2. Расчет входных схем

Выбор АЦП определяется частотным и динамическим диапазонами входных сигналов, а также их количеством. Если все эти величины заданы, то можно определиться со входной схемой: можно ли использовать мультиплексор, сколько АЦП потребуется, необходим ли входной усилитель/делитель напряжения. Например, по заданию имеем 4 входных аналоговых сигнала, верхняя частота которых не превышает f_в< 10 кГц. Выборку каждого сигнала в соответствии с теоремой Котельникова необходимо проводить с частотой2f_в, на практике частота выборки ≈ 3…4f_в. Таким образом, дискретизация входных сигналов должна осуществляться с частотой 40 кГц. Для оцифровки 4 входных сигналов при помощи одного АЦП потребуется АЦП с быстродействием, как минимум 160 кГц. В этом случае общая структура входного модуля будет соответствовать рис.4.11. Если АЦП с требуемым быстродействием и разрядностью по каким либо причинам подыскать нельзя (стоимость, габариты, точность и т.д.), придется остановиться на варианте 2-х или даже 4-х АЦП (например, на рис.4.12 для обработки двух аналоговых сигналов использованы два АЦП).

Интерфейс связи АЦП с микроконтроллером лучше выбирать последовательный, который имеет небольшое число линий, корпус АЦП при этом миниатюрный. Современные микроконтроллеры, как правило, имеют стандартные последовательные интерфейсы, так что подключение АЦП к ним не представляет труда. Параллельный интерфейс, обладающий высокой скоростью обмена, выбирают в случае требуемого высокого быстродействия АЦП.

Если динамический диапазон не задан, его необходимо определить, исходя из технического задания на входные сигналы. Например, задан измеритель температуры с диапазоном от -50С до +400С и точностью измерений 0,1С. Для обеспечения такой точности цифровая величина должна иметь 450/0.1 = 4500 дискретов. Такое число дискретов может обеспечить 13 разрядное АЦП (2¹³=8192). Этот расчет предполагал, что выходной диапазон датчика соответствует входному диапазону АЦП, что практически встречается крайне редко. Если в качестве датчика используется терморезистор ТП100 (терморезистор платиновый с номинальным сопротивлением 100 Ом при 0С), то изменение его сопротив-ления в заданном диапазона температур, составит от 78 Ом до 235 Ом. Чтобы не было саморазогрева термодатчика, ток, протекающий через него от источника тока, не должен превышать 1 мА. Таким образом, динамический диапазон термодатчика составит от 78 мВ до 235 мВ, т.е. 157 мВ. Пусть входной диапазон АЦП составляет 2,5 В (2500 мВ), тогда число дискретов, укладывающихся в этот диапазон, при непосредственном соединении термодатчика к 13 разрядному АЦП, составит 8192*157/2500 = 514, а требуется, как минимум, 4500. Из этой ситуации два выхода: или поставить перед АЦП усилитель, или увеличивать разрядность АЦП (возможно объединение обоих решений). Пусть использовали усилитель с коэффициентом 10, тогда динамический диапазон на выходе усилителя составит от 0,78В до 2,35В и число дискретов для термодатчика при 13 разрядном АЦП составит: 8192*1,57/2,50 = 5024, что удовлетворяет заданной точности. Так как реальные АЦП дают ошибки преобразования, иногда более одного разряда, следует выбрать разрядность АЦП равную 14 или 16. Введение усилителя вносит дополнительные ошибки измерения, поэтому рассмотрим, какую разрядность АЦП необходимо выбрать, чтобы обеспечить требуемую точность: 4500*2500/157 = 71656 > 2¹⁶. Таким образом, при выборе разрядности АЦП равной 18-20 обеспечится заданная точность измерения температуры.

После того, как определились с необходимым быстродействием и разрядностью АЦП, следует учесть при выборе следующие характеристики: полярность входных сигналов, наличие встроенного источника опорного напряжения, наличие встроенного генератора.

Разнообразие датчиков, подключаемых к МПУ, очень велико, поэтому при разработке схемы преобразователя необходимо пользоваться рекомендациями соответствующих руководств.