2.3. Блок цап
Блок ЦАП функционально состоит из трех частей: источника опорного напряжения (общий для блоков АЦП и ЦАП), собственно ЦАП и преобразователя ток-напряжение/выходного каскада.
По заданию устройство должно иметь один аналоговый выходной канал с разрешением 14 разрядов и диапазоном выходных напряжений ±5 В. Исходя из этого, было принято решение использовать умножающий ЦАП в режиме четырехквадрантного умножения, что позволяет получить двуполярное выходное напряжение с амплитудой, равной опорному напряжению.
В качестве ЦАП был выбран прибор AD5446 фирмыAnalogDevices. Его структурная схема приведена на рисунке 7.
Рис. 5. Структурная схема ЦАП AD5446
Он представляет собой R-2RЦАП разрешением 14 разрядов, изготовленный по КМОП технологии. Он допускает использование в схемах как двухквадрантного, так и четырехквадрантного умножения. ЦАП имеет токовый выход, что требует применения внешнего ОУ для преобразования ток-напряжение.
ЦАП способен работать на частотах дискретизации до 2,7 МГц, допускает использование источников опорного напряжения в пределах ±10 В. AD5446 имеет стандартный интерфейсSPI, что требуется по заданию.
В конкретном случае сигнал /SYNCвыполняет двоякую функцию: синхронизации загрузки данных в регистр ЦАП и выбора кристалла. Эта линия подключена к выводуPB6 микроконтроллераDD1. СигналыSCLK,SDIN,SDOподключены к выводамPB1/SCK,PB2/MOSI,PB3/MISOсоответственно.
Временные диаграммы интерфейса ЦАП представлены на рисунке 8.
Рис. 6. Временная диаграмма интерфейса ЦАП
К выходу ЦАП подключена схема на ОУ DA9.1 иDA9.2. Первый из них выполняет функцию преобразователя ток-напряжение, а второй – усилителя с коэффициентом усиления –2 и смещением от источника опорного напряжения, что и позволяет получить биполярное выходное напряжение. При этом соответствие выходного напряжения входному двоичному коду определяется по следующей формуле:
где D– десятичный эквивалент входного двоичного кода,VREF– образцовое напряжение.
В качестве источника опорного напряжения выбрана микросхема ADR02 фирмыAnalogDevices. Это малошумящий высокостабильный прецизионный источник опорного напряжения 5 В. В качестве ОУ в выходном усилителе ЦАП использован сдвоенный ОУOP2177 фирмыAnalogDevices. Выбор ИОН и ОУ, а также номиналов пассивных элементов сделан по рекомендациям в документации на микросхему ЦАП [3, стр. 16, 19].
На выходе DA9.2 включена Т-образная цепьR47C39R48. Она выполняет три функции: во-первых, ФНЧR47C39 сглаживает ступеньки выходного напряжения ЦАП, во-вторых, ФНЧR48C39 защищает цепь ООС ОУDA9.2 от высокочастотных наводок на соединительный кабель, улучшая стабильность, в-третьих, резисторыR47,R48 защищают выход ОУ от короткого замыкания.
Конденсаторы С26-С27, С32, С36-С37 блокируют питание соответственно ИОН, ЦАП и ОУ.
2.4. Клавиатура и дисплей
В целях упрощения аппаратной реализации было принято решение реализовать процесс вывода информации на индикаторы и опроса клавиатуры с использованием общих линий для выбора знакоместа индикатора и столбца клавиатуры с программным управлением от микроконтроллера.
Система индикации включает в себя микроконтроллер DD1, индикаторыHG1,HG2 и драйверы сегментовDA10 и знакоместVT1(#A).
В качестве HG1,HG2 используются трехразрядные семисегментные индикаторы с общим анодом для схем динамической индикацииCA56-12EWAфирмыKingbright. Индикаторы имеют красно-оранжевый цвет свечения и высоту цифры 14,2 мм. Экспериментально установлено, что удовлетворительная яркость свечения достигается при прямом токе через сегмент 10 мА, что при динамической индикации 6 разрядов дает значение 60 мА для импульсного тока сегмента.
Поскольку используется динамическая индикация, токи сегментов индикатора в разы превышают токи при статической индикации, что делает невозможным прямое подключение индикаторов к портам микроконтроллера. Для увеличения нагрузочной способности используются драйверы (транзисторные ключи).
Выбор текущего знакоместа индикатора осуществляется активным низким уровнем на линиях PC0-PC5 микроконтроллераDD1. Линии порта нагружены ключами с общим эмиттером на составных транзисторах структурыp-n-pтипа КТ973А. РезисторыR37 (#A) ограничивают ток базы транзисторов и рассчитываются следующим образом:
где UПИТ – напряжение питания схемы,UБЭ– падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора,IСЕГ ИМП– импульсный ток сегмента,β – коэффициент передачи тока базы транзистора. Из ряда Е24 выбран ближайший номинал 6,8 кОм.
Управления сегментами осуществляется с помощью записи логических «1» в соответствующие разряды порта F. В качестве драйвера сегментов применена сборка 8 ключей на составных транзисторах с открытым коллектором ULN2803 (DA10), имеющая в своем составе все необходимое для согласования с логикой КМОП, а также матрицу защитных диодов с объединенными катодами (вывод COM). Резисторы R39-R46 ограничивают ток через сегменты индикаторов и рассчитываются следующим образом:
Конденсатор С38 блокирует напряжение питания драйверов дисплея.
Одновременно с анодом выбранного знакоместа напряжение питание подается на соответствующий столбец клавиатуры через защитные диоды VD11-VD16, предотвращающие выход из строя драйверов дисплея при одновременном нажатии двух и более клавиш. При этом ряды клавиатуры подключены к линиямPD4-PD7. РезисторыR22-R25 создают на входах микроконтроллера низкий уровень, если не нажата клавиша в данном ряду. Поскольку в данном устройстве применяется индикация с 6 знакоместами, клавиатура в соответствии с выбранной схемотехникой построена по схеме неполной матрицы 6*4, у которой отсутствуют 4 последние клавиши в четвертом ряду. При нажатии клавиши в выбранном столбце на одном из входовPD4-PD7 появляется высокий уровень, что затем обрабатывается программой микроконтроллера.