Технологический контроль параметров радиоэлементов. Микроконтроллерная обработка

Киреев А.О., Колдов А.С. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ РАДИОЭЛЕМЕНТОВ. МИКРОКОНТРОЛЛЕРНАЯ ОБРАБОТКА

В данной работе рассматривается целесообразность применения микроконтроллерной обработки в сфере контроля параметров радиоэлементов.

В последние годы происходит стремительный рост производства радиоэлектронной аппаратуры в России. Вместе с тем, большинство предприятий сталкиваются с рядом проблем, негативно влияющих на качество выпускаемых изделий. К сожалению, большинство отказов продукции происходит из-за низкого качества комплектующих (конденсаторов, операционных усилителей, малых индуктивностей, сопротивлений и т.д.). Реже источниками проблем являлись ошибки, допущенные при разработке изделий. Зарубежный и отечественный опыт изучения причин отказов радиоэлементов на входном контроле и эксплуатации РЭА показывает различную надежность поставляемых партий одного типа [1].

Таким образом, отсутствие жесткого технологического контроля процесса производства электронных компонентов, а также наличие контрафактной продукции на рынке сбыта заставляет изготовителей аппаратуры активно применять различные методы входного контроля.

Решения в данной сфере можно разделить на две категории. К первой относится использование готовых универсальных систем на базе промышленных компьютеров или аппаратно-программных комплексов (например LabVIEW), состоящих из плат сбора данных, подключенных к системной магистрали персонального компьютера, и программной оболочки. К недостаткам этих систем следует отнести их высокую стоимость, вследствие их многофункциональности, которая требуется в научных лабораториях, но в данном случае является избыточной. К тому же следует учесть, что потребителями приборов технологического контроля являются специалисты разной квалификации и разного уровня подготовки.

Ко второй категории относятся портативные малогабаритные системы, обладающие достаточно высокими техническими характеристиками при небольшой стоимости, малых габаритах и низком энергопотреблении, сосредоточенные на решении конкретной задачи [2]. Всем этим требованиям удовлетворяют системы, реализованные на базе микроконтроллеров (МК), интегрирующие в одном корпусе интегральной схемы высокопроизводительный процессор, оперативную и постоянную память, а также набор периферийных устройств.

Учитывая, что МК является ядром разрабатываемого прибора, его выбор - одна из ключевых задач. Основная цель - выбрать наименее дорогой МК (чтобы снизить общую стоимость системы), но в то же время удовлетворяющий спецификации системы, т.е. требованиям по производительности, надежности, условиям применения и т.д. Исходя из вышеперечисленных требований, для решения поставленной задачи наиболее подходят контроллеры цифровой обработки сигналов dsPIC фирмы Microchip (в частности dsPIC30F3014) [3].

Ядро dsPIC30F построено по 16-ти разрядной модифицированной Гарвардской архитектуре с расширенной системой команд: микроконтроллерные инструкции (MCU) и команды цифровой обработки сигналов (DSP). Оба

этих класса равноправно интегрированы в архитектуру контроллера и обрабатываются одним ядром. В контроллерах dsPIC поддерживаются различные типы адресации, а система команд оптимизирована для получения максимальной эффективности при программировании на языке высокого уровня С.

Таким образом, при низкой себестоимости этот МК обладает высоким быстродействием (30 MIPS) и мощной системой команд. Кроме того, он содержит в себе 12 разрядный АЦП и большое число разнообразных периферийных устройств (USART, SPI, I2C, DCI, таймеры, модули ШИМ и т.д.) Немаловажным фактором является также низкое энергопотребление данного МК. Фирма Microchip постоянно расширяет номенклатуру средств поддержки разработки. Особого внимания заслуживает мощная интегрированная программная среда MPLAB для разработки и отладки PICmicro, созданная самой фирмой и распространяемая свободно.

Контроллеры, выпускаемые другими компаниями, либо имеют недостаточные возможности (низкое быстродействие, малая разрядность АЦП) при такой же стоимости, либо избыточны и, соответственно, слишком дороги для данных систем.

Примером применения микроконтроллера при построении приборов технологического контроля является разработанный при участии автора прибор для технологического контроля индуктивностей и малых сопротивлений. Прибор позволяет проводить оперативное измерение и контроль индуктивностей катушек и датчиков в диапазоне от 10 мкГн до 10 мГн (с разбивкой на 3 диапазона) и активных сопротивлений, в том числе сопротивления провода катушек, в диапазоне от 0,1 до 100 Ом (также с разбивкой на 3 диапазона).

Применение микроконтроллера обеспечивает управление процессами коммутации цепей при выборе режимов работы и диапазона измерения, формировании опорного напряжения, получении отсчётов выходного напряжения схемы в заданные моменты времени, вычислении искомого результата, индикации результатов измерения.

