2.1 Описание структурной схемы устройства

Данное устройство, структурная схема которого представлена на рисунке 2.1, представляет собой генератор сигналов на базе цифро-аналогового преобразователя..

Основные компоненты устройства:

- МК – микроконтроллер,

- ЦАП- цифро-аналоговый преобразователь,

- Б – буферная схема интерфейса SPI,

- И - семисегментный индикатор.

Частота сигнала и его фаза задаются программным способом через ICSP интерфейс. На микроконтроллер (МК) возлагается функция загрузки регистров генератора.

Вначале микроконтроллер (МК) опрашивает клавиатуру, предназначенную для управления, после синхронизируется с индикатором (И) и преобразовывает информацию на вывод в индикатор (И). Далее вычисляет значение кода частоты и отправляет его через буферную схему (Б) интерфейса SPI в цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

На схеме буфер (Б) предназначен для буферизации шины данных и управления.

Для определения яркости свечения индикатора (И) на сегментики подключены резисторы , также для управления индикатором (И) используются транзисторы.

Для развязки по цепям питания используются керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ, соединенные параллельно с танталовыми конденсаторами емкостью порядка 10 мкФ.

Рисунок 2.1– Структурная схема генератора сигналов на базе цифро-аналогового преобразователя.

3. Описание элементной базы

1. Описание микроконтроллера PIC16f877

Микроконтроллер - это устройство, выполняющее ограниченный набор функций. В кристалле микроконтроллера размещено не только ядро вычисления, но также: запоминающее устройство, где хранятся программа контроллера и данные; набор периферийных устройств (ПУ), для полноценного использования микроконтроллера; порты ввода-вывода.

Микроконтроллеры большое распространение получили в области систем автоматического контроля и управления. Микроконтроллеры представляют собой полностью готовые миниатюрные устройства, которые не требуют подключения внешних устройств, для нормальной работы. Возможность программирования микроконтроллеров позволяет использовать их в любых сферах электроники с максимально возможной программной обработкой сигнала.

Производством микроконтроллеров занимаются более 35 компаний, самыми распространенными из которых являются Microchip и Atmel. В ассортименте имеются микроконтроллеры от простейших до супер сложных.

Отличаются они составом периферийных устройств и техническими характеристиками. Благодаря широкому спектру микроконтроллеров, разработчики устройств на микроконтроллерах могут выбрать наиболее подходящий для своего устройства.

При выборе микроконтроллера следует исходить из того, что он будет удовлетворять по некоторым параметрам: тип и габариты корпуса, наличие необходимых периферийных устройств, интерфейсы программирования, способы программирования микроконтроллера, возможность установки защиты кода программы, функция энергопотребления микроконтроллера и другие.

В дипломном проекте используется микроконтроллер PIC16F877.

Таблица 3.1 Характеристики микроконтроллера PIC16F877

ОЗУ данных	192
Сброс (задержка сброса)	POR, BOR (PWRT, OST)
Flash-память программ	4K
АЦП	8 каналов
EEPROM	128
Порты ввода/ вывода	Порты A, B, C, D, E
Прерываний	14
Таймер	3
Модуль захват/сравнение/ШИМ	2
Последовательный интерфейс	MSSP, USART
Инструкций	35
Частота	20МГц
Паралл. интерфейс	PSP

Цоколевка:

Рисунок 3.1 – Обозначение выводов PIC16f877

Особенности ядра микроконтроллера:

• Высокопроизводительный RISC-процессор;

• Всего 35 простых инструкций для изучения;

• Все инструкции исполняются за один такт, кроме инструкций перехода, выполняемых за два такта;

• Скорость работы: тактовая частота до 20 МГц;  минимальная длительность такта 200 нс

• Flash-память программ до 4к x 14 слов

• Память данных (ОЗУ) до 192 x 8 байт

• ЭСППЗУ память данных до 128 x 8 байт

• Совместимость цоколевки с PIC16C73/74/76/77

• Механизм прерываний (до 14 внутренних/внешних источников)

