8. Элементная база

8.1. Генератор опорной частоты.

Генератор опорной частоты 100МГц – микросхема тактового генератора AD9573, используемая при реализации интерфейса PCI-E. Микросхема имеет три выхода – 33МГц и 100МГц (инверсный и нормальный). Важным достоинством является то, что генератор стабилизируется кварцевым резонатором, благодаря чему достигается высокая стабильность опорной частоты (фазовый шум порядка -138ДБ/Гц). Диапазон напряжений питания -0,3 – 3,5В, выходное напряжение высокого уровня -0,3 – +0,3. Рекомендуемый кварцевый резонатор KYOCERA CX-49G или аналоги.

Рис. 31. Расположение выводов микросхемы AD9573.

Назначение выводов

1, 7 – аналоговая «земля»

2,8 – аналоговое напряжение питания

3 – питание кварцевого резонатора

4, 5 – выводы для подключения кварцевого резонатора

6 – «земля» кварцевого резонатора

9 – «земля» для выхода 33МГц

10 – выход 33МГц

11 – вывод питания для генератора 33МГц

12 – вывод питания для генератора 100МГц

13 – комплементарный выход 100МГц

14 – выход 100МГц

15 – «земля» выхода 100МГц

16 – вход включения/выключения. Микросхема включена при низком логическом уровне на входе

Рекомендуемая схема включения

Рис. 32. Рекомендуемая схема включения AD9573.

Неиспользуемые выводы частоты рекомендуется заземлять через резистор 1кОм.

8.2. Микроконтроллер MSP430F147.

8.2.1. Архитектура

Микроконтроллеры семейства MSP430 содержат 16-разрядное RISC CPU, периферийные модули и гибкую систему тактирования, соединенные через фон-Неймановскую общую адресную шину (MAB) памяти и шину памяти данных (MDB). Объединяя современное CPU с отображаемыми в памяти аналоговыми и цифровыми периферийными устройствами, семейство MSP430 предлагает решения для приложений со смешанными сигналами.

Семейство MSP430 обладает следующими ключевыми особенностями:

Архитектура с ультранизким потреблением, увеличивающая время работы при питании от батарей:     - для сохранности содержимого ОЗУ необходим ток не более 0,1 мкА;     - модуль тактирования реального времени потребляет 0,8 мкА;     - ток потребления при максимальной производительности составляет 250 мкА;

Высококачественная аналоговая периферия для выполнения точных измерений:     - встроенные модули 12-разрядного или 10-разрядного АЦП скоростью 200 ksps;     - имеется температурный датчик и источник опорного напряжения VRef;     - сдвоенный 12-разрядный ЦАП;     - таймеры, управляемые компаратором для измерения резистивных элементов;     - схема слежения (супервизор) за напряжением питания;

16-разрядное RISC CPU, допускающее новые приложения к фрагментам кода:     - большой регистровый файл снимает проблему «узкого файлового горлышка»ii;     - компактное ядро имеет пониженное энергопотребление и стоимость;     - оптимизировано для современного высокоуровневого программирования;     - набор команд состоит из 27 инструкций, поддерживается семь режимов адресации;     - расширенные возможности векторных прерываний;

Возможность внутрисхемного программирования Flash-памяти позволяет гибко изменять и обновлять программный код, производить регистрацию данных.

8.2.2. Гибкая система тактирования

Система тактирования разработана специально для использования в приложениях с питанием от батарей. Вспомогательная низкочастотная система тактирования (ACLK) работает непосредственно от обычного 32 кГц часового кристалла. Модуль ACLK может использоваться в качестве фоновой системы реального времени с функцией самостоятельного «пробуждения». Интегрированный высокоскоростной осциллятор с цифровым управлением (DCO) может быть источником основного тактирования (MCLK) для ЦПУ и высокоскоростных периферийных устройств. Модуль DCO становится активным и стабильным менее чем через 6 мкС после запуска. Решения на основе архитектуры MSP430 позволяют эффективно использовать высокопроизводительное 16-разрядное RISC CPU в очень малые промежутки времени:

низкочастотная вспомогательная система тактирования обеспечивает работу микроконтроллера в режиме ультранизкого потребления мощности;

активизация основного высокоскоростного модуля тактирования позволяет выполнить быструю обработку сигналов.

Рис.33. Архитектура MSP430

8.2.3. Адресное пространство

Семейство MSP430 имеет фон-Ньюмановскую архитектуру с единым адресным пространством для регистров специального назначения (SFR), периферии, ОЗУ и Flash-памяти программ, в соответствии с рис.1.2. Конкретное распределение памяти можно узнать из справочных данных на интересующее устройство. Доступ к программному коду выполняется всегда по четным адресам. Данные могут быть доступны как байты или как слова.

Общий объем адресуемой памяти составляет 64 кБ, с учетом предполагаемого расширения.

