Создание АЦП с последовательным выводом информации

 

Техническое задание

Амплитуда импульсов запуска, В-5Длительность импульсов запуска, мкс2.0Диапазон изменения входного сигнала, В-2 до +2Длина выходного слова, бит9Частота выходных импульсов синхронизации, МГц0.01Уровни выходных сигналовКМОП+9В

Целью курсовой работы было создание рабочего модуля АЦП с минимальным количеством микросхем. Кроме того в связи с широким распространением современных микропроцессорных систем полезно уметь работать с этой элементной базой.

АЦП было решено построить на основе микроконтроллера ATmega8L производства фирмы Atmel.

1. Описание блок-схемы АЦП

Базовая часть этой схемы - микроконтроллер ATmega8L.

Согласно техническому заданию диапазон входного сигнала лежит в пределах от -2 В до +2 В. Диапазон же входного сигнала АЦП от 0 до Vref (в данном случае Vref=4 В).

В связи с этим входной сигал сначала сдвигается входным сумматором на +2 В, а уже после поступает на несимметричный вход АЦП (PC0).

Импульс запуска поступает на вывод PB0 (весь порт настроен на ввод) и запускает преобразование.

По техническому заданию импульс запуска имеет амплитуду -5 В, и длительность 2 мкс. Следовательно, необходимо инвертировать сигнал запуска.

После завершения преобразования, результат измерения выводится в виде последовательных импульсов через вывод PD0 (весь порт настроен на вывод).

Так как выходные сигналы у используемого нами АЦП не превышают уровня +5 В, а по техническому заданию требуется, чтобы уровень логической единицы составлял +9 В, то на выходе АЦП нужно будет поставить компаратор, который и будет служить формирователем нужного уровня сигнала.

преобразователь микроконтроллер программа

2. Микроконтроллер ATmega8L

В состав модели ATmega8L входит модуль 10-разрядного АЦП последовательного приближения со следующими параметрами:

·Абсолютная погрешность: +/- 2 МЗР

·Интегральная нелинейность: +/- 0,5 МЗР

·Быстродействие: до 15 тыс. выборок/с.

На входе модуля АЦП имеется 8-канальный аналоговый мультиплексор. У выбранного мной микроконтроллера, выпускаемого в корпусе DIP-32, есть только 6 каналов преобразования, кроме того два канала (ADC4 и ADC5) являются 8-разрядными.

Для наших целей понадобиться только один 10-разрядный канал преобразования.

В качестве источника опорного напряжения для АЦП может использоваться как напряжение питания микроконтроллера, так и внутренний либо внешний источник опорного напряжения.

В процессе работы АЦП может функционировать в двух режимах:

·Режим одиночного преобразования, когда запуск каждого преобразования инициируется пользователем.

·Режим непрерывного преобразования, когда запуск преобразований выполняется непрерывно через определённые промежутки времени.

Для управления модуля АЦП используются несколько следующих регистров:

§ADCSRA - регистр управления и состояния.

§ADMUX - регистр управления мультиплексором и выбор источника опорного напряжения.

§SFIOR - регистр специальных функций.

(Для решения поставленной задачи данный регистр не использовался.)

Табл. №1. Разряды регистра ADCSRA.

РазрядНазвание Назначение 7ADENРазрешение АЦП (1-вкл, 0-выкл) 6ADSCЗапуск преобразования (1- начать преобр-е) 5ADFRВыбор режима АЦП 4ADIFФлаг прерывания от компаратора 3ADIEРазрешение прерывания от компаратора 2…0ADPS2:ADPS0Выбор частоты преобразования

Регистр ADCSRA = 0b10001101 (0x8D) .=1, АЦП - включен.

ADSC=0, Преобразование начинается с установкой этого бита. После завершения преобразования этот бит аппаратно сбрасывается в ноль.

ADFR=0, Режим одиночного преобразования. Каждое преобразования запускается пользователем.

ADIF=0, После завершения преобразования этот разряд устанавливается в 1-ку и генерирует запрос на прерывание.

ADIE=1, Разрешение прерывание от компаратора.

