостных датчиков приводит к ужесточению требований к средствам преобразования емкость-код, как по разрешающей способности, так и по времени преобразования и помехозащищенности. При этом следует учитывать, что номинальные значения основных емкостных датчиков лежат в пределах от единиц пикофарад до сотен и выше нанофарад. Требования к частоте преобразования измеряемого параметра может изменяться от десятков минут (например, при измерении влажности зерна) до десятков килогерц (в том числе для датчиков ускорения, микрофонных датчиков или МЭМС-датчиков).

На сегодня наивысшую точность преобразования емкость-код обеспечивают преобразователи с ЕА-модуляцией. Так, микросхема AD7745/AD7746 24-битного преобразователя CDC позволяет обеспечивать преобразование емкость-код с эффективной разрешающей способностью до 4 аФ, что соответствует 21-разрядной эффективной разрешающей способности АЦП. Микросхема имеет встроенные средства калибровки смещения и коэффициента передачи преобразователя, а также встроенный термометр, позволяющий учесть темпера-

турные погрешности измерения [1]. К недостаткам устройства следует отнести ограниченный диапазон преобразуемых емкостей (до 17 пФ) и низкую частоту преобразования (от 10 до 90 Гц).

Хрестоматийным методом преобразования емкость-код является метод с промежуточным времяимпульсным преобразованием, основанным на измерении времени заряда (разряда) исследуемой емкости через эталонный резистор и последующим преобразованием время-код [2]. К недостаткам метода нужно отнести влияние на точность измерения отклонения от номинала эталонного резистора в зарядной цепи конденсатора и резисторов, формирующих фиксированный уровень разряда, а также напряжение смещения и входного сопротивления компаратора напряжения. Решение этих проблем обеспечивается при использовании разностного (subtraction algorithm) или относительного (ratiometric algorithm) алгоритма и применении современных информационных технологий.

В основе таких алгоритмов лежит метод последовательного кодоимпульсного преобразования эталонной емкости C r и емкости датчика Cs с последующим вычитанием или делением полученных результатов.

Преобразование происходит в следующем порядке: эталонная емкость С т ключом SW1 (рис. 1) подключается к цепи заряда/разряда и разряжается через ключ SW2 в течение некоторого времени td, затем размыканием ключа SW2 реализуется режим заряда емкости Ст от источника напряжения через резистор R до напряжения ите, фиксируемого компаратором напряжения через интервал времени фиксируемый преобразователем емкость-время-код. Переход в режим заряда емкости и одновременный запуск преобразователя емкость-время-код сигналом «старт» инициируется центральным процессором (ЦП). Останов преобразователя время-код осуществляется сигналом «стоп», формируемым компаратором напряжения через время tт, и определяется выражением:

uref = u

1-е

(1)

где т т = RxCт — постоянная времени цепи заряда эталонной емкости.

Время tт с помощью преобразователя время-код преобразуется в код. Затем ключ SW1 перебрасывается в состояние «б», и в той же последовательности с использова-

нием того же резистора и компаратора напряжения осуществляется преобразование емкости датчика SW1 во временной интервал

и.

ref

и

1-е

tjtr = Cs/Cr

At = ±ACxR,

AN = ftdcxACxR.

5C = AAC/ACmaV = 1/ANm

где 8 С — относительная погрешность квантования преобразуемого разностного зна-

Микроконтроплер

(2)

Совместное решение уравнений (1) и (2) дает следующие соотношения:

(3)

(4)

SW2

Компаратор t старт напряжения —-

Преобразователь 1 Код

время-код

GND

ЦП

где Дt = АС = С-Ст.

Выражение (3) реализуется ЦП при использовании относительного алгоритма преобразования. Как следует из (3), результат преобразования не зависит от нестабильности напряжения источника заряда и и источника опорного напряжения ит/, а также от нестабильности величины сопротивления цепи заряда R и порога срабатывания компаратора напряжения, но зависит от времени его срабатывания (рис. 2). Последний фактор может оказать существенное влияние при использовании универсальных микроконтроллеров.

Выражение (4) реализуется с помощью разностного алгоритма преобразования. Как следует из выражения, в этом случае сохраняется независимость результатов преобразования от нестабильности источников напряжения, порога срабатывания компаратора и времени его задержки, но сохраняются жесткие требования к точности сопротивления цепи заряда R.

Результаты преобразования и tт в код можно представить как:

N = ^ х/ш

= ¿тХ^

где /11к — частота квантования преобразователя время-код. Выбор значения /(с1с определяется совокупностью требований, прежде всего обеспечением требуемой разрешающей способности. Наиболее наглядно этот выбор можно проиллюстрировать на примере реализации разностного алгоритма, описываемого выражением (4).