Рис. 34. Адресное пространство памяти микроконтроллера серии MSP430

Отличительные особенности:

Напряжение питания 1.8 - 3.6 V

Низкое потребление тока :   - 280 mkA, 1MHz, 2.2 V   - 2.5 mkA, 4 kHz, 2.2 V

Пять режимов снижения потребления тока: LPM0-LPM4 (30 mkA - 0.8 mkA)

Возврат в рабочий режим за 6 mkS

16-Битовая RISC архитектура, время исполнения инструкции - 125 nS

Единственный 32 kHz керамический резонатор, внутренняя системная частота - до 3.3 MHz

16-битовый таймер с 6 регистрами слежения/сравнения

16-битовый таймер с 3 регистрами слежения/сравнения

Встроенный компаратор

12 разрядный АЦП с источником опорного напряжения

Сторожевой таймер ( 16 бит )

Порты ввода-вывода : 32 линий

Два аппаратных UART

Последовательное программирование ( JTAG )

Защита программного кода

Серия включает в себя микроконтроллеры :   - MSP430F147: 32 KБайт + 256 байт Flash, 1 КБайт RAM   - MSP430F148: 48 KБайт + 256 байт Flash, 2 КБайт RAM   - MSP430F149: 60 KБайт + 256 байт Flash, 2 КБайт RAM

Корпус: 64 QFP

Рис. 35. Назначение выводов микроконтроллеров серии MSP430F14x.

Все порты ввода-вывода программируемые и помимо назначенных функций, могут свободно настраиваться пользователем.

8.3. Последовательный интерфейс RS-232.

Разрабатываемое устройство должно быть максимально универсальным, а следовательно должна быть возможность настраивать систему управления для работы с самыми разными конфигурациями систем автономного водоснабжения.

Настройка устройства будет производиться с помощью персонального компьютера (настольный ПК, ноутбук или карманный ПК с интерфейсным адаптером) посредством последовательного интерфейса RS-232. Также интерфейс позволит получать информацию о состоянии системы водоснабжения, о текущем давлении в системе, а также о состоянии трубопровода, при подключенных детекторах течи.

Этот интерфейс получил широкое распространение, поскольку он надежен и прост в реализации. Большинство микроконтроллеров имеют встроенные средства, с помощью которых обеспечивается связь с другими устройствами на основе данного интерфейса. Обычно применяется протокол 8-N-1 – 8-разрядные данные без бита четности, один стоповый бит. Проверка на четность не производится, так как современные компьютеры позволяют осуществить достаточно надежную передачу данных на приемлемых скоростях. Согласно стандарту на интерфейс RS-232, по исполняемым функциям различают два типа оборудования: оконечное оборудование обработки данных (модем) (DTE) и оборудование передачи данных (DCE). Компьютер имеет 25-контактный (DB25P) или 9-контактный (DB9P) разъем для подключения кабеля RS-232. Назначение контактов разъема приведено в таблице 3.

Таблица 1. Назначение контактов разъема DB9P.

Имя вывода	Номер (DB25P)	Номер (DB9P)	Направление
TxD	2	3	Вход
RxD	3	2	Выход
GND	7	5
RTS (запрос на пересылку)	4	7	Выход
CTS (инициирование пересылки)	5	8	Вход
DTR (готовность терминала	20	4	Выход
DSR (готовность модема)	6	6	Вход
Ri (индикация сигнала вызова)	22	9	Вход
DCD (обнар. сигнала несущей)	8	1	Вход

Назначение контактов следующее

FG – защитное заземление (экран).

TxD – данные, передаваемые компьютером в последовательном коде (логика отрицательная).

RxD – данные, принимаемые компьютером в последовательном коде (логика отрицательная).

RTS – сигнал запроса передачи. Активен во все время передачи.

CTS – сигнал сброса (очистки) для передачи. Активен во все время передачи. Говорит о готовности приемника.

DSR – готовность данных. Используется для задания режима модема.

SG – сигнальное заземление, нулевой провод.

DCD – обнаружение несущей данных (детектирование принимаемого сигнала).

DTR – готовность выходных данных.

RI – индикатор вызова. Говорит о приеме модемом вызова по телефонной сети.

Общий провод этого интерфейса ни при каких обстоятельствах не должен соединяться с корпусом устройства, чтобы избежать протекания значительных токов, которые приводят к смещению напряжений и препятствуют правильному считыванию поступающих данных.

Наиболее часто используется трех или четырехпроводная связь (для двунаправленной передачи). Схема соединения для четырехпроводной линии связи показана на рис. 26.

Рис. 36. Схема соединения для четырехпроводной линии связи RS-232.

