Аналого-цифрові перетворювачі

 

Аналого-цифровим перетворювачем (ADC)називається схема, призначена для перетворення вхідної аналогової величини у вихідний цифровий код. Мікросхеми аналого-цифрових перетворювачів (далі просто ADC ) випускаються рядом фірм: Analog Devices, Burr-Brown, Exar, Fairchtld Semiconductor, Hitachi, Intersil, Linear Technology, Maxim, Microchip, National Semiconductor, Sipex, echnologies (Toko), Texas Instrumentsі ін. Дані по ADC, що випускаються цими фірмами можна знайти на сайтах виробників. Безперечним лідером в цій області є фірма Maxim,яка випускає найрізноманітнішу номенклатуру мікросхем ADC.

Найважливими параметрами ADCє розрядність, тип інтерфейсу, швидкодія, тип корпусу, характеристики живлення.

Розрядність ADCвизначає точність перетворення. На сьогодні випускаються мікросхеми з розрядністю від 8 до 22. Орієнтовно точність можна оцінити, знаючи значущість молодшого розряду, як величину, обернену до 2ⁿ, де n — кількість розрядів.

Слід зазначити, що реальна похибка буде трохи вищою за рахунок нелінійності характеристики ADC,а також можливих «пропусків коду». Проте і приблизна оцінки похибки цілком достатньо для того, щоб зробити висновок про достатню розрядність для більшості технологічних застосувань. В даний час в технологічних системах цілком достатньою вважається розрядність 12—14 двійкових розрядів.

ADC, що наразі випускаються можуть мати паралельний або послідовний інтерфейс. Паралельний інтерфейс найчастіше використовується в модульних мікропроцесорних системах, коли підсистема аналого-цифрового перетворювача проектується у вигляді окремого модуля. Якщо підсистема ADCрозташовується на одній платі з мікроконтролером і немає особливих вимог по швидкодії системи, то переважним є послідовний інтерфейс. В даний час існує достатньо великий набір різних послідовних інтерфейсів, серед яких найчастіше використовується інтерфейс SPI,оскільки більшість сучасних мікроконтролерів оснащуються апаратною реалізацією цього інтерфейсу.

Важливе значення має швидкодія аналого-цифрового перетворювача. Сучасні ADCза швидкодією можна умовно розділити на 3 групи: низької швидкодії — до 100 ksps, середньої швидкодії — від 100 до 500 ksps, високої швидкодії — понад 500 ksps. Для універсальних технологічних контролерів найчастіше використовуються ADCнизької або середньої швидкодії.

Деякі сучасні мікросхеми ADC мають вбудований мультиплексор, проте кількість каналів в таких мікросхемах зазвичай невелика і управління ними достатньо громіздко, та і вартість значно вища, тому в технологічних контролерах розробники найчастіше роблять зовнішній (по відношенню до ADC) вхідний мультиплексор.

Мікросхеми ADCможуть мати одну або кілька різних напруг живлення. Але для технологічних мікросистем бажано мати одну напругу живлення 5В.

Важливе значення при виборі мікросхеми має тип корпусу. Найоптимальнішим для технологічних контролерів є корпус типу DIP,який дозволяє встановлювати мікросхему на панельку, що значно спрощує ремонт і наладку контролера. Крім того, бажано, щоби корпус мав малу кількість виводів. Зазвичай використовуються мікросхеми з кількістю виводів від 8 до 16.

Ще одним критерієм відбору мікросхем ADC є наявність в них вбудованого джерела опорної напруги, оскільки його відсутність в деяких мікросхемах призводить до необхідності установки на платі додаткових мікросхем і пасивних елементів.

Відповідно до вищевикладених критеріїв можна відібрати, на жаль, тільки кілька мікросхем, наведених у табл. 4.5.

