Патент на изобретение №2298872
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ НА БАЗЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА
(57) Реферат:
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в цифровых системах для измерения и контроля аналоговых величин. Технический результат заключается в повышении чувствительности. Аналого-цифровой преобразователь с управляемой чувствительностью на базе микроконтроллера (МК) содержит VR (1), со встроенным аналоговым компаратором (АК) (2), элементы интегрирующего RC-звена конденсатор (3) (емкость С) и управляемый резистор (Р) (4) (сопротивление R3), Р (5) и (6) (сопротивления R1 и R2). Первые выводы Р (5) и (6) подключены к выходу интегрирующего RC-звена, второй вывод Р (5) подключен к плюсу источника питания, второй вывод Р (6) подключен к минусу источника питания, выход интегрирующего RC-звена подключен ко второму входу АК (2) МК (1), вход интегрирующего RC-звена подключен к дискретному выходу МК (1), первый вход АК (2) подключен к источнику входного напряжения Uвх. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники, к которой относится изобретение Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровым преобразователям, и может быть использовано в цифровых системах для измерения и контроля аналоговых величин. Уровень техники Для сопряжения аналоговых датчиков с цифровыми системами требуется аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Современные микроконтроллеры содержат аналоговые компараторы (АК), что позволяет строить на их основе АЦП с высокими технико-экономическими показателями. Недостатки известного решения – низкая чувствительность и отсутствует функция по управлению чувствительностью. Известно техническое решение, содержащее микроконтроллер, АК, два интегрирующих RC-звена (ИЗ), причем выходы первого и второго ИЗ подключены, соответственно, к неинвертирующему и инвертирующему входам АК, вход первого ИЗ подключен к дискретному выходу микроконтроллера, к входу второго ИЗ подключен источник входного напряжения, выход АК подключен к дискретному входу микроконтроллера (В.Л.Горбунов. Однокристальные микроЭВМ. – Вычислительная техника и ее применение, 1989, №1, с.30-47). Недостатки известного решения – низкая чувствительность и отсутствует функция по управлению чувствительностью. Недостатки известного решения – низкая чувствительность и отсутствует функция по управлению чувствительностью, что ограничивает область применения данного решения. Раскрытие изобретения Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению чувствительности и расширению функциональных возможностей устройства. Технический результат достигается с помощью АЦП с управляемой чувствительностью на базе микроконтроллера, содержащий ИЗ и микроконтроллер со встроенным АК, причем первый вход АК подключен к источнику входного напряжения, второй вход АК подключен к выходу ИЗ, вход которого подключен к выходу микроконтроллера, при этом в него введены первый и второй резисторы, причем первые выводы этих резисторов подключены к выходу ИЗ, второй вывод первого резистора подключен к плюсу источника питания, второй вывод второго резистора подключен к минусу источника питания, резистор ИЗ выполнен управляемым и его управляющий вход подключен к выходу микроконтроллера, управляемый резистор выполнен подстроечным. Краткое описание чертежей На фиг.1 представлена структурная схема АЦП с управляемой чувствительностью на базе микроконтроллера. На фиг.2 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы АЦП. На фиг.3 представлены схемы замещения для пояснения методики расчета чувствительности АЦП. Осуществление изобретения АЦП с управляемой чувствительностью на базе микроконтроллера содержит (фиг.1) микроконтроллер 1 со встроенным АК 2, элементы ИЗ конденсатор 3 (емкость С) и управляемый резистор 4 (сопротивление R3), резисторы 5 и 6 (сопротивления R1 и R2). Первые выводы резисторов 5 и 6 подключены к выходу ИЗ, второй вывод резистора 5 подключен к плюсу источника питания, второй вывод резистора 6 подключен к минусу источника питания, выход ИЗ подключен ко второму входу АК 2 микроконтроллера 1, вход ИЗ подключен к дискретному выходу микроконтроллера 1, первый вход АК подключен к источнику входного напряжения Uвх. АЦП работает следующим образом. На первый вход АК 2 подается