RmJ6oqBKgl

микроконтроллеры работающие при малой тактовой частоте и обеспечивающие режим микротоков на этой частоте. Важной особенностью микроконтроллера является отключение неиспользуемых узлов.

Выбор микроконтроллера. В дальнейшем процесс выбора микроконтроллера проводится на основе анализа его параметров и опыта использования в предыдущих разработках.

1.Задается с большим запасом требуемый объем памяти программ или постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Большое значение имеет тип ПЗУ (Flash

сультрафиолетовым стиранием или однократно программируемые) и вид его программирования. Наиболее удобны микроконтроллеры, имеющие Flash ПЗУ с программированием прямо в изделии. Использование таких микроконтроллеров позволяет строить гибкие системы с возможностью адаптации и отладки программ работы в процессе эксплуатации.

2.Выбираются микросхемы также с большим запасом объемов внутренней оперативной памяти (ОЗУ). ОЗУ может использоваться не только для хранения промежуточных результатов расчетов, но и массивов данных. При построении систем сбора и обработки данных требуемый массив информации может быть значительным, что требует большого объема ОЗУ. Если не удалось подобрать микроконтроллер с требуемым объемом памяти, можно использовать внешнюю микросхему ОЗУ, но при этом микроконтроллер должен на аппаратном уровне поддерживать обмен с микросхемой ОЗУ.

3.Развитая система внутренних периферийных устройств, упрощающих построение однокристальных систем, когда все требуемые аппаратные ресурсы сосредоточены в микроконтроллере, повышает производительность проектируемой системы и уменьшает ее массогабаритные размеры. К основным периферийным устройствам относятся:

∙порты ввода-вывода, режимы их работы, уровни их сигналов, нагрузочная способность и быстродействие;

∙количество таймеров, режимы их работы и разрядность;

∙наличие аппаратной реализации стандартных протоколов обмена;

∙аппаратные средства для поддержки последовательного обмена данными;

∙совершенство системы прерываний.

4. На основе анализа предыдущей информации выбирается производитель и семейство микроконтроллеров из ассортимента выбранной фирмы-производителя. После этого на основе класса будущей аппаратуры, условий поставки микросхем и типа их корпуса выбирается конкретный микроконтроллер. Выбор типа корпуса определяется на основе анализа возможностей предполагаемого производства.

Пример требований к разработке:

21

∙производительность – 20 mips;

∙разрядность – 8 бит;

∙емкость ПЗУ – 8 Кбайт;

∙емкость ОЗУ – 256 байт;

∙количество таймеров – 2 шт;

∙периферийное устройство – UART ADC 8 бит;

∙дополнительные устройства – нет;

∙напряжение питания – 3 В;

∙рабочий диапазон температур – от –40 до +85 ° С.

Возможный вариант выбора микросхемы на основе заданных требований представлен в табл. 9. Просмотр предложений других поставщиков также позволяет найти варианты, отвечающие поставленным требованиям.

4.2. Микроконтроллеры систем сбора и обработки данных

Микроконтроллеры общего применения, как правило, имеют небольшую разрядность (8– 12 разрядов). Для обеспечения большей точности обработки данных необходимо использовать микроконтроллеры, предназначенные для сбора и обработки данных, отличающиеся повышенной до 16 или 24 разрядностью аналогоцифрового преобразователя и наличием цифро-аналогового преобразователя. Микросхемы можно выбирать у производителей контроллеров общего применения и

«Analog Devices» (www.analog.com).

Дальнейший выбор микросхем аналогичен выбору микроконтроллеров общего применения, но с учетом дополнительных требований к разрядности и производительности аналого-цифровых преобразователей.

Пример требований к разработке:

∙АЦП (число каналов/разрядность) – 4/16;

∙быстродействие АЦП – 0,01 с;

22

∙ЦАП (число каналов/разрядность) – 1/8;

∙производительность – 20 mips;

∙емкость ПЗУ – 8 Кбайт;

∙емкость ОЗУ – 256 байт;

∙количество таймеров – 2 шт.;

∙периферийные устройства – UART;

∙дополнительные устройства – нет;

∙напряжение питания – 3 В;

∙рабочий диапазон температур – от –40 до +85 ° С.

Возможный вариант выбора микросхемы на основе заданных требований представлен в табл. 10. Просмотр предложений других поставщиков также позволяет найти варианты, отвечающие поставленным требованиям.

5. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Источники питания относятся не к основному, но, как правило, обязательному узлу электронной аппаратуры, от которого зависит надежность всего устройства. Именно источники питания обеспечивают требуемую мощность для всего устройства, что позволяет утверждать, что именно источники питания работают в наиболее напряженном режиме.

На отечественном рынке представлены следующие производители источни-

ков питания: «Aimtec» (www.aimtec.com); «Chinfa Electronics Inc.»

