Расчет и выбор параметров элементов принципиальной схемы

Как было выявлено из предыдущих разделов, возникает необходимость в таких элементах как:

– Аналого-цифровой преобразователь

– Микропроцессор

– Логическая схема управления

– Индикатор

Помимо этих узлов важно обеспечить необходимое напряжение питания, а для этого применим обычный трансформаторный блок питания

ADS930 является высокоскоростным параллельным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), для работы от номинального напряжения от + 3V до + 5VВ с разбросом и отклонением питания с допусками до 10%. Этот преобразователь включает в себя триггер с высокой пропускной способностью в режиме удержания, а так же 8-битное ядро запитанного от внутреннего источника опорного напряжения.

Ядро ADS930 использует цифровые методы коррекции ошибок, которые обеспечивают отличную дифференциальную линейность для прецизионных вычислений.

Его низкий коэффициент нелинейных искажений и высокий уровень сигнал/шум SNR раскрывают потенциал для нужд телекоммуникаций, видеосистем и контрольно-измерительных приборов.

Такая высокая производительность АЦП осуществляется на частоте дискретизации 30МГц. ADS930 доступен в корпусе SSOP-28

Рис 2.1– Назначение выводов и внешний вид ADS930

На сегодняшний день существуют сотни производителей, номенклатура которых насчитывает десятки тысяч видов микроконтроллеров. Одним из лидеров на этом рынке является компания ATMEL, выпускающая несколько семейств микроконтроллеров под торговой маркой AVR (Tiny AVR, Classic AVR, Mega AVR)[5]. Семейство AVR Mega насчитывает десятки различных микроконтроллеров, и для выбора оптимально подходящего проанализируем основные характеристики различных устройств этого семейства AVR (таблица 2.1).

Наиболее перспективной на данный момент являются семейство Mega AVR. Как и все микроконтроллеры AVR фирмы ATMEL, ATmega являются 8-разрядными микроконтроллерами, предназначенные для встраиваемых приложений. Они изготавливаются по низко потребляющей КМОП- технологии, которая в сочетании с усовершенствованной RISC – архитектурой позволяет достичь наилучшего соотношения быстродействие/энергопотребление.

Таблица 2.1 – Основные характеристики микроконтроллеров семейства Mega

Характеристика	ATmega8	ATmega16	ATmega64	ATmega8515
Память программ, Кбайт
Память данных, (ПЗУ) байт
Память данных, (ОЗУ) байт
Напряжение питания, В	4,5 – 5,5	4,5 – 5,5	2,7 – 5,5	4,5 – 5,5
Тактовая частота, МГц	0 – 16	0 – 16	0 – 16	0 – 16
Интерфейсы	SPI, USART	SPI, USART	SPI, 2 USART	SPI, USART
Тип корпуса	TQFP 32	TQFP 44	TQFP 64	TQFP 44

Так как основной функцией контроллера управления является управление диапазоном значений датчиков и минимальным количеством вычислений, а так же управление жидкокристаллическим индикатором, то достаточным требованиям отвечает один из рассмотренных микроконтроллеров - ATmega64.

Рис 2.2– Назначение выводов и внешний вид ATmega64

В основе микроконтроллеров семейства Atmega фирмы Atmel лежит 8-разрядное ядро, способное обрабатывать данные с форматами байта, слова и, посредством многих интерфейсов и прерываний.

Внутренняя 8-разрядная шина адреса позволяет адресовать единое пространство программ и данных с максимальным объемом 1024 байт. Память адресуется в линейном режиме. Кроме того, ряд специальных регистров процессора обеспечивает обращение к прерываниям, в которых размещаются коды программ, стеки пользователя и системы и дополнительные данные - некоторые данные отличающиеся, в основном, от данных размещаемых в специализированных пространствах.

Рис 2.3– Внутренняя структурная схема ATmega64

Все регистры общего назначения размещаются в RAM. К регистрам общего назначения, находящимся в RAM, обращение ведется короткими командами, что обеспечивает высокую скорость их выполнения.

При использовании регистров общего назначения в качестве 8-разрядных регистров, они могут быть использованы как линейные указатели, организующие прямое обращение ко всему пространству памяти[5].

Прошивка микроконтроллера Atmega16 осуществляется посредством специализированного устройства – программатора. На данный момент существует множество вариантов их реализации. Однако большинство этих схем используют COM и LPT – порты, которые в современных ЭВМ без специальных «планок» или вспомогательных плат найти весьма проблематично. Даже использование дополнительных средств не гарантирует стабильной работы программатора и программного обеспечения[10].

Расчет входной цепи

Первоначально нужно рассчитать входную емкость.

При выборе режима сигнала с постоянной составляющей, сигнал подаётся сразу на делитель. А при работе работе только с переменным сигналом для отсечения постоянных составляющих сигнала на вход ставится конденсатор.

Конденсатор имеет комплексное сопротивление

.

Изменение комплексного сопротивления от частоты при С = 100 нФ:

Рис 2.4 – Изменение комплексного сопротивления от частоты при С = 100 нФ

На частотах до 1 МГц при С = 100 нФ , что нам и требуется.

Встречаются случаи, когда амплитуда входного сигнала превышает нужное напряжение, а так же необходимо обеспечить тот факт чтобы все последующие цепи были бы защищены. Поэтому необходимо использовать транзисторный повторитель у которого коэффициент передачи равен 1, а остальные параметры, достаточны для адекватной работы с сигналом.

Основные требования к диодам:

Проектирование инвертирующего усилителя постоянного тока на операционном усилителе с заданным коэффициентом усиления.

Рис 2.5 – Структурная схема инвертирующего усилителя

Резисторы, используемые в схемах с операционными усилителями, имеют типичное сопротивление порядка кОм. Использование резисторов с сопротивлениями менее 1 кОм нежелательно, так как они могут вызвать чрезмерный ток, перегружающий вы ход операционного усилителя. Резисторы с сопротивлениями более 1 МОм могут внести повышенный тепловой шум и сделать схему чувствительной к случайным ошибкам вследствие токов смещения

Коэффициент передачи определяется как:

А так же как

Таким образом сформируем таблицу с значениями коэффициентов усиления с эквивалентными параметрами управляющего сигнала, чтобы обеспечить подбор по точностным параметрам необходимо использовать в цепи 2 резистора, один большего, другой меньшего сопротивления чтобы максимально точно подобрать коэффициент передачи при среднем разбросе 5%:

Как было определено оптимальным значением первого резистора является

(для 12 В) {ABC} = {0,0,0}

(для 5 В) {ABC} = {0,0,1}

(для 2 В) {ABC} = {0,1,0}

(для 0,5 В) {ABC} = {0,1,1}

(для 0,1 В) {ABC} = {1,0,0}

(для 0,05 В) {ABC} = {1,0,1}

(для 0,02 В) {ABC} = {1,1,0}

Для сдвига по амплитуде сигнала необходимо использовать классическую схему включения операционного усилителя на основе дифференциального смещения.

Рис 2.6 – Структурная схема дифференциального усилителя