ADPS2:ADPS0 =101, Частота преобразования 125 кГц.

Для формирования тактовой частоты модуля АЦП в нем имеется отдельный определитель. Коэффициент деления и соответственно длительность преобразования определяется состоянием разрядов ADPS2…ADPS0.

ADPS2ADPS1ADPS0Коэффициент деления0002001201040118100161013211064111128

Наибольшая точность преобразования достигается, если тактовая частота АЦП находится в пределах от 50…200 кГц.

В нашем случае тактовая частота МК выбрана 4 МГц, а тактовая частота АЦП - 125 кГц.

Табл. №2. Разряды регистра ADMUX.

РазрядНазваниеОписание 7, 6REFS1:REFS2Выбор источника опорного напряжения 5ADLARВыравнивание результата преобразования 4MUX4В данной модели МК отсутствует 3…0MUX3…MUX0Выбор входного канала

Для наших нужд вполне достаточно использовать один канал с несимметричным входом- -ADC0.

В данной модели выводы МК, подключенные к входу АЦП, определяются состоянием разрядов MUX3…MUX0 регистра ADMUX согласно таблице:

MUX3…MUX0 Несимметричный вход0000ADC00001ADC10010ADC20011ADC30100ADC40101ADC50110ADC60111ADC71000…1101Зарезервировано11101.22 В11110 В (GND)

В данном случае значение регистров MUX3…MUX0 = 0000 .

Согласно требованиям технического задания диапазон изменения входного сигнала составляет от -2 В до +2 В. Диапазон модуля АЦП ATmega 8 составляет от 0 до Vref.

Vref=4 В. В качестве источника Vref , как уже говорилось выше, можно использовать как AVcc так и внешний или внутренний ИОН.

Выбор конкретного источника питания зависит от состояний старших разрядов REFS1:REFS0 регистра ADMUX.

REFS1REFS0Источник опорного напряжения00Внешний ИОН, подключенный к выводу AREF; внутренний ИОН отключен 01Напряжение питания AVcc10Зарезервировано 11Внутренний ИОН напряжением 2.56 В, подключенный к выводу AREF.

Регистр ADMUX = 0b00000000 (0x00).

Входной сумматор

Сумматор на входе обеспечивает нужный диапазон входного сигнала на АЦП от 0 до 4 В.

Схема выполнена на основе операционного усилителя OPA404AG.

R1=R3=R4=(R2+RV1)=R2I = 10 кОм.

§UI - Ucc =R4*(Uвх - Ucc)/(R4 + R3)= (Uвх - Ucc)/2 ;

§UI= (Uвх + Ucc)/2 ;

Uвых=R1* UI /R2I+ UI

Коэффициент усиления K= Uвых /UI=2

Напряжение опоры сумматора (Ucc=+2 В) формируется делителем и подается на сумматор через повторитель, реализованный на основе аналогичного операционного усилителя OPA404AG.

. Компаратор

Компаратор на выходе обеспечивает нужный уровень выходного сигнала +9 В.

Компаратор на выходе формирует нужный уровень логического сигнала +9 В.

Для реализации данного требования технического задания был выбран компаратор LM139 фирмы PHILIPS.

Данный компаратор как раз применяется для сопряжения ТТЛ и КМОП схем.

Возможно однополярное питание от 2 до 32 В.В

4. Схема запуска преобразования

По техническому заданию импульс запуска преобразования имеет амплитуду -5 В и длительность 2 мкс.

Соответственно стояла задача инвертировать сигнал.

В стационарном режиме транзистор 2N2369 (PHILIPS) закрыт.

В момент поступления отрицательного импульса транзистор открывается.

UR10= -0.7+5=4.3 В ; IR10= UR10/R10=4.3/470=9.1 (мА).

Соответственно потенциал коллектора падает, формируя сигнал логического нуля на инверторе К155ЛН1.Логическаяединица с выхода инвертора поступает на PB.0.

Питание

Для обеспечения работоспособности представленной схемы требуются следующие номиналы напряжений:

+15 В - Питание операционных усилителей.

+9 В - Питание компаратора.

