Аналого-цифровой преобразователь для встраиваемых систем с коррекцией нелинейности первичных преобразователей (сенсоров)

Ю.Г. Тетенькин

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ВСТРАИВАЕМЫХ СИСТЕМ С КОРРЕКЦИЕЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Y.G. Tetenkin

ANALOG-DIGITAL CONVERTER FOR EMBEDDED SYSTEMS WITH CORRECTION OF NONLINEARITY OF SENSING DEVICES

Ключевые слова: аналого-цифровой преобразователь, прямое преобразование, коррекция нелинейности, многотактное интегрирование.

Keywords: analog-digital converter, direct conversion, correction of nonlinearity, multicycle integration

Аннотация: В статье предложен АЦП с регулируемой коррекцией нелинейности функции преобразования, позволяющий компенсировать собственную нелинейность первичных преобразователей (датчиков) и проводить косвенные измерения различных физических величин.

Abstract: The article suggests ADC with an adjustable correction of nonlinearity of the conversion function to compensate for the proper nonlinearity of sensing devices (sensors) and to carry out indirect measurements of various physical quantities.

Любая механическая или электрическая система, имеющая в своем составе устройство управления, выполненное на основе вычислителя, может быть отнесена к встраиваемым системам (Embedded System) [1]. Такая система создается вокруг исполнительных устройств и датчиков, а вычислитель (как правило, микроконтроллер), хоть и играет управляющую роль в системе, является лишь средством, обеспечивающим функционирование всех входящих в систему компонентов и необходимые интерфейсы для связи с внешним миром.

Разработчики встраиваемых систем часто сталкиваются с двумя основными проблемами: обеспечение баланса производительность-энергопотребление и необходимостью поддержки специальных и универсальных функций во встраиваемых приложениях, решение которых ограничено требованиями невысокой стоимости и массогабаритных характеристик конечного изделия.

Существует определенные отличия вычислителей общего применения (например, ПК) и вычислителей встраиваемых систем. Первые могут выполнять множество программ, начиная с работы текстового редактора, заканчивая обработкой мультимедиа и эмуляцией работы сложных. Во втором случае вычислитель, который может быть реализован на процессоре с не меньшей производительностью, чем ПК, выполняет только специальную программу управления или контроля. Обобщая, можно сказать, что главной задачей вычислителей общего применения является эффективная реализация вычислительных алгоритмов, а вычислителей встраиваемых систем - алгоритмов управления.

С учетом вышесказанного вполне понятным является использования в качестве вычислителей во многих встраиваемых системах низкопотребляющих 8 разрядных RISC микроконтроллеров (МК) с относительно невысокой вычислительной мощностью, но обладающих широким набором различного рода интегрированных периферийных модулей (ADC, DAC, RTC, таймеров, счетчиков, PHY-контроллеров интерфейсов, модулей отладки и пр.).

Существуют два основных подхода к обработке более чем одного аналогового сигнала. Долгое время наиболее популярным был способ аналогового мультиплексирования всех входных каналов с использованием одного А\Ц преобразователя для выполнения функций ввода данных. Одной из причин популярности этого способа являлась высокая стоимость таких преобразователей. В настоящее время эта проблема успешно решена и во многих встраиваемых системах используются отдельные А\Ц преобразователи для каждого канала

измерения или контроля (рисунок 1).

к host-контролле

ру

Рисунок 1 - Многоканальная система с использованием отдельных А\Ц преобразователей для каждого канала

Преимущества такого подхода проявляются в промышленных приложениях, когда датчики распределены по большой площади и, как правило, работают в условиях сильных внешних помех. Установка А\Ц преобразователей вблизи 1111 (сенсоров) и передача данных в цифровой форме предотвращают прохождение аналоговых сигналов через области действия помех. При таком подходе обеспечивается также гальваническая развязка и исключается появление земляных контуров.