• Восьмиуровневый аппаратный стек

• Прямой, косвенный и относительный режимы адресации

• Сброс при включении питания (POR)

• Таймер сброса (PWRT) и таймер ожидания запуска генератора (OST) после включения питания)

• Сторожевой таймер (WDT) с собственным встроенным RC-генератором для повышения надежности работы

• Программируемая защита кода

• Режим экономии энергии (SLEEP)

• Выбираемые режимы тактового генератора

• Экономичная, высокоскоростная технология КМОП FLASH/ЭСППЗУ

• Полностью статическая архитектура

• Программирование на плате через последовательный порт с использованием двух выводов

• Для программирования требуется только источник питания 5В

• Отладка на плате с использованием двух выводов

• Доступ процессора на чтение/запись памяти программ

• Широкий диапазон рабочих напряжений питания: от 2,0В до 5,5В

• Сильноточные линии ввода/вывода: 25 мА

• Коммерческий и промышленный температурные диапазоны

• Низкое потребление энергии:

1. < 2мА при 5В, 4МГц;

2. 20мкА (типичное значение) при 3В, 32 кГц;

3. < 1мкА (типичное значение) в режиме STANDBY.

Периферия:

• Timer0: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным предварительным делителем

• Timer1: 16-разрядный таймер/счетчик с предварительным делителем, может вести счет во время спящего режима от внешнего генератора

• Timer2: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным регистром периода, предварительным и выходным делителем

• 2 модуля захват/сравнение/ШИМ:

1. Захват 16-ти разрядов, максимальное разрешение 12,5нс;

2. Сравнение 16-ти разрядов, максимальное разрешение 200нс;

3. ШИМ с максимальным разрешением 10 разрядов

• 10-битный многоканальный аналого-цифровой преобразователь

• Синхронный последовательный порт (SSP) с интерфейсами SPI (с Master-режимом) и I²C (с режимами Master/Slave)

• Универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик (USART/SCI) с обнаружением 9-разрядного адреса

• Встроенный генератор опорного напряжения

• Параллельный 8-битный Slave-порт (PSP) со внешними сигналами управления RD, WR и CS (только в 40/44-выводных корпусах)

Программируемая схема сброса при падении напряжения питания (BOR).

