научная статья по теме БЛОК АЦП СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ ИМС ДЛЯ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ Энергетика

Текст научной статьи на тему «БЛОК АЦП СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ ИМС ДЛЯ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ»

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

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Энергетика»