Наличие отдельного А\Ц преобразователя для каждого канала позволяет реализовать намного большую частоту дискретизации в расчете на канал. И, наоборот - для реализации заданной производительности можно использовать менее быстродействующие А\Ц преобразователи.

В настоящее время информационно-измерительная техника располагает средствами измерения более 200 различных физических величин - электрических, магнитных, тепловых, механических и др. В большинстве случаев эти величины в процессе измерения преобразуются с помощью различного рода датчиков (сенсоров) в аналоговый или цифровой сигнал, что облегчает решение задач контроля и управления [2,3].

Приемлемые технические характеристики и низкая стоимость параметрических датчиков обуславливают их широкое использование для измерений неэлектрических величин. В них различные по физической природе входные параметры (перемещение, деформации, температура и т.п.) преобразуются с помощью первичных преобразователей-сенсоров (1111) в электрические информативные параметры (сопротивление, емкость, индуктивность и др.) и далее с помощью измерительных преобразователей параметрических датчиков И1 в электрические унифицированные сигналы.

Выходные сигналы 1111, как правило, очень малы. Для приведения таких сигналов до уровня, совместимого с устройствами ввода данных, обычно применяются усилители. К сожалению, усилители и подводящие кабели часто приводят к появлению дополнительных погрешностей, увеличению стоимости и сложности всей системы. Лоэтому в настоящее время использование усилителей считается устаревшим способом согласования уровней сигналов (по крайней мере, для некоторых типов датчиков) [3].

Традиционные методы А\Ц преобразований основаны на работе с достаточно высокими входными сигналами, что позволяет делать большую величину младшего значащего разряда (МЗР) и минимизировать погрешности, вызванные шумами и сигналами смещения. Ш этой причине минимальный уровень МЗР обычно выбирается равным не менее 100-200 мкВ, что делает невозможным прямое подключение многих ЛЛ (например, термопарных,

емкостных или пьезорезистивных датчиков). Динамический диапазон их выходных сигналов часто не превышает нескольких милливольт, что требует, например, для 10-ти разрядного АЦИ обеспечения уровня МЗР порядка 1 мкВ [4].

1ри прямой дискретизации выходных сигналов И нет необходимости использовать усилители в интерфейсной схеме, что может привести к улучшению рабочих параметров системы без ухудшения ее точностных характеристик. Основная идея прямой дискретизации заключается во встраивании 1111 в схему преобразования аналогового сигнала (например, АЦ1 или преобразователя импеданса в частоту). Такие преобразователи по своей природе являются модуляторами и, следовательно, нелинейными устройствами.

Однако наличие нелинейности функции преобразования самого 11 или канала его А\Ц преобразования снижает метрологические и эксплуатационные параметры датчиков и требует значительной вычислительной мощности от управляющего МК встраиваемой системы для ее учета или компенсации. Особенно это важно для многоканальных и быстродействующих систем обработки данных.

В работе [5] показано, что с помощью И1 двухтактного интегрирования, используемых в цифровых вольтметрах постоянного тока, могут быть получены интервалы времени, пропорциональные п-ой степени входного напряжения. 1рименения данного решения во встраиваемых системах требует предварительного преобразования информативных параметров 11 в напряжение постоянного тока, что создает дополнительные погрешности, снижающие точность измерения физической величины.

Использование А\Ц преобразователей R,C-параметров с регулируемой нелинейностью функции преобразования на основе запатентованной автором схемы [6], позволяет решить данную проблему. Использование прямой дискретизации параметров 1111 позволяет повысить результирующую точность системы, уменьшить нагрузку на вычислительное ядро МК, а также проводить косвенные измерения физических величин, функционально связанных с информативными параметрами 11.