Рис. 3.2. – Структурная схема микроконтроллера pic16f877

Таблица 3.2 Назначение выводов микроконтроллера PIC16F877

Обозначение вывода	№ выв. DIP	№ выв. PLCC	№ выв. QFP	Тип I/O/P	Тип буфера	Описание
OSC1/CLKIN	13	14	30	I	ST/CMOS	Вход генератора / вход внешнего тактового сигнала
OSC2/CLKOUT	14	15	31	O	—	Выход генератора. Подключается кварцевый или керамический резонатор. В RC режиме тактового генератора на выходе OSC2 присутствует тактовый сигнал CLKOUT, равный FOSC/4.
MCLR/VPP	1	2	18	I/P	ST	Вход сброса микроконтроллера или вход напряжения программирования. Сброс микроконтроллера происходит при низком логическом уровне сигнала на входе.
RA0/AN0	2	3	19	I/O	TTL	Двунаправленный порт ввода/вывода PORTA. RA0 может быть настроен как аналоговый канал 0
RA1/AN1	3	4	20	I/O	TTL	RA1 может быть настроен как аналоговый канал 1
RA2/AN2/VREF-	4	5	21	I/O	TTL	RA2 может быть настроен как аналоговый канал 2 или вход отрицательного опорного напряжения
RA3/AN3/VREF+	5	6	22	I/O	TTL	RA3 может быть настроен как аналоговый канал 3 или вход положительного опорного напряжения
RA4/T0CK	6	7	23	I/O	ST	RA4 может использоваться в качестве входа внешнего тактового сигнала для TMR0. Выход с открытым стоком.
RA5/SS/AN4	7	8	24	I/O	TTL	RA1 может быть настроен как аналоговый канал 1 или вход выбора микросхемы в режиме ведомого SPI
RB0/INT	33	36	8	I/O	TTL/ST	Двунаправленный порт ввода/вывода PORTB. PORTB имеет программно подключаемые подтягивающие резисторы на входах.
RB1	34	37	9	I/O	TTL	RB0 может использоваться в качестве входа внешних прерываний.
RB2	35	38	10	I/O	TTL
RB3/PGM	36	39	11	I/O	TTL	RB3 может использоваться в качестве входа для режима низковольтного программирования.
RB4	37	41	14	I/O	TTL	Прерывания по изменению уровня входного сигнала.
RB5	38	42	15	I/O	TTL	Прерывания по изменению уровня входного сигнала.
RB6/PGC	39	43	16	I/O	TTL/ST	Прерывания по изменению уровня входного сигнала или вывод для режима внутрисхемной отладки ICD. Тактовый вход в режиме программирования.
RB7/PGD	40	44	17	I/O	TTL/ST	Прерывания по изменению уровня входного сигнала или вывод для режима внутрисхемной отладки ICD. Вывод данных в режиме программирования.
RC0/T1OSO/T1CKI	15	16	32	I/O	ST	Двунаправленный порт ввода/вывода PORTC. RC0 может использоваться в качестве выхода генератора TMR1 или входа внешнего тактового сигнала для TMR1.
RC1/T1OSI/CCP2	16	18	35	I/O	ST	RC1 может использоваться в качестве входа генератора для TMR1 или вывода модуля CCP2.
RC2/CCP1	17	19	36	I/O	ST	RC2 может использоваться в качестве вывода модуля CCP1.
RC3/SCK/SCL	18	20	37	I/O	ST	RC3 может использоваться в качестве входа/выхода тактового сигнала в режиме SPI и I2C.
RC4/SDI/SDA	23	25	42	I/O	ST	RC4 может использоваться в качестве входа данных в режиме SPI или вход/выход данных в режиме I2C.
RC5/SDO	24	26	43	I/O	ST	RC5 может использоваться в качестве выхода данных в режиме SPI.
RC6/TX/CK	25	27	44	I/O	ST	RC6 может использоваться в качестве вывода передатчика USART в асинхронном режиме или вывода синхронизации USART в синхронном режиме.
RC7/RX/DT	26	29	1	I/O	ST	RC6 может использоваться в качестве вывода приемника USART в асинхронном режиме или вывода данных USART в синхронном режиме.
RD0/PSP0	19	21	38	I/O	ST/TTL	Двунаправленный порт ввода/вывода PORTD или ведомый параллельный порт для подключения к шине микропроцессора
RD1/PSP1	20	22	39	I/O	ST/TTL
RD2/PSP2	21	23	39	I/O	ST/TTL
RD3/PSP3	22	24	41	I/O	ST/TTL
RD4/PSP4	27	30	2	I/O	ST/TTL
RD5/PSP5	28	31	3	I/O	ST/TTL
RD6/PSP6	29	32	4	I/O	ST/TTL
RD7/PSP7	30	33	5	I/O	ST/TTL
RE0/RD/AN5	8	9	25	I/O	ST/TTL	Двунаправленный порт ввода/вывода PORTE. RE0 может использоваться в качестве управляющего входа чтения PSP или аналогового канала 5
RE1/WR/AN6	9	10	26	I/O	ST/TTL	RE1 может использоваться в качестве управляющего входа записи PSP или аналогового канала 6
RE2/CS/AN7	10	11	27	I/O	ST/TTL	RE2 может использоваться в качестве управляющего входа выбора PSP или аналогового канала 7
VSS	12,31	13,34	6,29	P	—	Общий вывод для внутренней логики и портов ввода/вывода
VDD	11,32	12,35	7,28	P	—	Положительное напряжение питания для внутренней логики и портов ввода/вывода
NC	—	1,17,28, 40	12,13, 33,34		—	Эти выводы внутри микросхемы не подключены.
Обозначения: I = вход, O = выход, I/O = вход/выход, P = питание, - = не используется, TTL = входной буфер ТТЛ, ST = вход с триггером Шмидта. Примечания: 1. Входной буфер с триггером Шмидта при использовании внешних прерываний. 2. Входной буфер с триггером Шмидта при работе в режиме последовательного программирования. 3. Входной буфер с триггером Шмидта при работе в режиме цифровых портов ввода/вывода. В режиме ведомого параллельного порта подключены входные буферы ТТЛ (для совместимости с шиной микропроцессора). 4. Входной буфер с триггером Шмидта в режиме RC генератора и