В этом случае результат времяимпульсно-го преобразования можно представить как:

Рис. 1. Структурная схема разностного и относительного алгоритма преобразователя емкость-время-код

(5)

чения емкости ДСтах; ДДС — абсолютное значение квантованной величины емкости; Д^тах = 1/8С — цифровой эквивалент величины ДСтах.

Величина сопротивления R ограничивается требованиями к времени преобразования, влиянием входного сопротивления компаратора напряжения и собственными шумами резистора. Обычно величину этого сопротивления ограничивают значением 1 МОм. Нетрудно показать, что в соответствии с выражением (6) для измерения значения приращения емкости в нанофарадном диапазоне с погрешностью в десяте доли процента вполне можно ограничиться частотами до 100 МГц, что легко реализуется в современных универсальных микроконтроллерах.

Требования к полной разрядности пре-о бразователя время-код Ытах определяются условием:

зоне 5% отклонения измеряемой величины от эталона достаточно использование 16-разрядного таймера, что поддерживается большинством 8-разрядных микроконтроллеров.

Применение микроконтроллеров семейства Cortex M3 с тактовой частотой свыше 100 МГц и 32-разрядными таймерами, очевидно, позволяет на порядок расширить возможности преобразований время-код. Время преобразования (без учета времени обработки информации) можно оценить из условия:

^п max * 2Nmax/ftdc'

(9)

Отсюда требования к частоте квантования определятся как:

ftd.c * 1/ACmaxXRxSC, (6)

Nmax * (Cr/AC+1)ANm

(8)

(7)

Величину опорной емкости Ст, как правило, выбирают примерно равной среднему значению величины измеряемой емкости, нетрудно показать, что для обеспечения погрешности измерения приращения емкости с погрешностью квантования 0,1% в диапа-

В соответствии с условием (9) время преобразования (о тах) для рассмотренного выше примера при = 100 МГц не превысит 2,4 мс, что соответствует более 440 преобразований в секунду.

Нетрудно показать, что все приведенные соображения действительны и при использовании относительного алгоритма.

Проблема реализации высокоскоростного и высокоточного преобразования в пико-фарадном диапазоне на базе таймеров универсальных микроконтроллеров вызывает определенные трудности, поскольку необходимо перейти в гигагерцовый диапазон частот квантования.

или

Опорная_ частота

Высокоскоростной счетчик 1

Высокоскоростной счетчик 2

старт

пс*Тс

Медленный счетчик

стоп

Результат высокоскоростного

rif1xT, К*---» и»—-

_ !_ т _J ! f2 f

Рис. 3. Временные диаграммы двухступенчатого (нониусного) преобразования время-код

Рис. 4. Упрощенная функциональная схема преобразования время-код конвертера с двухступенчатым (нониусным) методом преобразования

Рис. 5. Временная диаграмма преобразования емкость-время при измерении времени разряда

Требуемую разрешающую способность в этом диапазоне можно реализовать при помощи преобразователя емкость-время-код фирмы Асат с разрешением в пикосекунд-ном диапазоне [3, 4].

В основе преобразования лежит нониус-ный метод, при котором используется две временные шкалы:

• с разрешением в наносекундном диапазоне;

• точного отсчета с разрешением в пико-секундном диапазоне (рис. 3).

Шкала грубого отсчета осуществляется грубым счетчиком путем подсчета импульсов опорной частоты наносекундного диапазона с периодом Тс в интервале между сигналом запуска «старт» и останова «стоп».

В основе принципа формирования шкалы точного отсчета, реализуемого счетчиком, лежит подсчет абсолютного числа прохождений фронтов измеряемого сигнала через линии задержки с временем задержки Тр выполненные на базе простых логических элементов [3, 4] (рис. 4). Шкала точного отсчета

формируется высокоскоростным счетчиком, подсчитывающим задержку f между фронтом импульса «старт» и фронтом первого счетного импульса опорной частоты, а также задержку между фронтом импульса «стоп» и фронтом последнего счетного импульса. Результат высокоскоростного счета фиксируется в динамической памяти. Далее результат с обоих счетчиков заносится в процессор последующей обработки данных, где измеряемый временной отрезок Tx подсчитываете по формуле:

Tx = ncxTc+(nf1-nfl)Tf- (10)

Уникальный метод преобразования емкость-время-код фирмы Acam со встроенными преобразователями время-код с пико-секундным разрешением позволил создать целое семейство PICOCAP-устройств, отличающихся широким диапазоном измеряемых емкостей (от долей пикофарад до сотен нанофарад), высокой разрешающей способностью (до десятка аттофарад), высоким быстродействием, малой потребляемой мощностью [5, 6]. Использованные в устройствах методы компенсации основных источников погрешностей измерения обеспечивают высокую точность и стабильность результатов преобразования. Всю необходимую обработку полученной информации поддерживает интегрированный на кристалле 48-разрядный DSP-процессор.

