3.3 Интеллектуальные преобразователи, микроконверторы
3.3.1 Интеллектуальные преобразователи
Большинству первичных измерительных преобразователей физических величин (датчиков) присущи следующие недостатки: абсолютное значение выходного сигнала датчика и полная шкала выходного сигнала имеют не большое значение, а сама передаточная характеристика датчика в большинстве случаев имеет нелинейности.
Поэтому стандартными операциями преобразования сигнала являются:
- усиление;
- линеаризация передаточной характеристики;
- компенсация начального смещения;
- коррекция погрешностей, возникающих из-за изменения температуры окружающей среды и временного дрейфа.
Эффективно выполнять подобные преобразования можно только с применением средств цифровой обработки данных. Поэтому большинство интеллектуальных датчиков содержат следующие основные компоненты:
- прецизионный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления;
- высокоточный АЦП;
- микропроцессор.
Для обеспечения возможности подключения к сетям сбора информации необходимо реализовать тот или иной интерфейс. Например, интерфейс токовая петля с HART-протоколом, для реализации которого требуются ЦАП и HART-модем, либо интерфейс TII и STIM-модуль для стандарта IEE1451.2. Что бы при этом обеспечить малое потребление энергии, высокую надёжность, низкую стоимость все вышеуказанные компоненты должны быть интегрированы на одном кристалле.
Примерами подобных устройств стали так называемые интеллектуальные преобразователи.
Первый такой интеллектуальный преобразователь AD1B60 был предложен фирмой Analog Devices. Он представляет собой одноразово программируемый микроконтроллер. Структурная схема преобразователя имеет следующий вид (рисунок 3.15) :
Рисунок 3.15 – Структурная схема интеллектуального преобразователя AD1B60
На схеме (рисунок 3.15) обозначено:
ИТ – источник тока;
ИОН – источник опорного напряжения;
Пр.У – программируемый усилитель (усилитель с программируемым коэффициентом усиления от 1 до 128);
АЦП – аналогово-цифровой преобразователь;
МК - микроконтроллер;
ВДТ – встроенный датчик температуры;
ЛУ – логика управления.
Данный преобразователь имеет на входе 8-ми канальный мультиплексор, позволяющий подключать различные источники сигнала. 9-й канал предназначен для подключения встроенного датчика температуры. ИТ и ИОН используются для подачи соответствующих токов и напряжений, необходимых для работы датчиков.
АЦП может быть параллельного или последовательного типа в зависимости от требуемого быстродействия.
Связь с внешними устройствами осуществляется по последовательному 16-ти битному интерфейсу.
Данный преобразователь позволяет выполнить:
- коррекцию нуля и калибровку;
- компенсацию сопротивлений соединительных проводников при измерении сопротивлений;
- линеаризацию характеристик шкалы температур и напряжений.
Фирма Maxim Integrated Products выпустила микросхему MAX1452, которая представляет собой высокоинтегрированную 16-ти разрядную схему приведения сигналов датчиков к нормализованному уровню.
Данный преобразователь представляет собой процессор обработки аналогового сигнала датчика, оптимизированного для работы с резистивными сенсорными элементами и обеспечивающий усиление, калибровку и температурную компенсацию.
В данном преобразователе реализуется аналоговый такт прохождения сигналов, что исключает погрешности квантования при двойном преобразовании сигнала (аналог-код, код-аналог). Необходимые коррекции осуществляются с помощью 16-ти разрядных ЦАПов, управляемых цифровыми сигналами.
Структурная схема имеет вид (рисунок 3.16):
Рисунок 3.16 – Структурная схема интеллектуального преобразователя MAX1452
В состав схемы входит схема программируемой активизации датчиков, усилитель с шестнадцатью программируемыми ступенями усиления (PGА), встроенная перепрограммируемая память EEPROM объемом 768 байт, четыре 16-ти разрядных ЦАП (DAC), встроенный датчик температуры, подключенный к восьми разрядному АЦП. В схеме есть дополнительный операционный усилитель, позволяющий расширить функциональные возможности преобразователя.