На рисунке 2 показана функциональная схема А\Ц преобразователя для встраиваемых систем с коррекцией нелинейности 1111 (сенсоров) и временные диаграммы его работы в случае реализации корректирующей зависимости в виде полинома второй степени

Nx =

где в = Zx(в )/Z0,

^ (в ) и Z 0 - текущее и опорное значения информативного параметра 1111,

Nx и N0 - текущее и опорное значения цифрового эквивалента информативного параметра 11,

а1 и а2 - коэффициенты пропорциональности.

1реобразователь содержит операционный усилитель с коммутируемой по заданному алгоритму цепью обратной связи, аналоговые ключи S1-S5, двухполярный источник опорных напряжений ИОН и микроконтроллер МК. Следует отметить, что использование в качестве коммутирующих ключей линий портов ввода\вывода МК возможно, но приведет к ухудшению метрологических параметров системы.

Рассмотрим работу Ф\Ц преобразователя в режиме функционального преобразования сопротивления Rx (в) резистивного 1111 в цифровой код Nx. Согласно временным диаграммам рисунка 2 цикл преобразования тц состоит из четырех тактов. 1оложения ключей в каждом такте приведены в таблице 1.

В первом такте в момент времени tc МК переводит ключи S1-S5 в положение "1" и обнуляет счетчики, используемые для А\Ц преобразования. В это же время на вход микросхемы DA подается напряжение ивх ^) = - и0 с двухполярного ИОН и начинается подсчет тактовых импульсов £>, поступающие на вход счетчика результатов СТ2 МК.

1о истечении фиксированного интервала времени Т0 = t1 - 10 = N0 \ fo (N0- емкость счетчика опорных интервалов СТ1 МК), определяемого по переполнению СТ1, на выходе DA будет присутствовать напряжение

1 . и

и 1(t1) =

тс\

ивх (t)Л =

Я1С1

В момент времени tl счетчик СТ1 после переполнения переходит в начальное (нулевое) значение начинается второй такт преобразования. МК переводит ключи S1-S4 в

+ио

-ио

^вх

1и^) ,

/ Тоц Т2ц \ /Тзц Т4ц / Тоц Т2ц

Ьо t1 t2 Тц tз ь Ь5 Ьб

Цикл преобразования

Таблица 1 -Резистивный 1111

Таблица 2 -Емкостной 1111

№ такт а П оложения ключей

S1 S2 S3 S4 S5

1 1 1 1 1 1

2 2 2 2 2 1

3 1 1 2 2 1

4 2 2 2 1 2

№ такт а 1оложения ключей

S1 S2 S3 S4 S5*

1 1 1 1 1 1

2 2 2 2 2 1

3 2 2 1 1 1

4 2 1 2 2 2

0

0

положение "2", а счетные импульсы f начинают поступать на входы счетчиков СТ1 и СТ2.

Выходное напряжение DA

Ui

в момент времени t2 достигает нулевого уровня и компаратор МК выдает сигнал об окончании второго такта и поступление счетных импульсов f0 в СТ1 и СТ2 прекращается.

Учитывая (2) и (3) длительность второго такта

Т R2C2Т

Т2 = ---Т0,

2 R1C1 V '

а количество импульсов, поступивших в счетчики за время Т2

N = R2C2 N

XI R1C1 0,

где Nxi = Tfo, To = No\fo.

С началом третьего такта (момент времени t2) МК переводит ключи S1 и S2 в положение "1" и начинает вычитать счетные импульсы из счетчика интервалов CT1 (импульсы f0 в третьем такте на счетчик результатов СТ2 не подаются).

Длительность третьего такта T3 = t3 - t2 равна длительности второго тата, что

обеспечивается вычитанием ^дсчетных импульсов из СТ1 до его обнуления. Выходное напряжение DA в течение третьего такта достигнет значения

Uj

1V3' R1C 2 2 V ;

В момент t3 счетчик СТ1 обнуляется и МК переводит все ключи, кроме S4, в положение

"2". При этом импульсы f начинают снова поступать на входы счетчиков СТ1 и СТ2.