Проверка того, что коммуникационный кабель вставлен в разъем, и имитация сигналов подтверждения обеспечиваются простым замыканием двух пар линий: DTR (готовность DTE к работе) и DSR (готовность DCE к работе), а также RTS (запрос на передачу) и CTS (готовность DCE к приему данных). Так как линии запроса/подтверждения соединены, то сигналы подтверждения к готовности приема данных вырабатываются автоматически, простым дублированием сигналов запроса.

Для реализации интерфейса RS-232 удобнее всего использовать 9-контактный разъем и стандартный кабель типа экранированная многожильная витая пара. Возникает необходимость использования дополнительных аппаратных средств, с помощью которых на передающей стороне уровни сигналов, вырабатываемые в микроконтроллере, переводятся в уровни интерфейса, а на приемной стороне осуществляется обратное преобразование.

Сигналы после прохождения по кабелю ослабляются и искажаются. Ослабление растет с увеличением длины кабеля. Этот эффект сильно связан с электрической емкостью кабеля. По стандарту максимальная нагрузочная емкость составляет 2500 пФ.

Для преобразования логических уровней в уровни интерфейса RS-232 я выбрал микросхему MAX-232A фирмы MAXIM, поскольку данная микросхема имеет такое же напряжение питания, как и микроконтроллер. Внешний вид микросхемы а также рекомендованная схема включения представлены на рис 27.

Рис.37. Расположение выводов и схема включения микросхемы МАХ232А.

MAX-232A – коммуникационная интегральная микросхема интерфейса RS-232 с питанием 3 – 5,5 В с возможностью передачи данных на скорости 3Мб/с, гибкой схемой трансляции логических уровней напряжения и улучшенной защитой от электростатического разряда. Все выходы передатчика и входы приемника имеют защиту 15 КВ при разряде через воздушный зазор и 8 КВ для разряда при контакте, а также 15 КВ при касании человека. MAX-232A включает один приемник и один передатчик. Передатчик имеет выходной передающий каскад с малым падением напряжение, что обеспечивает полноценную производительную работу интерфейса RS-232 при источнике питания 3 – 5,5 В. Схема подкачки заряда включает 4 внешних компактных конденсатора номиналом 0,1 мкФ. Схема автоматически переходит в режим низкого энергопотребления при отключении интерфейсного кабеля RS-232, а также при отсутствии активности на входах приемника или выходах передатчика схемы в течение времени более 30 секунд.

8.4. Компараторы.

В устройстве будет применен сдвоенный компаратор AD8612 фирмы AnalogDevice. Это быстродействующие (задержка распространения 5 нс, максимальная входная частота 100 МГц) точные компараторы, предназначенные для применения в измерительных устройствах (быстродействующие АЦП, фазовые детекторы, детектор нуля), устройствах связи и модулях тактирования.Также есть встроенная защелка.

Основные характеристики:

Напряжение питания 2,5 – 5 В

Максимальное входное напряжение – до 4В

Минимальное напряжение лог. единицы – 2,2 В

Максимальное напряжение лог. нуля – 0,4 В

Рабочий диапазон температур – -40…+85 0С

Входная емкость – 3пФ

Максимальный выходной ток без потери производительности – 10мА

Расположение выводов и их назначение

Рис. 38. Расположение выводов микросхемы AD8612

QA – неинвертирующий выход компаратора А

– инвертирущий выход компаратора А

GND – общий вывод

LEA – включение защелки компаратора А

V- - отрицательное напряжение питания

INA- - инвертирующий вход компаратора А

INA+ - неинвертирующий вход компаратора А

QB – неинвертированный выход компаратора В

– инвертированный выход компаратора В

GND – общий вывод

LEB – включение защелки компаратора В

V+ - положительное напряжение питания

INB- - инвертирующий вход компаратора В

INB+ - неинвертирующий вход компаратора В

Рекомендуется установить конденсатор 1мкФ между каждым выводом питания и «землей», а параллельно ему, максимально близко к корпусу устройства, второй керамический конденсатор 10нФ

Также рекомендуется подключать к выходу напряжение уровня логической «1» через подтягивающий резистор 500 – 2000 Ом.

8.5. Дифференциальный усилитель.

Для реализации схемы включения фотодиода с максимально высоким коэффициентом подавления синфазной помехи необходимо использовать дифференциальный усилитель.

Я использую сдвоенный (поскольку есть 2 канала фотодиодов) дифференциальный усилитель AD4940-2. Это быстродействующий ( до 260 МГц) малошумящий усилитель с малым энергопотреблением. Рекомендован для применения во входных цепях высокоточных сигма-дельта АЦП (до 16 разрядов).

Встроенные линии, для подключения обратной связи, позволяют подавлять высшие гармоники шума устройства. Параметры усиления конфигурируются с помощью 4х резисторов на один усилитель.