В основе преобразования емкость-время лежит рассмотренный выше относительный алгоритм. Непринципиальным отличием является то, что необходимую информацию об измеряемой емкости получают не на стадии заряда емкости, а на стадии ее разряда (рис. 5), при этом соотношение (3) остается неизменным.

Повышение помехозащищенности и точности измерения достигается в том числе размещением на кристалле всех элементов измерительной цепи, в частности набора опорных емкостей CT/int и резисторов разряда

Râischarglinf (рис. 6).

Пользователю предоставляется также возможность расширения диапазона преобразования за счет применения внешней опорной емкости CAuxJext и/или разрядного сопротивления Râischarg/ exT

Как известно, для снижения влияния внешних помех используют симметричное (плавающее) подключение емкостных датчиков через экранированные линии подключения (рис. 7).

Влияние паразитных емкостей линий подключения датчика Cpexß, Cpexl и собственные паразитные емкости измерителя C{int могут быть скомпенсированы встроенными аппаратно-программными средствами PICOCAP-преобразователя (рис. 8).

Результаты измерения паразитных емкостей запоминаются и используются при обработке результатов измерения встроенным

CrI I PCO

CsI I PC1

HI

PCAux

^disch/ext !

\ S,

Scr

Sex

Sea

Компаратор Uref Noнапряжения

Cr/int

\ Sdi

Рис. 6. Структурная схема преобразования емкость-время с интегрированными на кристалле резисторами разряда и опорными емкостями

DSP-процессором. Предлагаются также фирменные методы компенсации влияния сопротивления утечки, вносимые цепями подключения датчиков.

Значительную помощь при разработке измерительных приборов, основанных на методе преобразования электрической емкости в цифровой код, оказывают комплекты разработчика: PCap01-EVA-KIT — универсальный набор с возможностью подключения различных измерительных датчиков, и PCap01-HUM-EVA — набор для разработки измерителей влажности по методу преобразования электрической емкости.

В состав наборов входят: электронные платы с портами и коннекторами для подключения к емкостным датчикам и программатор PICOPROG 2.0 c USB, являющийся одновременно и интерфейсом всей системы с компьютером IBM PC.

Базовый элемент набора PCap01-EVA-KIT — материнская плата с установленным на ней измерительным модулем. Набор производит измерения емкости и температуры, кроме цифрового интерфейсного

выхода имеются импульсные выходы, выдающие результаты измерений в виде ШИМ- или ПДМ- (плотностно-импульсно-модулирован-ного) сигнала. Коммуникации с USB-портом компьютера происходят через модуль программатора PICOPROG V2.0. Прилагаемое программное обеспечение имеет дружественную оболочку под Windows, позволяет как получать цифровые результаты измерений, так и строить графики, а кроме того, данные могут быть экспортированы в текстовые файлы.

Проведенный обзор показал, что использование относительного и разностного метода преобразования емкость-время-код значительно повышает точность измерения емкости по сравнению с традиционными методами времяимпульсного преобразования. Повышение тактовой частоты и увеличение разрядности встроенных таймеров/счетчиков современных универсальных микроконтроллеров, таких как микроконтроллеры семейства Cortex-M3, Cortex-M4, позволяют организовывать многоканальную систему мониторинга параметров состояния технологических, медицинских объектов, параметров системы «умный дом» и других систем с использованием емкостных датчиков различного назначения.

Особого внимания заслуживают устройства семейства PICOCAP (таблица, рис. 9), обеспечивающие уникальные возможности по точности, быстродействию и диапазону преобразования параметров емкостных датчиков различного назначения. Запатентованный алгоритм обеспечивает хорошую защиту от паразитных емкостей и хорошую температурную стабильность. Прецизионность, достигаемая методом PICOCAP, соответствует возможностям 24-разрядного АЦП высокого класса и обладает широким диапазоном измерения.

В комбинации с очень низким потреблением мощности PICOCAP прекрасно соответствует требованиям приложений, где необходимо портативное исполнение с минимальным питанием от батареек при широком диапазоне измерений с высокой разрешающей способностью и высокой точностью. ■

C7s I

C6s

C1s I

PC6

PC1

a. n О a.

PC8~

Cr

CPs I

PCO .

0

C7s I

PC5

PC4

a

IS

О a.

PC8-

COs

Cr :

PC7

C3s|

PC7i

_PCgl

a. n О a.

