ЛИТЕРАТУРА
1. Антонович С. В. Универсальный контроллер для цифрового управления измерительными приборами // Электроника, микро- и наноэлект-роника. Сборник научных трудов. Под ред. В. Я. Стенина. — М.: МИФИ, 2009. — 302 с.
2. Филиппов А. Г., Аужбикович А. М., Немчинов В. М. и др. Микропроцессорные системы и микроЭВМ в измерительной технике: Учеб. пособие для вузов. — М.: Энергоатомиз-дат, 1995. — 368 с.
3. ГОСТ Р 8. 673—2009. ГСИ. Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные. Основные термины и определения.
4. Страуструп Б. Язык программирования С++. Специальное издание. — СПб: Невский диалект, 2001. — 1104 с.
5. Мартин Р. Чистый код. Создание, анализ и рефакторинг. — СПб.: Питер, 2010. — 464 с.
6. Поликарпова Н. И., Шалыто А. А. Автоматное программирование. — СПб.: Питер, 2009. — 176 с.
7. Шалыто А. А., Наумов Л. А. Методы объектно-ориентированной реализации реактивных агентов на основе конечных автоматов // Искусственный интеллект. — 2004. — № 4. — С. 756—762.
8. Новиков Ф. А. Дискретная математика для программистов: Учебник для вузов. 2-е изд. — СПб.: Питер, 2007. — 363 с.
9. <http://www.maxim-ic.com/datasheet/ index.mvp/id/2812> (дата обращения: 14. 06. 2012).
10. Сорокина С. И, Тихонов А. Ю, Щербаков А. Ю. Программирование драйверов и систем безопасности. Учебное пособие. — СПб: БХВ-Пе-тербург, 2003. — 256 с.
11. Антонович С. В., Немчинов В. М. Способ реализации квазимногопо-точности вычислений во встраиваемых микропроцессорных системах с использованием метода конечных
автоматов // Матер. XXXX Юбилейной междунар. конф., X Между-нар. конф. молодых ученых "Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе IT + SE'2012". Приложение к журналу "Открытое образование". Майская сессия. 12. <http://www.ekosf.ru> (дата обращения: 14. 06. 2012).
Работа выполнена на кафедре "Электронные измерительные системы" НИЯУ МИФИ.
Сергей Викторович Антонович — аспирант кафедры;
® (499) 324-43-94
E-mail: antonovich-s@yandex.ru
Валерий Михайлович Немчинов — канд. техн. наук, профессор кафедры.
® (499) 324-88-33
E-mail: vm-nemchinov@yandex.ru □
УДК 621.382
БЛОК АЦП СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ ИМС ДЛЯ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ1
Ю. И. Бочаров, В. А. Бутузов, Д. Л. Осипов, А. Б. Симаков, В. П. Мирошниченко, Е. М. Онищенко
Рассмотрен блок аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в составе специализированной интегральной микросхемы, предназначенной для считывания, предварительной аналоговой обработки и преобразования в цифровой код сигналов тензорезистивных сенсоров мостового типа. Микросхема ориентирована на использование в микромощных датчиках давления с промышленным интерфейсом "токовая петля 4...20 мА", питание которых может осуществляться от линии передачи данных, а также в других датчиках с жесткими ограничениями на уровень потребляемого тока. АЦП может найти самостоятельное применение в аппаратуре с ограниченными энергоресурсами. Основные параметры АЦП: номинальная разрядность — 14 бит, время преобразования — 32 мкс, напряжение питания — 3,3 В, ток потребления 300 мкА, технология — Би-КМОП с проектными нормами 0,35 мкм. Ключевые слова: аналого-цифровой преобразователь, АЦП последовательных приближений, матрица переключаемых конденсаторов, специализированная ИМС, тензорезистивныш сенсор, датчик давления.
ВВЕДЕНИЕ
Одно из направлений, активно развивающееся в настоящее время, связано с созданием "интеллектуальных" датчиков, в состав которых помимо первичных преобразователей входят также электронные узлы, решающие значительную часть задач по считыванию, первичной обработке и передаче измерительной инфор-
1 Использованы результаты НИР, выполняемых НИЯУ МИФИ в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009—2013 гг.
мации. Эти узлы реализуются или на серийных интегральных микросхемах (ИМС), или с использованием специализированных ИМС. В последнем случае удается достичь лучшего сочетания технических, эксплуатационных и стоимостных показателей при массовом производстве.
В ряде областей применений с особыми требованиями к функциональному составу и параметрам электронных узлов без использования специализированных ИМС сложно обеспечить необходимый технический уровень разработок и получить эффективное решение
Сенсор ■—■—I
□04-
Блок управления и интерфейс ^^^
Ж
V*
Рис. 1. Структурная схема ИМС и подключение внешних элементов
по критерию цена/качество. Одной из них является область создания датчиков для распределенных систем сбора данных и мониторинга удаленных объектов. Часто эти датчики используют один из вариантов промышленного коммуникационного интерфейса "токовая петля 4...20 мА" и должны получать питание от линии передачи данных или от автономных источников питания с ограниченными энергоресурсами.