(www.chinfa.com); «Mean Wel»l (www.meanwell.com); «Power-One» (www.power-

one.com); «Peak Electronics GmbH» (www.peak-electronics.de); «Traco Power»

(www.tracopower.com); «Recom Electronics GmbH» (www.recom-international.com).

Тип преобразователя. Источники питания являются преобразователями энергии входного сигнала в выходной, и по виду входного и выходного напряжения их можно разделить на 3 типа:

23

∙преобразователь переменного напряжения в постоянное стабилизированное выходное напряжение (AC-DC). Наиболее часто встречающийся тип преобразователя в устройствах работающих от сетевого напряжения;

∙преобразователь постоянного входного напряжения в постоянное выходное напряжение (DC-DC). Входное напряжение не обязательно стабилизированное и выходное напряжение может быть так же не стабилизированным. Важной особенностью стабилизаторов является гальваническая развязка между входом и выходом, позволяющая строить независимые узлы аппаратуры;

∙преобразователь постоянного входного напряжения в переменное выходное (DC-AC). Характерным примером использования преобразователя такого типа является аккумуляторный источник питания для сетевых устройств.

Выходная мощность. Размеры источников питания и их стоимость в основ-

ном определяются мощностью и рабочим диапазоном температур. Поэтому эти параметры являются основными при задании требуемого источника. Недостаточная мощность источника приведет к нестабильной работе аппаратуры, что недопустимо, а излишний запас – к увеличенным массогабаритными параметрам приборов и необоснованно высокой стоимости.

Входное напряжение. Область применения источников определяется возможными входными напряжениями. Так преобразователь DC-DC может не иметь стабилизатора напряжения и стабильность выходного напряжения определяется стабильностью входного. Если источник имеет внутренний стабилизатор, то в документации указывается диапазон входных напряжений, при котором обеспечивается заданная точность источника питания.

Выходное напряжение – основной параметр при выборе источника питания. Вместе с параметрами, характеризующими точность поддержания этого напряжения, определяют особенности применения источника.

Выходной ток определяется мощностью преобразователя и требуемым выходным напряжением. Выходной ток не учитывает ток самого источника в режиме холостого хода (без нагрузки). Некоторые источники имеют ограничения по минимальному току в нагрузке.

Тип корпуса. Параметр очень важен для определения массогабаритных размеров и состава будущей аппаратуры, поскольку источники особенно большой мощности имеют значительные размеры и требуют специального размещения и монтажа. Можно рассмотреть основные виды корпусов источников:

∙ модули источника питания, предназначенные для монтажа на плату. Имеют мощность 1– 6 Вт и типоразмеры, аналогичные микросхемам;

24

∙источник в виде конструктивно законченного элемента, выпускаемый либо

воткрытом виде для монтажа только внутри устройства, либо с защитным кожухом. Имеет элементы крепления и требует специальных проводных соединений;

∙корпус для крепления на DIN-рейку (специальная рейка для крепления узлов аппаратуры, используется при блочном монтаже в шкафах).

Рабочий диапазон температур источников питания отличается от принятой для микросхем классификации. Рабочие температуры определяются для каждого конкретного изделия, и нет общепринятых границ. Очень часто производители приводят зависимости рабочей температуры от разрешенной мощности источника. Расширение диапазона температур возможно, но за счет снижения максимальной мощности. Такой режим не всегда можно обеспечить, поскольку при разработке бывает трудно оценить реальную требуемую мощность, и в задании на проектирование источника питания обычно включают требования по мощности со значительным запасом.

Точность выходного напряжения. Этот параметр определяет точность поддержания выходного напряжения и характеризуется качеством выходного стабилизатора. При отсутствии стабилизатора выходное напряжение напрямую зависит от входного, и этот параметр теряет смысл.

Напряжение пульсаций на выходе. При работе современных малогабаритных источников питания возникают импульсные помехи на выходе, связанные с ключевыми режимами работы элементов источника. Уровень этих помех характеризуется напряжением пульсаций на выходе. Этот параметр очень важен при проектировании прецизионных аналоговых устройств высокой чувствительности, поскольку определяет уровень внутренних помех для полезного сигнала.

Эффективность источника питания определяется как отношение максимальной полезной мощности на выходе к потребляемой мощности по входу. Высокая эффективность источника определяет не только его высокий КПД, но и малую мощность рассеяния на внутренних компонентах, что улучшает температурный режим работы всего источника.

Напряжение изоляции. Этот параметр определяет максимальное напряжение между входом и выходом без разрушения источника питания. Превышение даже на короткое время этого напряжения приведет к выходу из строя источника. Параметр актуален только для источников с гальванической развязкой между входом и выходом.