 

Таблиця 4.5 – Мікросхеми ADC

Тип	Розрядність біт	Напруга живлення, В	Струм споживання, мА	Інтерфейс	Опорна напруга, В	Корпус
Мах1240		2,7...3,6	1,4	Посл.	Ext., Int. +2,5	DIP8. S08
Мах187		4,75...5,25	1,5	Посл.	Int. +4,096	WS016, OIP8
AD7853		3...5.5	16,5	SPI	Int., Ext.	DIPS
AD7495		2,7...5,25	3,6	SPI	Int.	DIPS

Розглянемо функціональні зображення і призначення виводів обраних аналого-цифрових перетворювачів. Функціональні зображення наведено на рис. 4.16.

Приведемо короткий опис призначення виводів:

V_dd — напруга живлення;

A_in — аналоговий вхід;

DGND, GND — загальний провід живлення, «земля»;

SCLK — вхід тактових імпульсів;

DOUT — послідовний вихід даних;

CS/ — вхід вибірки кристала;

V_ref — вхід/вихід опорної напруги;

CONV/ — вхід запуску перетворення;

BUSY — зайнято;

AGND — аналогова земля;

SHDN/ — вхід переходу в режим економії;

VDR — вхід управління на рівні вихідних сигналів.

 

 

Рис. 4.16 Функціональні зображення обраних аналого-цифрових перетворювачів

 

Відзначимо деякі особливості мікросхем.

Мах187 — дванадцятирозрядний аналого-цифровий перетворювач з послідовним багаторежимним виходом (зокрема інтерфейс SPI), вбудованим джерелом опорної напруги 4,096В і джерелом живлення +5В.

Мах1240/1241 — дванадцятирозрядний аналого-цифровий перетворювач з послідовним багаторежимним виходом (зокрема інтерфейс SPI). Мікросхема Мах1240має вбудоване джерело опорної напруги 2,5 В, а мікросхема Мах1241не має вбудованого джерела опорної напруги. Водночас, мікросхема Мах1240має знижену напругу живлення +2,7—3,6 В, а мікросхема Мах1241може працювати при +5 В. Решта параметрів у тому числі призначення і розташування виводів, цих мікросхеми повністю відповідають мікросхемі MAXI87.

AD7475/7495 — дванадцятирозрядний аналого-цифровий перетворювач з послідовним багаторежимним виходом (зокрема інтерфейс SPI). Обидві мікросхеми підтримують режим живлення від +5 В. Мікросхема AD7495має вбудоване джерело опорної напруги 2,5 В, а мікросхема AD7475 не має вбудованого джерела опорної напруги.

AD7896 — дванадцятирозрядний аналого-цифровий перетворювач з послідовним багаторежимним виходом і живленням +5 В.

AD7895 — аналого-цифровий перетворювач з послідовним багаторежимним виходом і живленням +5 В. Не має вбудованого джерела опорної напруги.

Таким чином, мікросхеми Мах187, AD7495, AD7896 і Мах1240 мають вбудовані джерела опорної напруги. Проте величина опорної напруги у AD7495і Мах1240відповідає +2,5 В, а у Мах187 — +4,096 В, що накладає певні обмеження на схемотехніку вхідного підсилювача. Крім того, мікросхема Мах1240працює при зниженій напрузі живлення +2,7—3,6 В. Тільки мікросхеми MAXI87, Мах1240і AD7495мають SPI-інтерфейс. Слід відмітити, що у цих мікросхем співпадає функціональне призначення тільки одного з 8 виводів. Все це робить проблематичною розробку універсального посадочного місця на печатній платі під всі перераховані мікросхеми. Фактично розробникові залишається тільки одне — вибрати одну з мікросхем.

Зазвичай перед аналого-цифровим перетворювачем встановлюють вхідний підсилювач з регульованим (або програмованим) коефіцієнтом підсилення. Зі всього різноманіття операційних підсилювачів найбільш підходять за параметрами мікросхеми Мах420 і Ор07. Ці підсилювачі мають високий власний коефіцієнт підсилення, дуже малий вхідний температурний дрейф (0,05 мкВ/°С і 0,2 мкВ/°С відповідно), випускаються в корпусі DIP8і мають відповідну розводку виводів (див. рис. 4.17). Крім того, мікросхему Ор07можна замінити на російську Кр140УД17А, яка має такі ж параметри і розводку виводів.