CMOS буфер в других режимах.

3.2 Описание цифро-аналогового преобразователя MCP4921

MCP4921 устройство представляет собой одноканальный 12-битный ЦАП, который использует внешний источник опорного напряжения. Это устройство обеспечивает высокую точность и низкое энергопотребление и доступны в различных пакетах. Связь с устройством осуществляется с помощью простого последовательного интерфейса SPI. MCP4921 устройство является частью семейства, которые используют внешний источник опорного напряжения (VREF). Эти устройства обеспечивают очень высокую точность и низкий уровень шумов, и пригодны для потребительских и промышленных приложений. Низкое энергопотребление и малые варианты пакета хорошо подходят для многих портативных и маломощных приложений. Благодаря своим компактным размерам и малой мощности потребления, эти новые ЦАП обеспечивает значительные преимущества в пространстве ограниченных случаях, когда минимальная мощность потребление имеет решающее значение. Режимы программного обеспечения или аппаратного выключения предоставят дополнительную экономию электроэнергии, уменьшение тока в режиме ожидания до 0,5 мкА (тип.) при любом выборе. Связь с MCP4921 осуществляется через 3-проводной SPI протокол.

Отличительные особенности:

• разрешение: 12 разрядов;

• дифференциальная нелинейность: ±0,2 младшего разряда (тип);

• интегральная нелинейность: ±2 младших разряда (тип);

• выходы Rail-to-Rail;

• SPI-интерфейс с частотой до 20МГц;

• синхронные защелки данных на обоих ЦАП;

• малое время установления: 4,5мкс;

• выбор выходного коэффициента усиления 1х или 2х;

• вход для внешнего источника опорного напряжения VREF;

• диапазон напряжения питания: 2,7В...5,5В;

• количество выводов: 8

• тип входа: последовательный

• температурный диапазон: -40°C...+125°C;

• корпуса: MSOP-8 (MS) и DIP-8 (P).

Цоколевка:

Назначение выводов.

Таблица 3.3 Назначение выводов. MCP4921

VDD	Потребляемая мощность питания по отношению к AVSS может варьироваться от 2,7 до 5.5. Развязывающий конденсатор на VDD рекомендуется для достижения максимальной производительности.
CS	Вход выбора чипа, который требует активного низкий сигнал для включения последовательных часов и функций данных
SCK	SPI совместимый последовательный ввод
SDI	SPI совместимый последовательный ввод данных
LDAC	Задвижка входа ЦАП. Передача ввода регистров задвижки ЦАП при низком логическом уровне
VOUTA	ЦАП усиливает сигнал на выводах в диапазоне AVSS- VDD
VREFA	Аналоговый сигнал на этих выводах используется для установки опорного напряжения на строку ЦАП. Входной сигнал может варьироваться в диапазоне от AVSS к VDD
AVSS	Аналоговое заземление

Рисунок 3.3. Структурная схема MCP4921

3.3 Описание цифрового индикатора

Сегментные цифровые индикаторы предназначены для отображения цифровой информации в электронных устройствах. Преимуществом светодиодных цифровых индикаторов по сравнению с альтернативными жидкокристаллическими являются активное свечение и эргономичность.