Основные характеристики устройства:

Входной шум по напряжению – 3,9нВ/

Входной шум по току – 0,81пА/

Подавление шума второй/третьей гармоники - -102/-96 дБ (при основной частоте 1 МГц)

Дрейф напряжения – 1,2 мкВ/0С

Входное дифференциальное сопротивление – 33 кОм

Входное общее сопротивление – 50 Мом

Входная емкость – 1 пФ

Диапазон напряжений питания – 3 – 6 В

Потребление тока одним усилителем – 1,38 мА

Расположение и назначение выводов:

Рис. 39. Расположение выводов микросхемы AD4940-2

-IN1 – отрицательный вход суммирования усилителя 1

+FB1 – вывод обратной связи положительного входа усилителя 1

+Vs1 – положительное питание усилителя 1

+Vs1 – положительное питание усилителя 1

–FB2 – вывод обратной связи отрицательного входа усилителя 2

+IN2 – положительный вход суммирования усилителя 2

–IN2 – отрицательный вход суммирования усилителя 2

+FB2 – вывод обратной связи положительного входа усилителя 2

+Vs2 – положительное питание усилителя 2

+Vs2 – положительное питание усилителя 2

Vocm2 – общий вход напряжений усилителя 2

+OUT2 – положительный выход напряжения усилителя 2

–OUT2 – отрицательный выход напряжения усилителя 2

– вход выключения питания усилителя 2 (низкий уровень - лог. «1»)

–Vs2 – отрицательное напряжения питания усилителя 2

–Vs2– отрицательное напряжения питания усилителя 2

Vocm1 – общий выход напряжения усилителя 1

+OUT1 – положительный выход усилителя 1

–OUT1 – отрицательный выход усилителя 1

– вход выключения питания усилителя 1 (низкий уровень – лог. «1»)

-Vs1 – отрицательное напряжение питания усилителя 1

-Vs1 – отрицательное напряжение питания усилителя 1

-FB1 – вывод обратной связи отрицательного входа усилителя 1

+IN1 – положительный вход суммирования усилителя 1.

Рис. 40. Рекомендуемое включение усилителя с единичным усилением и согласованием нагрузки на входе.

Здесь происходит согласованием по нагрузке с источником напряжения 2 В (внутреннее сопротивление 50 Ом), коэффициент усиления – 1.

8.6. Счетверенный операционный усилитель AD8044

Быстродействующий операционный усилитель предназначенный для обработки видео-сигнала, применения в ультразвуковых системах, а также в потребительской аппаратуре общего назначения

Характеристики:

Частота единичного усиления – 160 МГц

Напряжение питания - 5В

Гармонические искажения – -68 дБ

Входной шум по напряжению – 16нВ/

Входной шум по току – 850пА/

Дифференциальная ошибка по усилению – 0,04%

Входное сопротивление – 225 кОм

Входная емкость – 1,6 пФ

Расположение выводов

Рис. 41. Расположение выводов микросхемы AD8044.

Заключение.

В результате была разработана цифровая система, предназначенная для приема, сбора и анализа сигналов с лазерного интерферометра. Основное назначение системы – измерение линейных перемещений, а также измерение параметров вибрации.

Разработанная система позволяет анализировать сигналы с частотой дискретизации до 100 МГц (максимальная анализируемая виброскорость до 6,35 м/с), а также линейные перемещения на расстояние до 20мм. Система автоматически, в зависимости от скорости изменения входного сигнала (частоты смены минимумов/максимумов интерференции) выбирает частоту дискретизации (от 100 МГц до 10 кГц). Есть встроенный модуль памяти на 65536 слов. Каждое «слово» содержит в себе – текущий код перемещения, текущую частоту дискретизации, направление.

Также разработан беспроводной модуль измерения температуры, предназначенный для измерения текущей температуры (объекта, воздуха) и вычисления кода поправки по дальности. Разработанный модуль универсален и на его основе могут быть разработаны устройства для измерения атмосферного давления и влажности воздуха (изменяется только измерительный канал).

Список использованной литературы.

1. Застрогин Ю.Ф. Контоль параметров движения с использованием лазеров: Методы и средства. – М.: Машиностроение, 1981.

2. Застрогин Ю.Ф. Прецизионные измерения параметров движения с использованием лазер. – М.: Машиностроение, 1986.

3. Прошин Е. М. Адаптивные средства измерения: учеб. Пособие для вузов/ Е.М. Прошин. – Рязань: РГРТУ, 2009.

4. Прошин Е.М. Цифровые измерительные устройства: учеб. пособие/ Е.М. Прошин; Рязанский государственный радиотехнический университет. – Рязань: 2011, 224 с.

5. А. Дж. Пейтон, В. Волш «Аналоговая электроника на операционных усилителях». М.: Бином, 1994г.

6. Герман Шрайбер, «300 схем источников питания», изд. ДМК, Москва, 2000г.

7. http://www.laserportal.ru

8. http://www.vibration.ru

94