Формирователь опорного напряжения (ФОН) в данной работе реализуется на базе ЦАП. К нему предъявляются высокие требования по быстродействию, разрешающей способности, малым нелинейностям и высокому соотношению сигнал/шум. Среди широкой номенклатуры данных преобразователей, представленных на рынке, была выбрана микросхема AD9754 (Analog Devices) [4].

При разработке этого преобразователя были приняты специальные меры для улучшения динамических параметров схемы. По сравнению с предыдущими, он имеет более высокие параметры на верхних частотах рабочего диапазона и больший динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих (83 дБ). ЦАП обладает низкой потребляемой мощностью, имеется режим снижения энергопотребления. Работа с однополярным источником питания +3,3 В или +5 В делает устройства чрезвычайно привлекательными для переносных и маломощных приложений.

Выходы ЦАП являются симметричными дифференциальными токовыми выходами, которые обеспечивают минимизацию искажений четного порядка (особенно в случаях, когда выход ЦАП управляет устройством с дифференциальным входом, таким как трансформатор или операционный усилитель - преобразователь тока в напряжение). Для регулировки амплитуды выходного сигнала выходной ток полной шкалы может изменяться от 20 до 2 мА без ухудшения параметров. Токовый выход может использоваться в несимметричном включении или даже как выход по напряжению.

При измерении индуктивности формирователь опорного напряжения ФОН (см. рис.1), управляемый микроконтроллером, формирует периодическую последовательность импульсов однополярного линейно изменяющегося напряжения с периодом повторения 2Т.

В пределах каждого периода:

_ГSu  t пРи 0 ^ t < T1 ФОН “1 0 при T < t < 2T J ,

где SU - крутизна линейно изменяющегося напряжения, В/с.

На выходе источника тока, управляемого напряжением, ИТУН формируются импульсы линейно изменяющегося тока с крутизной Sj , А/с.

В течение рабочего полупериода опорного напряжения (при 0</ <Т ) падение напряжения на катушке описывается выражением

и (Г) = Б1Ь + Б1КГ ,

где Ь и R - индуктивность и активное сопротивление провода катушки.

Рис 1.

Для устранения влияния на последующие каскады выбросов напряжения на катушке, обусловленных ЭДС самоиндукции, в течение следующего нерабочего полупериода опорного напряжения (при T<t<2T ) ключ Кл.1

замыкается, закорачивая катушку, а ключ Кл.2 размыкается, отключая последующие каскады. Управление состоянием ключей осуществляется микроконтроллером. Повторитель Повт. устраняет дополнительную погрешность преобразования, обусловленную остаточным сопротивлением ключа Кл.2 в замкнутом состоянии.

С помощью встроенного АЦП микроконтроллера берутся отсчёты выходного напряжения повторителя, задержанные от начала опорного импульса на время t = Т/2 и t = T :

U (Т/2) = SjL + SjRT/2 ;

U(Т)= SjL + SjRT .

В соответствии с заложенной в микроконтроллер программой напряжение в момент первого отсчёта умножается на 2 и из полученного результата вычитается напряжение в момент второго отсчёта. Полученное значение

U = SjL

пропорционально индуктивности катушки и инвариантно по отношению к его активному сопротивлению. Далее микроконтроллер осуществляет индикацию результата измерения, используя цифровое отсчётное устройство ЦОУ. Измерение активных сопротивлений производится при подаче на ИТУН постоянного напряжения.

Экспериментальные исследования в указанных выше диапазонах измерения индуктивностей и активных сопротивлений подтвердили работоспособность данного алгоритма преобразования.

Таким образом, данный пример иллюстрирует целесообразность применения микроконтроллеров в области измерений параметров радиоэлементов. Преимущества заключаются прежде всего в том, что конечный потребитель получает готовое устройство - портативное, малогабаритное, обладающее низким энергопотреблением и, кроме того, не требующее высокого уровня подготовки оператора. С точки зрения разработчика, в случае расширения круга решаемых задач, устройства на базе МК легко адаптируются к новым требованиям (изменяется лишь программный код) с минимальными схемотехническими доработками.

ЛИТЕРАТУРА

1. Горлов М. И., Грищенко В. Т. Входной контроль изделий электронной техники. -Воронеж: Предпринт

АОО "Видеофон", 1993.

2. Мартяшин А.И., Светлов А.В. Перспективные направления развития измерителей параметров многоэлементных электрических цепей // Актуальные проблемы науки и образования: Труды международ. юбилейного

симпоз.: В 2-х т. Т.2. - Пенза: Информационно-издательский центр Пенз. гос. ун-та, 2003. - С. 288 -

290.

3. Материалы официального сайта компании Microchip - http://www.microchip.com

4. Материалы официального сайта компании Analog Devices - http://www.analog.com.ru