5.4 Выбор элементов и разработка принципиальной схемы

• Выбор АЦП. Т.к. АЦП отечественного производства не обеспечат требуемой производительности, то обратимся к продукции зарубежных фирм. Фирма Analog Devices зарекомендовала себя одним из лучших производителей высококачественных интегральных схем для обработки аналоговых сигналов. Выберем АЦП данной фирмы - AD7892-3. AD7892-3 - это быстродействующий 12-разрядный АЦП, работающий по алгоритму последовательного приближения, с временем преобразования 1,3 мкс. АЦП содержит УВХ, источник опорного напряжения (ИОН) 2,5В, встроенный генератор и схема масштабирования сигнала, снабжен многофункциональным интерфейсом. AD7892-3 изготовлен по фирменной технологии LC²MOS, которая позволяет обьеденить на одном кристалле прецезионные биполярные схемы с маломощной КМОП логикой. Внутренняя структура АЦП изображена на рис. 5.3. Назначение выводов в табл. 5.2, а технические характеристики в табл. 5.3.

Рисунок 5.3- Внутренняя структура АЦП

Таблица 5.2- Назначение выводов АЦП

Наименование	№ конт.	Назначение
Vdd	1	Цифровое напряжение +5В
-STANDBY	2	перевод в дежурный режим
Vin2	3	аналоговый вход 2
Vin1	4	аналоговый вход 1
REF out/in	5	вывод ИОН
AGND	6	аналоговая земля
MOD	7	режим (параллельный/последовательный)
DB0-DB11	8-20	выводы цифрового результата
-RD	21	строб чтения
-CS	22	выбор кристалла
-EOC	23	конец преобразования
-CONVST	24	запуск преобразования

Таблица 5.3- Технические характеристики выводов АЦП

Параметр	Значение
Входной сигнал	2,5В
Максимальный входной сигнал	7В
Отношение сигнал/шум	70дБ
Разрешение	12 бит
Опорное напряжение	2.55% В
Температурный коэфф. ИОН	25 ppm/0C
Входной ток	10мкА
Входное логическое напряжение «1», «0»	2.4В, 0.8В
Выходное логическое напряжение «1», «0»	4.0В, 0.4В
Напряжение питания	+5В
Ток потребления в нормальном режиме	18мА
Ток потребления в дежурном режиме	250мкА
Рабочая температура	- 40 + 850C

Аналого-цифровое преобразование в AD7892-3 инициируется импульсом на входе -CONVST. На нарастающем фронте импульса -CONVST УВХ переходит из режима слежения в режим хранения и запускается последовательность преобразования. Конец преобразования информируется спадающим сигналом -EOC, при этом УВХ возвращается в режим слежения и начинается интервал приема входного сигнала. Время преобразования - 1,3 мкс, а время выборки - 350 нс. AD7892 имеет один вывод, связанный с ИОН, который или дает доступ к внутреннему опорному напряжению, или к которому может быть присоединен внешний ИОН. Для использования внутреннего ИОН следует замкнуть выводы REF out/in и AGND через конденсатор 0.1 мкФ. АЦП позволяет использовать как параллельный интерфейс, так последовательный. Необходимый тип интерфейса выбирается с помощью входа MODE. Режим параллельного интерфейса устанавливается подачей логической «1». На рис.5.4. приведена временная диаграмма параллельного интерфейса AD7892-3.

Рисунок 5.4- Временная диаграмма параллельного интерфейса AD7892-3

По фронту сигнала -CONVST начинается преобразование. При окончании преобразования на выходе -EOC появляется отрицательный импульс длительностью 100нс, что указывает, что в выходном регистре АЦП находится результат. Эту линию можно использовать для генерации прерывания. Когда -CS и -RD переходят в «0», на выходные линии выводится результат. Сигнал -EOC можно заводить прямо на -SC и -RD, чтоб вывести данные в буфер-приемник. Чтоб характеристики были наилучшие, не рекомендуется подавать постоянный «0» на входы -CS и -RD, так как при этом трехстабильные линии будут активны при преобразовании.

• Аналоговый мультиплексор. Подходящую скорость и входные характеристики обеспечит аналоговый мультиплексор фирмы Analog Devices ADG509F. Микросхема представляет собой мультиплексор на 4 входа для дифференциальных сигналов, цифровые входы совместимы с ТТЛ. Ее характеристики приведены в табл. 5.4.