 

 

Рис. 4.17. Призначення і розводка виводів операційних підсилювачів Мах420 і Ор07

Для комутації вхідних сигналів, а в деяких випадках і режимів масштбованого підсилювача часто використовуються аналогові мультиплексори. Зазвичай в технологічних мікроконтролерах розробник прагне організувати вісім вхідних каналів, що відповідає оптимальному співвідношенню апаратні витрати/вартість.

Найвідомішими, якісними і доступними, безумовно, є мультиплексори фірми MAXIM.Ця фірма випускає на сьогодні 317 типів різних мультиплексорів, мультиплексованих каналів, що відрізняються кількістю, числом мультиплексорів в корпусі, сигналами управління, параметрами каналів, тощо.

Критерії відбору мультиплексорів:

1. Бажано, щоби мультиплексор працював при однополярній напрузі живленні +5 В або двополярній ±10 В.

2. Мікросхема повинна мати стандартний корпус DIP16.

3. Бажана наявність захисту по вхідній напрузі.

4. Мультиплексор повинен мати високу швидкодію перемикання.

5. Бажано максимально низький опір відкритого каналу.

6. Мультиплексор повинен мати паралельні входи управління.

Аналіз відомостей, а також уважніше ознайомлення з документацією, зокрема з розташуванням і призначенням виводів, дозволив зробити висновок про наявність двох груп мікросхем, що відрізняються за електричними параметрами, але співпадають за розташуванням виводів (див. рис. 4.18).

 

а)	б)

 

Рис. 4.18. Призначення і розводка виводів двох груп мультиплексорів

 

Група, представлена на рис. 4.18, а,є старим «De facto»стандартом розташування виводів. На панельку, підключену з цим розташуванням виводів, можна встановлювати мультиплексори Мах358, HI-508, Мах354, ADG508F, Мах378, Мах308, Мах398, МАХЗЗЗ, Кр590кн6 і ряд інших. Друга група, представлена на рис.4.18, б, виконана відповідно до нового промислового стандарту на серію 74НС.Вона об'єднує Мах4051, Мах4581, 74НС4051, 74HС4052, 74НС4053 та інші, відносно нові мікросхеми мультиплексорів.

Один з варіантів принципової схеми вузла аналого-цифрового перетворення для універсального технологічного контролера представлено на рис. 4.19.

Вузол містить всього три мікросхеми: вхідний аналоговий мультиплексор А1 (MАХ358),масштабувальний підсилювач А2 (Мах420)і власне аналого-цифровий перетворювач A3 (Мах187).На входах аналогового мультиплексора А1 встановлена матриця резистора R3.

Перемички JP1і JP2дозволяють включати масштабувальний підсилювач А2в інвертувальному і неінвертувальному варіантах. Перемички JP3дозволяють вибирати один з двох коефіцієнтів посилення, що задаються співвідношенням резисторів R1і R2. Резистори R2можуть використовуватися як постійні, так і змінні. Іноді розробники встановлюють замість резисторів R2спеціальний затискувач для оперативної зміни резистора.

Аналого-цифровий перетворювач A3використовується з внутрішнім джерелом опорної напруги (вивід 03 сполучений з +5 В). Входи управління аналогового мультиплексора СА1:СА3, EN1 і виводи послідовного інтерфейсу SPIаналого-цифрового перетворювача SCLK, DOUT, ADCS/з'єднуються з відповідними входами мікроконтролера. Наведена схема не вичерпує всіх можливих варіантів реалізації вузла. Наприклад, в складніших вузлах замість перемичок можуть бути встановлені аналогові мультиплексори. Масштабувальний підсилювач може мати від одного до кількох коефіцієнтів підсилення. При необхідності підсилювач може містити інтегрувальні кола. Усе залежить від обраного кола завдань універсального технологічного контролера і фантазії розробника.

Рис. 4.19 – Вузол аналого-цифрового перетворення