— устраняет дисбаланс ротора, вызванный вибрациями и эксплуатационными нагрузками.
Применение подобной системы позволит, по мнению автора, значительно улучшить нагрузочные характеристики аэростатических шпиндельных узлов станков и приборов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Клименков Ю. С. Анализ существующих методов повышения рабочих характеристик аэростатических
опор // Вестник машиностроения. — 2008. — № 5. — С. 14—19.
2. Клименков Ю. С., Легаев В. П. Газостатические опоры с системами автоматического регулирования. Моделирование и расчет // Lap Lambert Academic Publishing. Germany. — 2011. — 131 c.
3. Клименков Ю. С., Легаев В. П. Система автоматического управления газостатической шпиндельной опорой // Датчики и системы. — 2011. — № 10. — С. 46—50.
4. Шейнберг С. А., Жедь В. П., Шише-ев М. Д. Опоры скольжения с газовой смазкой. — М.: Машиностроение, 1969. — 336 с.
5. Легаев В. П., Клименков Ю. С. Газовая опора с повышенной несущей способностью и жесткостью // Вест-
ник машиностроения. — 2008. — № 4. — C. 18—20.
6. Грэссем Н. С., Пауэлл Дж. У. Подшипники с газовой смазкой: пер. — М.: Мир, 1966. — 423 с.
7. Клименков Ю. С, Легаев В. П. Пьезоэлектрический регулятор расхода // Датчики и системы. — 2009. — № 8. — С. 75—78.
Юрий Сергеевич Клименков — канд. техн. наук, доцент кафедры "Приборостроение и информационно-измерительные технологии" Владимирского государственного университета имени А. Г. и Н. Г. Столетовых (г. Владимир).
® (4922) 47-96-20
E-mail: klimur_vlgu_piit@mail.ru □
УДК 621.3.083.71
УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫХ СИСТЕМАХ
Р. Р. Бабаян, В. П. Морозов
Рассмотрены структуры и схемотехника входных аналоговых устройств связи микроконтроллерных систем (МКС) с объектами управления.
Ключевые слова: микроконтроллерные системы, аналоговые устройства, преобразование сигналов, схемотехника.
В состав микропроцессорных систем (МКС), управляющих внешним оборудованием или процессами, помимо однокристальных вычислителей — микроконтроллеров (МК) [1] входит также множество вспомогательных электронных блоков, специализированных для различных применений и условий работы. Несмотря на наличие современного высокопроизводительного цифрового ядра, в основную структуру МКС часто включаются дополнительные аналоговые модули, осуществляющие операции предварительной обработки сигналов. В первую очередь, это модули (а в последнее время микросхемы) для обработки сигналов датчиков: нормализаторы, масштабные преобразователи, фильтры, линеаризато-ры характеристик и другие.
Из перечисленных модулей преобразователей физических величин (температуры, давления, силы, напряжения, тока) и коммутаторов аналоговых сигналов (КАС) формируется входная ин-
формационная часть (front end) МКС автоматического управления оборудованием и технологическими процессами, а также измерительных МКС. Для ряда операций используются программируемые логические и аналоговые интегральные схемы (ПЛИС и ПАИС) [1-3].
Тип и число подключенных к МК внешних функциональных модулей, приборов и устройств зависят от постановки целевой задачи. Однако различные управляющие и измерительные МКС имеют, в основном, сходные построение и состав.
Основное направление совершенствования МКС, конечно, это повышение вычислительной мощности цифровой части процессорного ядра системы путем увеличения тактовой частоты, объема памяти и разрядности. Все более жесткими становятся также условия уменьшения потребляемого тока и напряжения питания. Чтобы обеспечить соответствие этим требованиям, производители постоянно обновляют состав много-
численных семейств МК, специализированных в той или иной мере для конкретных областей применения, но сохраняющих преемственность в части архитектуры и программирования.
Так, в развитие распространенной архитектуры ARM, использующей RISC процессор, для промышленных применений были разработаны МК с модифицированной архитектурой Cortex. На основе варианта Cortex-МО одна из ведущих в области МК фирм NXP Semiconductors недавно выпустила несколько недорогих интегральных схем (ИС) и в том числе ориентированное на применение в системах промышленной и бытовой автоматики семейство 32-разрядных МК LPC1200 с тактовыми частотами до 45 МГц и напряжением питания 3,3 В [3]. МК LPC1227, например, имеет память RAM — 8 Кбайт, Flash — 128 Кбайт, ток потребления при полностью подключенной периферии 14 мА, при тактовой частоте 12 МГц — 4,6 мА, в "спящем" режиме — всего 720 мкА, что удобно в системах с автономным питанием.
Однако качество преобразования физических величин в электрические сигналы во многом определяется метрологическими характеристиками аналоговых устройств, обеспечивающих предобработку сигналов в каждом из каналов сопряжения с МК. Ряд ошибок таких устройств, в частности, погрешность нелинейности могут быть устранены как собственными средствами, так и при последующей цифровой обработке.