Для одного из таких применений — датчиков давления с тензорезистивными первичными преобразователями мостового типа специалистами НИЯУ МИФИ и ФГУП ВНИИА им. Н. Л. Духова была разработана специализированная ИМС, структурная схема которой приведена на рис. 1. Микросхема содержит следующие основные блоки: фильтр нижних частот для подавления радиопомех ФНЧ 1, измерительный (инструментальный) усилитель ИУ с программируемым коэффициентом передачи, программируемый фильтр нижних частот ФНЧ 2, два цифроаналоговых преобразователя ЦАП1 и ЦАП 2, источник опорного напряжения ИОН, датчик температуры ДТ, аналоговый коммутатор АК, аналого-цифровой преобразователь АЦП, блок управления и последовательный интерфейс, а также отдельный операционный усилитель ОУ. Кроме того, на схеме показан один из возможных вариантов подключения внешних элементов — тензорезистивного сенсора мостового типа на входе, микроконтроллера МК и драйвера токовой петли Д на выходе. Прототип ИМС реализован на фабрике АМ8 (Австрия) по Би-КМОП технологии с проектными нормами 0,35 мкм [1].
В работе рассмотрены особенности схемной и конструктивно-топологической реализации блока АЦП, входящего в состав специализированной ИМС. Главные требования, предъявляемые к блоку, это обеспечение эффективной разрядности не менее 10 бит при частоте выходных отсчетов до 30 кГц и предельно низком уровне потребляемого тока. Последнее требование предъявляется ко всем блокам ИМС и другим компонентам датчика. Оно обусловлено лимитом тока потребления устройствами, питаемыми от линий интер-
фейса "токовая петля 4...20 мА", которые служат для передачи аналоговых данных, цифровой информации с использованием протокола HART и сигнализации.
АРХИТЕКТУРА АЦП
Разработанный АЦП имеет типовую архитектуру поразрядного уравновешивания (последовательного приближения) с ЦАП на переключаемых конденсаторах (рис. 2). На этих конденсаторах запоминаются также отсчеты входного сигнала в фазе выборки, что позволяет исключить специальное устройство выборки-хранения на входе АЦП.
Для того чтобы исключить необходимость использования конденсаторов с очень большим отношением емкостей старших и младших разрядов, применен обычный способ разделения одной 14-разрядной матрицы на две 7-разрядные матрицы старших и младших разрядов с помощью разделительного конденсатора СА, как показано на рис. 2.
Нижние обкладки всех конденсаторов через ключи SB, S1—S14, управляемые с выхода регистра последовательного приближения РПП, могут подключаться или к общей шине, или к входу АЦП, или к питанию через ключ S0. Верхние обкладки конденсаторов матрицы старших разрядов через ключ SK могут быть подключены к одному из выходов источника опорного напряжения ИОН — шине VR1.
Опорное напряжение VR2 с другого выхода ИОН используется для коррекции смещения нуля компаратора К при замкнутом ключе SK. Оба опорных напряжения равны половине напряжения питания. Параллельный интерфейс блока ИНТ является частью регистра РПП. Через внутреннюю шину микросхемы он подключен к блоку последовательного интерфейса, с помощью которого осуществляется обмен данными с внешними устройствами и управление работой ИМС.
До момента поступления сигнала начала преобразования АЦП находится в фазе выборки. В этом состоянии нижние обкладки конденсаторов матрицы подключены к входу блока. Верхние обкладки конденсаторов матрицы старших разрядов подключены к источнику
СА
S0
■-/.-/.-/г---/.-/
С10 ~4С
3 _С14 _ SKI
С64СГ I ■
С13
32С 64С
S10
Fi
Вх. En
СВ_|_Су_ С^_С3_|_
111 11
S13
S14
2С
4С
С6 32С
_С7_
64С
ififlfr |1]Г
SB S1 S2 S3 S6 S7
VR1
РПП ИНТ
Выход
VR2
ИОН
CR1
CR2
Рис. 2. Структурная схема АЦП
С
опорного напряжения. На конденсаторах обеих матриц ЦАП запоминается сигнал, величина которого равна разности напряжений входного и опорного сигналов. Компаратор на этом этапе находится в режиме коррекции смещения нуля.
После поступления сигнала начала преобразования компаратор переключается в режим сравнения и начинается фаза уравновешивания длительностью 14 периодов тактового сигнала. При этом установившееся значение напряжения на инвертирующем входе компаратора стремится к уровню опорного напряжения. В начале 15-го такта формируется сигнал окончания преобразования, а полученный в текущем цикле результат сохраняется в выходном регистре, заменяя в нем результат, полученный в предыдущем цикле.
На следующем такте после окончания преобразования АЦП автоматически переходит в режим выборки с пониженным энергопотреблением. Длительность фазы выборки, равная 16 тактам, гарантирует требуемую точность установления входного сигнала в полном температурном диапазоне. Поэтому максимальная длительность полного цикла преобразования, включающего фазы выборки, уравновешивания и фиксации результата, составляет 32 такта или 31 мкс при номинальном значении тактовой частоты 1024 кГц, а максимальная частота выходных отсчетов составляет около 32 кГц.
КОМПАРАТОР
Основные требования к компаратору в составе разработанного АЦП — обеспечение необходимой разрешающей способности и требуемого быстродействия при очень жестких ограничениях на уровень потребляемого тока. В отличие от РПП, имеющего минимальное энергопотребление, и который поэтому был реализован с использованием стандартных элементов из цифровой
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.