Сопротивление изоляции определяет токи утечки, возникающие в источни-

ках с гальванической развязкой при наличии напряжения между входом и выходом. Защита от короткого замыкания. Источники питания могут иметь встроенную защиту от короткого замыкания на выходе. Защита особенно актуальна при

25

настройке изделий и в устройствах, имеющих внешние выводы, когда возможно короткое замыкание на выходе из-за не корректных действий обслуживающего персонала.

5.1. Выбор источника питания

Выбор источника питания начинают с выбора типа источника (AC-DC, DCDC, DC-AC) и оценки мощности потребления всего проектируемого устройства. Далее можно выбирать, следуя следующему плану.

1.Выбираются источники питания по мощности. Требуемая мощность выбирается примерно в 2 раза большей, чем расчетная мощность проектируемого прибора, чтобы источник работал в недогруженном режиме.

2.На основе класса будущей аппаратуры рассмотрение ограничивается требуемым температурным диапазоном, при этом необходимо учитывать уменьшение мощности источника при увеличении температуры.

3.Выбор источника с требуемым типом корпуса.

4.Выбор источников, обеспечивающих требуемые выходные напряжения при заданном диапазоне входных напряжений. При этом следует обратить внимание на уровень изоляции между входом и выходом.

Пример требований к разработке:

∙тип преобразователя – DC-DC;

∙требуемая мощность – 15 Вт;

∙входное напряжение – 12 В;

∙выходное напряжение – 5 В;

∙рабочий диапазон температуры – от 0 до 70 ° С.

Возможный вариант выбора микросхемы на основе заданных требований представлен в табл. 11.

26

5.2. Импульсный стабилизатор напряжения

Иностранные производители относят микросхемы, где регулирующий элемент работает в ключевом режиме, к преобразователям или регуляторам напряжения. Преобразователи напряжения используются для создания локального (для небольшой части схемы) дополнительного напряжения питания, отсутствующего в проектируемой системе. Основное отличие преобразователя от импульсного источника питания заключается в отсутствии гальванической развязки между входом и выходом и в более жестких требованиях к стабильности выходного напряжения.

Производители. Почти все ведущие мировые производители электронных компонентов имеют в своей номенклатуре широкий выбор микросхем регуляторов напряжений. Наиболее широкий спектр предлагаемых операционных усилителей имеют фирмы: «Analog Devices» (www.analog.com); «Texas Instruments» (www.ti.com); «Maxim Integrated Products» (www.maxim-ic.com); «National Semiconductor» (www.national.com); «Linear Technology» (www.linear.com); «ON Semicon-

ductor Corporation» (www.onsemi.com); «Fairchild Semiconductor»

(www.fairchildsemi.com).

Входное напряжение задается возможным диапазоном входных напряжений, при котором изготовитель гарантирует параметры регулятора. При входных напряжениях меньше требуемых выходное напряжение может не соответствовать требуемому, а даже кратковременное превышение допустимого напряжения приводит к выходу из строя микросхемы.

Выходное напряжение. Микросхемы регуляторов напряжений выпускаются либо на фиксированное выходное напряжение, либо на напряжение, устанавливаемое с помощью дополнительного внешнего делителя сопротивлений.

Максимальный выходной ток характеризует наибольшую полезную мощность в нагрузке регулятора. Превышение этого тока приводит к срабатыванию внутренней защиты микросхемы и выключению выходного напряжения, при этом обратное включение возможно только после выключения входного напряжения.

КПД. Выбор микросхем с максимальным КПД не только повышает эффективность преобразования напряжений, но и уменьшает мощность рассеяния на элементах регулятора, что может существенно упростить проблему отвода тепла и уменьшить габариты преобразователя.

Рабочий диапазон температур. Разделение регуляторов напряжений по допустимым рабочим температурам полностью соответствует разделению операционных усилителей.

Рабочая частота определяет частоту переключений регулирующего элемента. Все регуляторы должны иметь выходной LC-фильтр и, чем выше частота, тем меньше элементы фильтра и меньше общие размеры преобразователя.

27

Выходной транзистор. Наличие интегрального выходного транзистора в составе микросхемы намного упрощает процесс разработки и производства преобразователя.

Ток собственного потребления. При построении маломощных устройств с малыми токами потребления эффективность питания разрабатываемых узлов во многом определяется собственными токами преобразователей, существенно уменьшающих общий КПД.

Тип корпуса очень важен при проектировании малогабаритных устройств. В маломощных применениях он во многом определяет общие размеры преобразователя, а в мощных регуляторах задает крепление элементов отвода излишнего тепла от корпуса микросхемы.

Типы корпуса маломощных преобразователей совпадают с типами корпусов операционных усилителей:

∙тип DIP от 8 до 20 выводов;

∙тип SOIC от 8 до 24 выводов;

∙тип SOT23 от 3 до 8 выводов;

∙тип LFCSP(QFN).

