2.1 Алгоритм программы, реализующей передаточную функцию

3. Описание принципиальной электрической схемы

В качестве вычислительных устройств и блока контроля в схеме используется 16-разрядный микроконтроллер семейства F²MC-16LX типа MB90F591G. Он обеспечивает типовую производительность в 16 MIPS (миллионов команд в секунду).

Процессор работает с номинальной частотой 4 МГц; Данный микроконтроллер имеет встроенный 10-канальный АЦП последовательного приближения с устанавливаемым пользователем разрешением в 8 или 10 разрядов. Для управления АЦП используются: регистр разрешения аналогового входа ADER, восемь разрядов которого настраивают соответствующий разряд порта Р6 на режим альтернативной функции – подключение входного аналогового сигнала на вход мультиплексора; два регистра управления ADCS0, ADCS1 и два регистра данных ADCR0, ADCR1.

АЦП микроконтроллера преобразует в цифровой код напряжение в диапазоне 05В., что соответствует напряжению на выходах датчиков.

После вычисления выходное напряжения подается на ЦАП, в качестве которого используется широтно-импульсный модулятор (ШИМ), в котором цифровой код задает скважность последовательности прямоугольных импульсов неизменной частоты и амплитуды.

Функцию программируемого усилителя (ПУ) выполняет ЦАП 572ПА2. Для удовлетворения требований к системе сигнал с ПУ подаётся на операционный усилитель.

3.1 Микроконтроллер

Аналого-цифровой преобразователь

Десятиразрядный аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера реализует метод последовательного приближения. Величина входного сигнала Vs не может превышать величины опорного сигнала AVref и практически должна лежать в пределах Vs=0...+5В.

Структурная схема преобразователя такого типа приведена на рис.3.1.

Vk

Преобразователь состоит из ЦАП, компаратора и устройства управления. Компаратор сравнивает входное (преобразуемое) напряжение Vs с напряжением Vk на выходе ЦАП. Выход компаратора соединен с устройством управления. Если Vs>Vk, то выход компаратора устанавливается в состояние логического нуля. После прихода сигнала на начало преобразования STRT схема управления с каждым тактовым импульсом CLK последовательно передает единицы на ЦАП, начиная со старшего разряда. Вес единицы старшего разряда равен половине максимального выходного напряжения ЦАП-а (AVref). Если Vs>Vk, то на выходе компаратора формируется нуль и единица в старшем разряде сохраняется. В противном случае старший разряд сбрасывается.

Процедура установки/сброса выполняется для каждого разряда ЦАП, при этом вес последующего разряда вдвое меньше веса предыдущего. Таким образом, после проверки младшего разряда на входе ЦАП-а оказывается установленным такой код, при котором напряжение Vk отличается от Vs не больше, чем вес младшего разряда. Этот код (D9D0) является результатом аналого-цифрового преобразования напряжения Vs.

Во время преобразования сигнал BUSY устанавливается в единичное состояние. Таким образом, считывать результат преобразования можно только при нулевом состоянии сигнала BUSY.

Управление аналого-цифровым преобразователем

Под управлением преобразователем будем понимать выбор нужного канала МАС, инициирование начала преобразования и считывание результата. Для выполнения этих действий используются:

- регистр разрешения аналогового входа ADER; - два регистра управления ADCS0 и ADCS1 с адресами H’000034 и H’000035; - два регистра данных ADCR0 и ADCR1 с адресами H’000036 и H’000037;

Восемь разрядов регистра ADER (адрес 0х00001B) настраивают соответствующий разряд порта Р6 на режим альтернативной функции –подключение входного аналогового сигнала на вход мультиплексора. При этом, например, вывод Р60 становится входом нулевого канала AN0.

Регистр ADCR0 содержит восемь младших разрядов результата преобразования (D7D0), а регистр ADCR1 –два старших бита (D9, D8). Если преобразователь используется в режиме восьмиразрядного АЦП, то результат полностью помещается в ADCR0. Для установки восьми разрядного преобразования и достаточного для лабораторной работы времени преобразования в регистр ADCR1 можно записать константу H’E8.

Назначения битов регистров управления ADCS0 и ADCS1 приведены на рис.3.2.

Если биты MD1,0=00, то АЦП работает в режиме одиночного преобразования. В этом режиме первым преобразуется сигнала, подданный на вход ANi, где i –номер, определяемый битами ANS2,1,0. Затем обрабатывается следующий по порядку вход. После преобразования последнего канала (ANE2,1,0), АЦП останавливается. При совпадении начального и конечного номеров, обрабатывается только один канал.

Флаг готовности BUSY сброшен, если преобразование закончено и результат загружен в регистры данных ADCR.

Нулевое значение битов STS1,0 определяет программный способ запуска АЦП путём установки в единицу бита запуска STRT.

В лабораторной работе предусмотрен только программный запуск АЦП. Аналоговый сигнал подается на нулевой вход мультиплексора AN0 (Р60).

Широтно-импульсный модулятор

Для управления импульсными устройствами микроконтроллер имеет шесть 8/16-битных двухканальных блоков PPG (программируемый генератор импульсов). Структурная схема первого канала нулевого блока PPG блока приведена на рис.3.1.

Работа генератора начинается с загрузки вычитающего счетчика числом из регистра PRLL1 и установки выходного триггера в нуль. На счетный вход счетчика через селектор подаются тактовые импульсы, формируемые из машинных, или импульсы программируемого интервального таймера. После обнуления счетчик перезагружается из регистра PRLH1, и выходной триггер устанавливается в единицу. Следующее обнуление вызывает перезагрузку счетчика из регистра PRLL1 и т.д. Длительность нулевого и единичного состояния выходного триггера определяется содержимым регистров перезагрузки PRLL1 (адрес H’001902) и PRLH1 (адрес H’001903). Выход триггера может быть подключен к внешнему выводу Р50, т.е. нулевой разряд порта 5 будет работать в режиме альтернативной функции PPG0.

Среднее значение напряжения на выходе PPG0 определяется содержимым регистров перезагрузки:

где U_MAX –максимальное напряжение на выходе PPG0.

Изменяя содержимое регистров перезагрузки можно менять среднее выходное напряжение. Если частота импульсов постоянна, то генератор можно использовать в качестве ШИМ-а. Чтобы частота импульсов не изменялась при управлении средним значением, нужно, чтобы сумма PRLH1+PRLL1 оставалась постоянной. Обновление содержимого регистров рекомендуется выполнять одновременно, используя запись слова по адресу PRLL1.

Управление PPG0 сосредоточено в регистрах PPGC1 (адрес H’000039) и PPG01 (адрес Н’00003A). Форматы регистров приведены на рис.3.2.

Широтно-импульсный модулятор на основе PPG можно использовать в качестве ЦАП-а непосредственно, либо после выделения постоянной составляющей фильтром нижних частот. Используя ШИМ непосредственно в качестве ЦАП-а, мы получим преобразование типа код-скважность последовательности импульсов (изменение длительности импульсов лог «1» и «0»). Нам же необходимо получить после преобразования в качестве аналогового сигнала величину напряжения, поэтому мы будем использовать фильтр нижних частот (ФНЧ) для выделения постоянной составляющей.