Типичная схема подключения светодиода к выводу МК показана на рис. 3.4. В этой схеме светодиоды будут светиться когда МК выдает сигнал «0» (низкое напряжение). Когда вывод работает в качестве входа данных или на него выводится «1», то светодиод будет выключен.

Резистор сопротивлением 220 Ом используется для ограничения тока, т.к. слишком большой ток может вывести из строя МК и светодиод. Некоторые МК содержат ограничители тока на выходных линиях, что устраняет потребность в ограничивающем резисторе. Но все же целесообразно, на всякий случай, включить этот резистор, чтобы гарантировать, что короткое замыкание на «землю» или напряжение питания Vcc, не выведет из строя МК.

Рис.3.4. – Подключение светодиода к микроконтроллеру

Семи сегментный индикатор.

Вероятно, самый простой вывод числовых десятичных и шестнадцатеричных данных – это использование семи сегментного индикатора (ССИ).

Светодиодные индикаторы до сих пор являются полезными приборами, которые могут быть включены в схему без больших усилий для создания программного обеспечения. Включая определенные светодиоды (зажигая сегменты), можно выводить десятичные числа.

Каждый светодиод в индикаторе имеет свой буквенный идентификатор (A, B, C, D, E, F, G), и одна из ножек светодиода подключена к соответствующему внешнему выводу. Вторые ножки всех светодиодов соединены вместе и подключены к общему выводу. Этот общий вывод определяет тип индикатора: с общим катодом или с общим анодом.

Рис.3.5– Семи сегментный индикатор

Подключение индикатора к МК осуществляется весьма просто: обычно индикатор подключают как семь или восемь (если используется десятичная точка) независимых светодиодов. Наиболее важной частью работы при подключении к МК нескольких ССИ является назначения линий вводе вывода для каждого светодиода. Решение этой задачи в начале выполнения проекта упростит вам монтаж разводки и отладку устройств в дальнейшем. Типичный способ подключения нескольких индикаторов состоит в том, чтобы включить их параллельно и затем управлять протеканием тока через общие выводы отдельных индикаторов. Так как величина этого тока обычно превышает допустимое значение выходного тока МК, то для управления оком включается дополнительные транзисторы, которые выбирают, какой из индикаторов будет находиться в активном состоянии.

На рис. 3.6 показано подключение к МК четырех ССИ. В этой схеме МК выдает данные для индикации, последовательно переходя от одного индикатора к другому. Каждая цифра будет высвечиваться в течении очень короткого интервала времени. Это обычно выполняется с помощью подпрограммы обслуживания прерываний таймера. Чтобы избежать мерцания изображения, подпрограмма должна выполняться со скоростью, обеспечивающий включение индикатора, по крайней мере, 50 раз в секунду. Чем больше цифр, тем чаще должны следовать прерывания от таймера. Например, при использовании восьми ССИ цифры должны выводиться со скоростью 400 раз в секунду.

Рис.3.6 Подключение к МК четырех ССИ

В дипломном проекте используется 7-сегментный 4-разрядный цифровой индикатор CC56-12.

Таблица 1.4 Характеристики цифрового индикатора CC56-12

Материал	GaAlAs
Цвет свечения	красный
Длина волны,нм	640
Минимальная сила света Iv мин.,мКд	8
Максимальная сила света Iv макс.,мКд	24
При токе Iпр.,мА	10
Количество сегментов	7
Количество разрядов	4
Схема включения.	общ.катод
Высота знака,мм	14.2
Максимальное прямое напряжение,В	2.5
Максимальное обратное напряжение,В	5
Максимальный прямой ток ,мА	30
Максимальный импульсный прямой ток ,мА	155
Рабочая температура,С	40…85