Современная тенденция, важная для расширения применений МК — постоянное расширение номенклатуры дополнительных функциональных элементов, обеспечивающих связи с датчиками технологических параметров и другими внешними устройствами, в том числе, размещенными на одном кристалле. В LPC1227 — это 10-разрядный 8-канальный АЦП (на рис. 1 показан как внешний со своим источником опорного напряжения), два компаратора с внешними цепями обратной связи, четыре таймера, делитель
32-разрядных целых чисел, входные инверторы и многое другое. Группу встроенных устройств ввода—вывода составляют интерфейсы шин 1С с напряжением до 5 В и 88Р/8Р1, а также ШВ-порт и два асинхронных приемопередатчика (UART), один из которых может работать с RS-485. МК имеет 55 входов, а все выводы ИС являются многофункциональными, их назначение определяется программно.
Пример структуры входной части МКС приведен на рис. 1. Входные сигналы, как правило непрерывные, от датчиков технологических параметров можно подавать в МК для дальнейшей обработки либо непосредственно, либо через усилители, коммутаторы. Для ряда физических величин (давления, силы, температуры) целесообразно использовать специализированные измерительные преобразователи (ИП), иногда выполняемые в виде интегральных схем (ИС).
Непосредственный ввод низкоуровневых сигналов нескольких датчиков в МКС требует применения прецизионных коммутаторов аналоговых сигналов или мультиплексора (КАС1 на рис. 1). При этом коэффициенты последующего усиления для разных каналов целесообразно изменять, чтобы эффективнее использовать динамический диапазон АЦП. Сигналы от специализированных ИП можно подавать в МКС без промежуточного усиления через коммутатор средней точности (КАС2 на рис. 1).
Наибольшим разнообразием отличаются ИП температуры, которые, как и другие устройства предобработки (кондиционирования) входных сигналов, до недавнего времени выполнялись из сочетания дискретных и интегральных элементов в одном модуле.
Традиционной можно считать структуру интегрально-дискретного ИП температуры (рис. 2), где сигнал термопары поступает на неинверсный вход масштабного усилителя с коэффициентом передачи 250, задаваемым навесными резисторами. Этим определяется чувствительность преобразователя, равная 10 мВ/°С с термопарой типа К. Компенсация температуры холодного спая осуществляется с помощью полупроводникового датчика температуры ИС типа ТМР35 с выходным напряжением 250 мВ при 25 °С, диапазон температур 250 °С, отдаваемый ток до 5 мА, потребление 180 мкА. Высокий коэффициент усиления входного сигнала и несимметричный вход делают ИП подобного типа весьма чувствительными к синфазной помехе, поэтому их требуется
Рис. 1
48 - Sensors & Systems • № 3.2014
МК в цифровой форме разработаны комбинированные устройства обработки. ИС AD7790 (рис. 5) содержит входной буфер (усилитель с программируемым от МК усилением 1, 2, 4, 8), источник эталонного напряжения 2, 5 В, ЕЛ АЦП (эффективное число разрядов 13,4), интерфейс 8Р1. Входной ток 1 нА, ток потребления 75 мкА при напряжении 3,3 В.
Аналого-цифровой измеритель температуры ИС ADT7320 с погрешностью ±0,2 °С в диапазоне —10...+85 °С и ±0,25 от -20 °С до +105 °С помимо внутреннего 16-разрядного АЦП содержит также интерфейс 8Р1. Подавление синфазного сигнала частоты 50 Гц—100 дБ. Ток потребления составляет 230 мкА (при одном измерении в секунду).
ИП для подключения к МКС мостового маг-ниторезистивного датчика показан на рис. 6. Его структура близка к приведенной на рис. 3, но он выполнен из дискретных элементов — сдвоенных защищенных от перегрузок по входу высокоточных ОУ АЭ8622 с однополярным питанием 2,5...15 В. Вторая половина выходного ОУ ис-
размещать возможно ближе к чувствительному элементу — термопаре.
Более помехоустойчив полностью интегральный ИП на микросхеме AD8494 с чувствительностью 5 мВ/°С для термопары типа J (рис. 3), в котором входное усиление осуществляют дифференциальная двойка А1, А2 и преобразователь в синфазный сигнал А3, подавляющие синфазные помехи на 80 дБ. Это позволяет вынести термопару на значительное удаление от МКС и подключить ее с помощью длинной линии из обычного, иногда экранированного, провода.
ИС типа AD849х многофункциональны, в частности, они позволяют сгладить нелинейность чувствительного элемента — термопар типа J, К и Т [4]. С использованием имеющегося в ИС компенсатора температуры холодного спая КХС и дополнительного прецизионного ОУ, к выходу которого подключен 10-разрядный АЦП, может быть построен аналого-цифровой измеритель температуры окружающей среды (фактически — корпуса ИС размером 3,2 х 3,2 мм) с чувствительностью 100 мВ/°С и разрешением 0,05 °С на единицу младшего разряда, но на ограниченный диапазон -25...+75 °С (рис. 4).
Для преобразования слабых низкочастотных сигналов, например от тензомостов, и ввода их в
100 к
25
-О +5 В
Рис. 4
-О Выход
1 к
19 к
Рис. 5
3
2
1200
) Выход
Рис. 6
ВхОД^Х
ЛБ8207
О- ИОН
(Выход
Оиоп1 О иоп2
Рис. 7
пользуется в схеме формирования эталонного напряжения 100 мВ (на рис. 6 не показана), питающего мост. Коэффициент преобразования напряженности магнитного поля равен 55 мВ/мТл. Общий потребляемый ток 1
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.