возрастающее напряжение Uc, снимаемое с выхода ИЗ. Напряжением Uc управляет микроконтроллер 1 методом широтно-импульсной модуляции. Двоичный код N, пропорциональный Uc, находится в одном из регистров микроконтроллера 1. Как только Uc сравняется с Uвх, на выходе АК 2 формируется сигнал, по которому микроконтроллер 1 останавливает процесс преобразования. В этом случае двоичный код N эквивалентен входному напряжению Uвх. Метод широтно-импульсной модуляции основан на том, что если на ИЗ подавать прямоугольные импульсы напряжения, то конденсатор ИЗ заряжается до среднего напряжения Uc, так как постоянная времени ИЗ достаточно велика по сравнению с периодом следования импульсов. Значение Uc определяется: Uc=(U1-U0)·k= Период следования прямоугольных импульсов определяется Т=tи+tп. Если изменять tи, а Т оставить постоянным, то Uc будет изменяться пропорционально изменению tи. Значение tи хранится в форме двоичного кода N в одном из регистров микроконтроллера 1. Микроконтроллер 1 увеличивает значение tи на единицу перед каждым выводом высокого уровня напряжения U1 на вход ИЗ. Двоичный код N изменяется от минимального Nmin=1 до максимального Nmax. Если регистр 8-разрядный, тогда Nmax=28-1=255. Чувствительность АЦП определяется по формуле
Микроконтроллеры, например, семейства AVR, корпорации Atmel 8-разрядные, изготовлены по КМОП технологии, для которых уровень U1 Чувствительностью можно управлять, изменяя напряжение Допустим, микроконтроллер 1 вывел на вход ИЗ низкий уровень напряжения U0, что равнозначно подключению входа ИЗ к минусовому проводу питания схемы (фиг.3,а). В этом случае: U2=Uп/(R1+R23)·R23=I0·R23; U2=U0, где R23 – общее сопротивление параллельно включенных R2 и R3. Допустим, микроконтроллер 1 вывел на вход ИЗ высокий уровень напряжения U1, что равнозначно подключению входа ИЗ к плюсовому проводу питания схемы (фиг.3,б). В этом случае: U1=Uп/(R2+R13)·R13=I1·R13; Uп-U1=U1, где R13 – общее сопротивление параллельно включенных R1 и R3. Так как R1=R2, то IO=Il=I; R23=R13=R U0=I·R; U1=Uп-I·R=Uп-U0 Расчет сопротивления R3 резистора 4 ИЗ для обеспечения заданной чувствительности, например для S=1 мВ, при Nmax=255, для частного случая, когда R1=R2=100 кОм, производят в следующей последовательности. Максимальный диапазон изменения Uвх должен быть Uвх
U0=Uп/2- I=(Uп-U0)/R1=(5-2,3725)/10-5=2,6275·10-5 А R=U0/I=2,3725/2,6275·10-5=90,295 кОм R3=(R·R2)/(R2-R)=(90,295·100)/(100-90,295)=930 кОм. Следует принимать во внимание, что напряжения на выходе микроконтроллера 1, например для семейства AVR, при напряжении питания Uп=5 В составляют U1 Чувствительность изготовленного опытного образца предлагаемого решения АЦП составила S В качестве управляемого резистора может быть использована комбинация из двух последовательно включенных резисторов, резистора с цифровым управлением и подстроечного или только одного подстроечного резистора. Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества: – более высокую чувствительность; – расширенные функциональные возможности.
Формула изобретения
1. Аналого-цифровой преобразователь с управляемой чувствительностью на базе микроконтроллера, содержащий интегрирующее RC-звено, микроконтроллер со встроенным аналоговым компаратором, причем первый вход аналогового компаратора подключен к источнику входного напряжения, второй вход аналогового компаратора подключен к выходу интегрирующего RC-звена, вход которого подключен к выходу микроконтроллера, отличающийся тем, что в него введены первый и второй резисторы, причем первые выводы этих резисторов подключены к выходу интегрирующего RC-звена, второй вывод первого резистора подключен к плюсу источника питания, второй вывод второго резистора подключен к минусу источника питания, резистор интегрирующего RC-звена выполнен управляемым и его управляющий вход подключен к выходу микроконтроллера. 2. Аналого-цифровой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что управляемый резистор выполнен подстроечным.
РИСУНКИ
MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 10.11.2007
Извещение опубликовано: 10.07.2009 БИ: 19/2009
|
||||||||||||||||||||||||||
U·k, где U1 и U0 – высокий и низкий уровни напряжения прямоугольных импульсов (фиг.2,а,б); k – коэффициент заполнения, k=tи/(tи+tп), где tи и tп – длительности импульса и паузы между импульсами.
5 B, a U0