Типы корпусов для мощных регуляторов напоминают корпуса транзисторов имеющих крепления для радиаторов, но с большим количеством выводов:

∙тип ТО220 от 3 до 8 выводов;

∙тип ТО263 от 3 до 8 выводов.

5.3. Выбор преобразователя

Выбор микросхемы преобразователя представляет определенную последовательность действий.

1.На основе соотношений входного и требуемого выходного напряжений выбирается тип преобразователя: понижающий, повышающий или инвертирующий.

2.Выбор стабилизаторов по требуемой мощности (выходному току) и КПД осуществляется с запасом не менее 50 % на непредвиденное увеличение мощности реальной схемы и для обеспечения более комфортной работы преобразователя по температуре.

3.На основе анализа схемных построений преобразователя выбираются преобразователи, требующие минимального количества внешних элементов для обеспечения требуемой стабильности выходного напряжения.

4.Микросхемы преобразователей относятся к элементам будущей схемы с выделением большого количества тепла и при больших мощностях требуют специальных мер для отвода тепла (радиатора). Корпуса преобразователей либо крепятся на специальном дополнительном металлическом радиаторе, либо имеют конструкцию, ориентированную на создание радиатора в виде металлизированной

28

зоны на плате. Маломощные преобразователи можно использовать в стандартном корпусе типа SOIC.

5.Определяется вариант использования преобразователя со стандартным выходным напряжением, предлагаемого производителем, или преобразователя с регулируемым напряжением.

6.Определяется круг производителей данной микросхемы. Один и тот же тип микросхемы может выпускаться несколькими производителями, названия могут отличаться только первыми буквами, характеризующими производителя, или не отличаться вовсе, поэтому необходимо убедиться в идентичности микросхем.

Пример требований к разработке:

∙тип преобразователя – DC-DC;

∙входное напряжение – 15 Вт;

∙выходное напряжение – 12 В;

∙требуемый выходной ток – 5 В;

∙КПД – 80 %;

∙рабочий диапазон температур – от –25 до 85 ° С.

Возможный вариант выбора микросхемы на основе заданных требований представлен в табл. 12.

6.ИСТОЧНИКИ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Визмерительных системах в качестве эталонных источников очень часто, используются источники опорного напряжения. Такие источники являются прецизионным эквивалентом линейных стабилизаторов напряжения.

Производители. Все производители импульсных источников питания выпус-

кают и источники опорного напряжения: «Analog Devices» (www.analog.com),

«Texas Instruments» (www.ti.com), «Maxim Integrated Products» (www.maxim-

ic.com), «National Semiconductor» (www.national.com), «Linear Technology»

29

(www.linear.com), «Fairchild Semiconductor» (www.fairchildsemi.com), «ON Semi-

conductor Corporation» (www.onsemi.com).

Выходное напряжение является основным параметром. Именно это напряжение используется остальными узлами схемы как опорное. Источники опорного напряжения выпускаются на ограниченный ряд выходных напряжений и, как правило, не допускают его изменения.

Начальная ошибка выходного напряжения оказывает максимальное влияние на возможную статическую ошибку опорного напряжения. Большая начальная ошибка приводит к необходимости ее компенсации в других элементах схемы, что приводит к дополнительным ресурсным затратам.

Температурный коэффициент выходного напряжения. При работе элек-

тронных устройств возникают градиенты температуры, связанные с изменениями как внешних, так и внутренних условий эксплуатации. Температурный коэффициент выходного напряжения определяет устойчивость проектируемого источника к этим изменениям. Чем меньше коэффициент, тем качественнее источник, но тем он и дороже.

Долговременная стабильность. В процессе эксплуатации возможно изменение выходного напряжения вследствие старения компонентов микросхемы. Для оценки долговечности разрабатываемой аппаратуры производители микросхем указывают долговременную стабильность выходного опорного напряжения, обычно для 1000 часов эксплуатации.

Выходной ток определяет максимальную нагрузочную способность микросхем источников опорного напряжения. Чем больше выходной ток микросхемы, тем хуже ее качественные показатели, определяющие точность выходного напряжения.

Рабочий диапазон температур. Разделение источников опорного напряжения по допустимым рабочим температурам полностью соответствует разделению операционных усилителей.

Входное напряжение аналогично импульсным стабилизаторам задается возможным диапазоном входных напряжений, при котором изготовитель гарантирует параметры источника. При входных напряжениях меньше требуемых выходное напряжение может не соответствовать требуемому, а даже кратковременное превышение допустимого напряжения приводит к выходу из строя микросхемы.

Тип корпуса источника опорного напряжения совпадает с типом корпуса операционного усилителя, но с меньшим количеством выводов.

Тип источника. Дешевые источники опорного напряжения невысокой точности строятся на основе стабилитронов со стабилизатором входного тока. При построении прецизионных устройств с обработкой сигналов, например, при приме-

30