+5 В - Питание логики, самого микроконтроллера и транзисторной схемы инвертирования импульсов запуска преобразования.

Напряжение питания компаратора обеспечивается источником питания +15 В.

Напряжение +5 В удобнее организовать от отдельного источника.

Для обеспечения требуемых точных напряжений:

+4 В - Опорное напряжение для АЦП.

+2 В - Опорное напряжение для входного сумматора.

Была выбрана микросхема ИОН REF5040 производства фирмы Texas Instruments.

С помощью делителя выставляется точное значение напряжения +4 В. Ток делителя не должен превышать 10 мА, так как это максимальный ток нагрузки REF5040.Ток делителя в схеме выбран порядка 5 мА - это половина выходного диапазона вполне подходит для стабильной работы ИОН и этого тока вполне хватает для потребителей: AVcc и вход ОУ.

Входное напряжение Vin для микросхемы REF5040 лежит в диапазоне 4,296...18 В, так что можно запитывать ИОН от основного источника +15 В.

Уже с этого точного значения формируется опорное напряжение сумматора +2 В.

Делители отгорожены друг от друга повторителем на ОУ OPA404AG.

Требования к источнику питания +15 В:

Непосредственно то источника питания +15 В питаются только операционные усилители, микросхема ИОН, а также делитель напряжения формирующий напряжения питания компаратора.

§Максимальный ток потребления ОУ OPA404AG - 10 мА *4.

§Ток потребления ИОН REF5040 - 1 мА

§Ток делителя на +9 В - 0.7 мА

Источник +15 В должен обеспечить ток нагрузки порядка 45 мА.

Требования к источнику питания +5 В:

От источника питания +5 В питаются микроконтроллер, инвертор К155ЛН1 и схема инвертирования импульсов запуска.

§Ток потребления микроконтроллера в активном режиме - 3.6 мА.

§Ток потребления К155ЛН1 - 33 мА (при низком уровне выходного сигнала).

§Максимальный ток потребления схемы инвертирования импульсов запуска - 9.1 мА.

Источник +5 В должен обеспечить ток нагрузки порядка 46 мА.

. Программа микроконтроллера

Программа микроконтроллера написана в среде программирования CodeVision и протестирована в программе эмуляции Proteus 7.

Текст программы:

/*****************************************************: ADC Kyrkin 3: 1.2: 24.04.2009: Гавриленко Д.Е. : Home type : ATmega8type : Applicationfrequency : 4,000000 MHzmodel : SmallSRAM size : 0Stack size : 256

*****************************************************/

#include <mega8.h>

#include <delay.h>

#include <stdio.h>

#define ADC_VREF_TYPE 0x00 char start_flag=0; // Переменная сигнала старта преобразования.

unsigned int adc_data; // Переменная данных.

// ADC interrupt service routine[ADC_INT] void adc_isr(void)

{

adc_data=ADCW ; //Запись результата преобразования в переменную.

start_flag=2; //Установка начала вывода результатов измерений через ножку PORTD.0 в основном цикле.

//ADCSRA=0x8D; // Установка в 0 флага прерывания от компаратора(бит ADIF).

}

// Declare your global variables heremain(void)

{

// Declare your local variables here

// Input/Output Ports initialization

// Port B initialization

// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In

// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T =0x00;=0x00;

// Port C initialization

// Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In

// State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T =0x00;=0x00;

// Port D initialization

// Func7=Out Func6=Out Func5=Out Func4=Out Func3=Out Func2=Out Func1=Out Func0=Out

// State7=0 State6=0 State5=0 State4=0 State3=0 State2=0 State1=0 State0=0 =0x00;=0xFF;

// Timer/Counter 0 initialization

// Clock source: System Clock

// Clock value: Timer 0 Stopped=0x00;=0x00;

// Timer/Counter 1 initialization

// Clock source: System Clock

// Clock value: Timer 1 Stopped

// Mode: Normal top=FFFFh

// OC1A output: Discon.

// OC1B output: Discon.