Таблица 5.4- Характеристики микросхемы ADG509F

Параметр	Значение
Диапазон входного сигнала	15В
Аналоговое питание Vss	15В
Макс размах Uпит. (аналогового) - Vss	от -5 до +35 В
Ток потребления (Idd/Iss)	0.5мА / 0.2мА
Рабочая температура	от -40 до +850С
Максимальный ток входа	20мА

• Усилитель и гальваническая развязка. Для обеспечения усиления Кu=2,5/0.625=4 используем изолированный усилитель фирмы Analog Devices AD102. Внутренняя структура усилителя представлена на рис. 5.5. В интегральную микросхему усилителя входят следующие компоненты: модулятор-усилитель, демодулятор, генератор, фильтр. Характеристики усилителя представлены в табл. 5.5.

Рисунок 5.5- Внутренняя структура усилителя

Таблица 5.5- Характеристики микросхемы AD102

Параметр	Значение
Размах входного сигнала	5В
Входной импеданс	1012Ом
Полоса пропускания	4кГц
Напряжение питания	+15В
Потребляемый ток	5 мА
Температурный диапазон	от -40 до +850С
Напряжение изоляции	500В

Схема включения и способ задание коэффициента передачи показаны на рис. 5.6.

Рисунок 5.6- Схема включения микросхемы AD102

Определим коэффициент передачи усилителя по напряжению К=Uвх.ацп/Uсигнала=2,5/0.625=4. Если принять Rf=R2=30кОм, то Rg=R3=10кОм. Для защиты входа от перенапряжения используем диод Д2В (Iобр=100мкА, Uобр=10В).

• Буфер результата. Для буферизирования результата преобразования используем два регистра: КР1533ИР23 - восьмиразрядный регистр с тремя состояниями на выходе и КР1533ИР15 - четырехразрядный регистр с тремя состояниями выходов.

• Регистр управления. Выберем микросхему КР1533ИР15, а в качестве буфера для чтения регистра управления - микросхему КР1533ЛП8 - четыре буферных формирователя с тремя состояниями на выходе. Оставшиеся два разряда регистра управления, кроме хранения адреса выбранного канала, можно использовать для управления генератором и управлением сигналом -STANDBY АЦП. Формат регистра управления представлен в табл.5.6.

Таблица 5.6- Формат регистра управления

Разряд	Назначение
0	Младший разряд адреса канала
1	Старший разряд адреса канала
3	Управление режимом -STANDBY АЦП (1-режим sleep)
4	Управление генератором (0-отключение генератора)

• Буфер данных. Микросхема КР1533АП6 - восьмиразрядный двунаправленный буферный формирователь с тремя состояниями на выходе.

• Дешифратор адреса. Определим количество программно-доступных элементов: чтение регистра старших разрядов результат (адрес 31Сh), чтение регистра младших разрядов результата (адрес 31Dh), чтение и запись регистра управления: итого четыре (адреса 31Eh и 31Fh). Для дешифраторы выберем микросхемы КР1533ЛА2 - логическая функция «8И-НЕ», КР1533ЛИ1 - «2И», КР1533ЛН1 - «НЕ».

• Схема формирования запроса прерывания. Используем микросхему КР1533ТМ2 - D-триггер, а к качестве схемы задержки - два инвертора. Задержка инвертора - 10нс, длительность сигнала запроса - 20нс.

• Генератор. Выберем стандартную схему генератора на базе кварцевого резонатора ГЗ-105 с частотой 90кГц.

Общий порядок работы следующий: при обращении к регистру управления по адресу 31Fh программист устанавливает номер канала, включает генератор и вводит в нормальный режим работы АЦП. Генератор посылает импульс на вход -CONVST, тем самым инициируя начало преобразования, после которого с выхода -EOC (END of CONVST) появляется импульс отрицательной полярности длительностью 100нс, по которому формируются отрицательные импульсы на входах -RD и -CS АЦП, тем самым переводя цифровые выходы АЦП из высокоимпедансного состояния и выставляя результат на ВШД, по инверсному сигналу -EOC с небольшой задержкой инвертора активизируются тактовые входы регистров-приемников результат, по прямому сигналу -EOC также запускается схема запроса прерывания. Обработчик прерывания обращаясь к модулю по адресам 31Ch и 31Dh, считывает результат преобразования, меняет адрес канала и завершает работу. При следующем вызове идет считывание значения следующего канала. Принципиальная схема приведена в Приложении B.