CQsf

PC1|

PCOl

И

Рис. 9. Основные способы подключения емкостных датчиков к выводам преобразователя РСар02: а) восемь датчиков с заземленной обкладкой; б) четыре датчика с плавающими обкладками;

в) три дифференциальных датчика с заземленной средней точкой; г) два дифференциальных датчика с плавающей средней точкой

Литература

1. 24-Bit Capacitance-to-Digital Converter with Temperature Sensor AD7745/AD7746 Analog Devices // www.analog.com

2. Троицкий Ю. Аналого-цифровые преобразователи «емкость-время-код» и «емкость-напряжение-код» // Ремонт и сервис. 2013. № 6.

3. Метод измерения. Интегрированные время-цифровые преобразователи (ВЦП) // http:// acam-e.ru/?page_id=582

4. Kashyap Vijaya and Porwal Saurabh. Resolution, Range and Area Comparison of Digital CMOS Time to DigitalConverter Techniques. Research Journal of Engineering Sciences ISSN 2278-9472 Vol. 3(4), 5. Single-chip Solution for Capacitance Measurement 6. PCap01 Single-chip Solution for Capacitance Measu-April (2014) Res. J. Engineering Sci. 33. PCap02A. March 13, 2013, Version 1.4. rement with Standart Firmware 03.01.02. July 15, 2013.

Таблица. Основные параметры устройств семейства PICOCAP

Параметры РСар01 РСар02 РСарОЗ

Количество подключаемых емкостных датчиков 8 (с заземленной обкладкой) 4 (с плавающими обкладками) 8 (с заземленной обкладкой) 4 (с плавающими обкладками) 6 (с заземленной обкладкой) 3 (с плавающими обкладками)

Разрешающая способность 4 аФ или 21 бит при 2 Гц, 10 пФ базовая емкость 25 аФ или 22 бит при 2 Гц, 100 пФ базовая емкость 23 аФ или 18,7 бит при 5 Гц, 10 пФ базовая емкость 650 аФ или 17,1 бит при 5 Гц, 100 пФ базовая емкость 8 аФ или 20,2 бит при 3 Гц, 10 пФ базовая емкость 390 аФ или 14,6 бит при 9 кГц, 10 пФ базовая емкость

Предельная частота преобразования, кГц до 500 до 500 -

Интегрированные опорные емкости нет Программируемая с шагом 2 пФ в диапазоне до 31 пФ -

Интегрированные разрядные резисторы, кОм 10,30,90, 180 10, 30, 90, 180, 1000 -

Компенсация внутренней и внешней паразитной емкости есть есть есть

НОВОСТИ отладочные средства

Обновление программного продукта для линейки RZ/A1 Renesas

Компания Renesas Electronics Europe официально объявила, что теперь среда разработки IAR Embedded Workbench для ARM имеет полную поддержку комплекта разработчика RZ/A1 Renesas Starter Kit (RSK). Ключевым отличием от RZ/A1 MPU является большой объем — до 10 Мбайт встроенной SRAM, чего вполне достаточно, чтобы избавиться от необходимости внешнего ОЗУ. Такие новшества определяют многочисленные преимущества для потребителя: стоимость оборудования снижается при переходе от 3-чипового решения (CPU, Flash, RAM) к 2-чи-повому (процессор + Flash); производительность ПО увеличивается, поскольку ОЗУ подключается непосредственно к внутренней шине и нет никакой задержки внешнего интерфейса, а конструкция платы устройства становится проще, компактнее и, следовательно, сможет быстрее выйти на рынок.

Кроме того, в условиях, когда средства разработки становятся решающим фактором успешности продукта, Renesas очень рада иметь под-

держку IAR Systems. Среда разработки IAR Embedded Workbench для ARMIDE предоставляет очевидные конкурентные преимущества для Renesas и позволило RZ/A1 достичь показателя EEMBC CoreMark 4,15".

Клиенты имеют возможность оценить RZ/1A на примерах приложений и кода инициализации, в том числе для ЖК-дисплея с помощью IAR

Embedded Workbench. IAR Systems обеспечивает высокую производительность во время выполнения программы, компактный код, мощные инструменты отладки в сочетании с эффективными и простыми в использовании инструментами, предназначенными для анализа выполнения кода в интегрированной в среде разработки. К тому же клиенты смогут выполнять отладку кода ядра с ThreadX and GUIX and Micrium |C/OS-III.

Линейка встроенных микропроцессоров RZ/A1 выполнена на основе микропроцессора Cortex-A9, оптимизированного для рынка человеко-машинных интерфейсов (HMI). Cortex-A9 поддерживает разрешение дисплея WXGA (1280x800), создает условия для одновременной работы двух таких дисплеев, обеспечивает возможность подключать до двух видеокамер и способен взаимодействовать со всеми стандартными интерфейсами — например, 10/100 Ethernet, двумя каналами USB 2.0 и до пяти каналов CAN.

www.ptelectronics.ru