Напряжение на выходе DA

u1

в момент времени t4 вновь достигает нулевого уровня и МК по сигналу компаратора К прекращает поступление импульсовf в счетчики СТ1 и СТ2.

Количество счетных импульсов, поступивших в счетчик результатов СТ2 в течение четвертого такта преобразования длительностью T4 = t4 - t3 с учетом

2

Nx 2

R2

R1

\ /

а общее количество импульсов f0 в СТ2 к моменту времени t4 и сохраненное МК

C3

—N0,

C1 0

Nx = Nxi + Nx 2 =

C2 R2 C3 Ci ' Ri + Ci

' R2' 2'

R1 V

No.

Легко видеть, что выбирая R2 - Rx (9 ), а R1 - R0 выражение (9) приводится к виду (1), где а1 - С 2 \ С1, а2 - С 3 \ С1.

Следует отметить, что знаки коэффициентов а1 и а2 полинома (1) могут быть изменены переключением направления счета СТ2. что увеличивает функциональные возможности А\Ц преобразователя.

В случае линейной функции преобразования 1111 цикл преобразования будет состоять только из двух тактов (третий и четвертый такты не проводятся), а количество счетных

м А* (9 ) м

импульсов в конце цикла составит мх - т1 ^ мо, где т1 - С2 \ С1.

А)

Работа А\Ц преобразователя совместно с емкостными ПП происходит по аналогичному алгоритму. Отличие состоит в том, что вместо конденсатора С3 в схему вводится резистор R3. положения переключателей S1-S5* в каждом такте преобразования приведены в таблице

2 рисунка 2.

Число импульсов в счетчике СТ2 в конце цикла преобразования при выборе С1 - С0, С2 - Сх (9 ), определяется по выражению (1), где a1 - А2 \ А1, a2 - R3 \ R1.

В случае реализации корректирующей зависимости в виде полинома третьей степени цикл преобразования увеличивается на два такта, а в схему Ф\Ц преобразователя вводятся элементы R4 или С4.

В связи с тем, что RC-параметры входят в выражение (1) в виде соотношений, влияние их нестабильности на точность преобразования существенно уменьшается. Учитывая, что аналоговая часть преобразователя практически не отличается от рассмотренной в [6], можно сделать предположение об аналогичности их метрологических характеристик при работе с 11, имеющими линейную функцию преобразования. Однако при работе с нелинейными 11 с реализацией полиномиальных зависимостей быстродействие преобразователя уменьшается и растет его погрешность за счет трансформации (накопления) погрешностей предыдущих тактов во все последующие.

Исходя из обобщенного анализа погрешностей п-тактного интегрирования, сделанного в [5], можно показать, что для случая работы с резистивным ПП, имеющим функцию преобразования вида (1) погрешность преобразования увеличится в

к - 2 + М).«

Я а-

т.е. более чем в два раза. Поэтому на практике алгоритмы функционирования А\Ц преобразователя, позволяющие реализовывать полиноминальные зависимости третьей и более высоких степеней, встречаются редко.

Библиографический список

1. Баррет С.Ф., Д-Дж. Пак. Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68НС12/НБС12 с применением языка С. - М.: Изд. Дом "ДМК-Пресс", 2007. - 640 с.

2. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник: Пер. с англ. под ред. Е.Л.Свинцова. - М.: Техносфера, 2005. - 592 с.

3. Джексон Р.Г. Новейшие датчики: Пер. с англ. под ред. В.В.Лучинина. - М: Техносфера, 2007. - 384 с.

4. Аналого-цифровое преобразование: Пер. с англ./ Под ред. УКестера. - М.: Техносфера, 2007. - 1016 с.

5. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы. - Киев: Выща школа. Головное изд-во, 1980.- 560 с.

6. А.с.1150582 СССР, МКИ4 G01R 27/26. Преобразователь емкости / Л.И.Волгин, Ю.Г.Тетенькин //Б.И.- 1985.- №14.