// Noise Canceler: Off

// Input Capture on Falling Edge

// Timer 1 Overflow Interrupt: Off

// Input Capture Interrupt: Off

// Compare A Match Interrupt: Off

// Compare B Match Interrupt: OffA=0x00;B=0x00;H=0x00;L=0x00;H=0x00;L=0x00;AH=0x00;AL=0x00;BH=0x00;BL=0x00;

// Timer/Counter 2 initialization

// Clock source: System Clock

// Clock value: Timer 2 Stopped

// Mode: Normal top=FFh

// OC2 output: Disconnected=0x00;=0x00;=0x00;=0x00;

// External Interrupt(s) initialization

// INT0: Off

// INT1: Off=0x00;

// Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization=0x00;

// Analog Comparator initialization

// Analog Comparator: Off

// Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off=0x80;=0x00;

// ADC initialization

// ADC Clock frequency: 125,000 kHz

// ADC Voltage Reference: AVCC pin=ADC_VREF_TYPE;=0x8D;.5=1;

// Global enable interrupts

#asm("sei") (1)

{

int i;

if (PINB==1) //Если на PB.0 приходит импульс начала измерений.

{

ADCSRA=0xCD; //Установка в 1-ку бита ADSC.Запуск преобразования.

}

if (start_flag==2) //Вы полнение условия обработчика прерываний.

{

for (i=1;i<=9;i++)

{

PORTD.0=(adc_data>>i)&1; //Отсекли младший байт.Выводим поочередно результат.

PORTD.5=~PORTD.5;

delay_us(10);

} start_flag=0; //Сбрасываем "start_flag" в ноль.

} (start_flag==0) PORTD=0;

}

}

Спецификация

ЭлементНазваниеПараметрыНоминалКоличествоR1,R3,R4,R6C2-29В-0.25TP=0.25, Допуск 0.1 %10 кОм4R2, R5C2-29В-0.25TP=0.25, Допуск 0.1 %9.1 кОм2R7C2-29В-0.25TP=0.25, Допуск 0.1 %750 Ом1R8C2-29В-0.25TP=0.25, Допуск 0.1 %20 Ом1R9C2-29В-0.25TP=0.25, Допуск 0.1 %100 Ом1R10МЛТР = 0,25 Вт; ТКС 600 х 10-6, 1/°С; ряд Е24; допуск 10%1 кОм1R11МЛТР = 0,25 Вт; ТКС 600 х 10-6, 1/°С; ряд Е24; допуск 10%470 Ом1R12C2-29В-0.25TP=0.25, Допуск 0.1 %6.8 кОм1R13C2-29В-0.25TP=0.25, Допуск 0.1 %1.2 кОм1R14C2-29В-0.25TP=0.25, Допуск 0.1 %12 кОм1RV1, RV23296W-1-202 Р = 0,5 Вт; ряд Е24; допуск 20%2 кОм2RV33296W-1-201Р = 0,5 Вт; ряд Е24; допуск 20%200 Ом1U1ATmega8L1U2:(A,B,C,D)OPA404AG4 (1 корпус) U3:ALM1391U4:1К155ЛН11Q12N23691С1, C2, C5 0.2 мкФ x 8 В3С3, C450 мкФ x 8 D2

Временные диаграммы:

. Сигнал с выхода АЦП Uвх=0.664 В.

. Эталонный сигнал - сигнал инвертировался каждый раз при выполнении цикла.

.Сигнал запуска преобразования.

.Выходной сигнал компаратора. Уровень логической единицы +9 В.

Список литературы

1)П. Хоровиц, У. Хил, Искусство схемотехники, Т1, Т2, Москва, 1986.

2)У. Титце, К. Шенк, Полупроводниковая схемотехника, Москва, 1982.

)А.В. Евстифеев, Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL, Москва 2007.

)Ю. Ревич, Практическое программирование микроконтроллеров ATMEL AVR на языке ассемблера, Санкт-Петербург 2008.

)Б.В. Тарабрин, C.В. Якубовский, Справочник по интегральным микросхемам, Москва, 1981.

Техническое задание Амплитуда импульсов запуска, В-5Длительность импульсов запуска, мкс2.0Диапазон изменения входного сигнала, В-2 до +2Длина выходного с

Больше работ по теме: