Доопределение набора аппаратных средств

1.4 Доопределение набора аппаратных средств

Кроме контролера в состав устройства входят:

- АЦП

- ЦАП

- ФНЧ на 100 Гц

- ФНЧ на 75 Гц

 

1.4.1 АЦП

Микроконтроллер ATmega16 оснащен 10-разрядным АЦП, который имеет следующие характеристики:

- АЦП последовательного приближения;

- работает с тактовой частотой в диапазоне от 50 до 200 кГц;

- Интегральная нелинейность 0,5LSB;

- Абсолютная ошибка ±2LSB;

- Время преобразования 65-250 мкс;

- Максимальная разрешающая способность 15 преобразований в секунду;

- 8 мультиплексированных каналов;

- 2 дифференциальных канала с встроенным усилителем, который имеет 3 фиксированных коэффициента усиления: 1, 10, 200;

- Диапазон входного сигнала: 0 … Uп;

- 2 режима работы:

·  Режим однократного преобразования,

·  Режим циклического преобразования;

 - Режим преобразования по автопереключению;

 - Прерывание – на завершение преобразования;

 - Режим сохранения энергии для обеспечения понижения шумов.

АЦП присоединен к 8-канальному аналоговому мультиплексору, позволяющему использовать любой вывод порта А в качестве входа АЦП. Ниже приведена блок схема АЦП на рис 1.5.

Рис. 1.5 – Блок-схема АЦП

Данного АЦП вполне достаточно для преобразования входного аналогового сигнала в цифровой. Т.к. верхняя граница частотного диапазона, в котором изменяется сигнала, поступающий с выхода аналогового фильтра, составляет 50 Гц. При этом частота дискретизации должна быть не меньше 2fв, а АЦП может обрабатывать сигнал с fт до 200 кГц. При максимальной тактовой частоте АЦП мы получаем высокую точность обработки сигнала, которая достаточна для данных целей.

Точность АЦП оценивается относительной погрешностью δ_АЦП

где N- число двоичных разрядов

Наилучшая точность преобразования аналогового сигнала в цифровой код получается, когда используется вся шкала АЦП,т.е. в том случае, когда

Где  это максимально е значение сигнала на аналоговом входе , а  - шкала АЦП.

1.4.2 ФНЧ с частотой среза 100 Гц

На входе АЦП необходимо поставить низкочастотный фильтр для устранений эффекта наложения спектра шумов от цифровой аппаратуры на аналоговый сигнал. ФНЧ пропускает заданный диапазон низких частот (0 до 100 Гц) и подавляет все остальные, которые не входят в этот диапазон.

В качестве ФНЧ используем фильтр Баттерворта 2-го порядка, который обеспечивает затухание вне полосы пропускания равное -40 дБ/дек. Передаточная характеристика определяется следующим выражением:

,

где  - коэффициент усиления каскада на нулевой частоте,

- частота среза ,

 - относительная частота.

Ниже приведена принципиальная схема ФНЧ, которая реализована на операционном усилителе LF_147.

Рис. 1.6 – Схема электрическая принципиальная ФНЧ

Так как нет необходимости в усиление входного сигнала, то коэффициент усиления α = 1. Частота среза равна . Зададимся значениями резистора R1 из диапазона (10-100) kОм. Рассчитаем значения остальных элементов фильтра:

 

R2 = R1 = 100 кОм,

 

1.4.3 ЦАП

АП выбран фирмы MAXIM. Это микросхема МАХ504, которая представляет собой последовательный 10-разряднай ЦАП напряжения. Он имеет следующее характеристики:

- Униполярное питание +5В;

- Буферизованные выходы напряжения;

- Встроенный источник опорного напряжения 2.048 В;

- Относительная погрешность ±0.5 LSB (макс)

- Гарантированная погрешность в диапазоне рабочих температур

- Гибкий диапазон вывода: 0 … Uп;

- Инициализация при подаче питания;

- Время преобразования 25мкс;

- Последовательный вывод данных, с возможностью последовательного соединения устройств в цепь.

Функциональная схема MAX504 приведена на рис 1.8.

Рис 1.8 – Функциональная схема ЦАП MAX504