Данный прибор обеспечивает гибкий выбор стратегии температурной компенсации подключаемых датчиков, а именно: температурная компенсация, вносимая в выходной сигнал датчика и осуществляемая с помощью двух ЦАП (DAC- offset); температурная компенсация, вносимая в ток, подаваемый на датчики, которая также реализуется с помощью двух ЦАП (DAC-FSO).
При реализации температурной компенсации пользователь может выбрать для компенсации нелинейности датчика от 1 до 114 температурных точек. Это позволяет произвести линеаризацию характеристики датчика либо с помощью простой линейной коррекции, либо с помощью сложной температурной кривой. При этом в EEPROM записывается до 114 независимых корректирующих коэффициентов для диапазона от -40 до +125 ºС через каждые 1,5 ºС. Погрешность смещения и нелинейности за счет этого может быть уменьшена до ±0,02 %.
В преобразователе MAX1452 можно осуществлять калибровку и поверку датчика по одной поверочной точке. При этом обеспечивается введение необходимого смещения и изменение коэффициента усиления усилителя PGА, а также изменение тока и напряжения в схеме включения датчика.
Коммуникационная способность MAX1452 реализована в виде возможности выбора выходного сигнала, а именно:
- токовый выходной сигнал в диапазоне 4..20 mA;
- потенциальный выходной сигнал 0..5 V;
- логометрический выходной сигнал 0,5 .. 4,5 V, а также другие.
Фирма MAXIM разработала специальную библиотеку программ, ориентированную на различные датчики и функциональные блоки, и включающую в себя более150 специализированных подпрограмм.
3.3.2 Микроконвертеры
В 1999 г. фирма Analog Devices начала серийный выпуск новых приборов, получивших название микроконвертеры или интеллектуальные АЦП и ЦАП, которые по существу являются интеллектуальными преобразователями. Микроконверторы сочетают в себе возможности высокоточного аналогового ввода/вывода, предварительной обработки данных и организации сетей сбора информации от датчиков.
На кристалле микроконвертера интегрированы высокоточные АЦП и ЦАП, температурный датчик для измерения температуры окружающей среды, контроллер 8052 (вычислительное ядро которого совместимо с контроллером 8051), в состав которого включены периферийные микроконтроллеры, реализующие интерфейсы для связи с внешними устройствами.
Наличие аналогового ввода/вывода, средств предварительной обработки данных и малая мощность потребления обусловили следующие основные области применения микроконвертеров:
- сети сбора информации датчиков;
- устройства со встроенным питанием для контроля параметров технологических процессов;
- переносные измерительные приборы;
- медицинское оборудование;
- различные виды бортового оборудования и т.д.
Первыми типами микроконвертеров, которые стали базовыми для других разработок были: ADuC812, который включал в состав 8-канальный 12-разрядный АЦП и два 12-разрядных ЦАП; ADuC824, содержавший два сигма-дельта АЦП (один - 16-разрядный, второй - 24-разрядный) и один 12-разрядный ЦАП.
Близкими к ним стали модели ADuC812SO с 10-разрядным АЦП и двумя ЦАП, и ADuC816 с двумя 16-разрядными сигма-дельта АЦП и одним ЦАП.
У всех этих микроконвертеров был сравнительно небольшой объем ОЗУ (256 bait), ППЗУ (8 kbait) и памяти данных (640 bait).
В последующем появились модели, построенные на базе базовых микроконверторов, но с расширенными вычислительными возможностями, а именно:
- ADuC831, ADuC832 (аналог ADuC812);
- ADuC836 (аналог ADuC816);
- ADuC834 (аналог ADuC824).
Эти модели отличаются большим объемом памяти: память данных - 4 kbait, ППЗУ - 62 kbait.