Микроконтроллерный АЦП на основе переходного процесса в RC-цепи
MICROCONTROLLER ADC BASED ON THE TRANSIENT IN THE RC CIRCUIT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к аналого-цифровым преобразователям (АЦП) и может быть использовано в цифровых системах для измерения аналоговых величин.
Уровень техники
Известен АЦП, содержащий: микроконтроллер, конденсатор, первый, второй и третий резисторы, первые выводы которых подключены к первому входу, встроенному в микроконтроллер аналоговому компаратору. Второй вывод второго резистора подключен к плюсу источника питания, вторые выводы третьего резистора и конденсатора подключены к минусу источника питания, первый резистор выполнен управляемым и его управляющий вход подключен к порту микроконтроллера, второй вход аналогового компаратора подключен к источнику входного напряжения (см. пат. РФ № 2298872, кл. H03M 1/38).
Недостаток известного решения - низкая точность преобразования.
Известен микроконтроллерный АЦП с использованием переходного процесса в RC-цепи, содержащий: микроконтроллер, конденсатор, первый, второй и третий резисторы, первые выводы конденсатора и первого резистора подключены к первому входу встроенного в микроконтроллер аналоговому компаратору, второй вывод первого резистора подключен к первому дискретному выходу микроконтроллера, введен четвертый резистор, причем первые выводы второго и третьего резисторов подключены ко второму входу аналогового компаратора, вторые выводы второго и третьего резисторов подключены, соответственно ко второму и третьему дискретным выходам микроконтроллера, второй вывод конденсатора подключен к четвертому дискретному выходу микроконтроллера, первый вывод четвертого резистора подключен к источнику входного сигнала, второй вывод четвертого резистора подключен ко второму выводу третьего резистора (см. пат. РФ № 2523208, кл. H03M 1/38).
Недостаток известного решения - низкая точность преобразования, обусловленная отсутствием источника опорного напряжения (ИОН). Известно, что точность АЦП зависит от точности ИОН (Под ред. Уолта Кестера. Аналого-цифровое преобразование. Москва: Техносфера, 2007. - 1006 с. ISBN 978 -5-94836-146-8).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятый авторами за прототип является микроконтроллерный АЦП с использованием переходного процесса в RC-цепи, содержащий: микроконтроллер, конденсатор, резистор, первые выводы конденсатора и резистора подключены к первому входу встроенного в микроконтроллер аналогового компаратора, первый выход источника аналогового сигнала подключен к общей шине питания, источник ИОН, причем второй вывод резистора подключен к выходу ИОН, второй вход аналогового компаратора микроконтроллера подключен к второму выходу источника аналогового сигнала (см. пат. РФ № 2726292, кл. H03M 1/82).
Недостаток известного решения - низкая точность преобразования, обусловленная отсутствием возможности выбора рабочего диапазона в соответствии с диапазоном изменения входного напряжения от минимального до максимального. В прототипе диапазон изменения входного напряжения отсчитывается от потенциала общей шины, что не позволяет эффективно сопрягать источник аналогового сигнала с предлагаемым АЦП, а, следовательно, получить повышенную точность аналого-цифрового преобразования.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению точности аналого-цифрового преобразования.
введен
Технический результат достигается тем, что в микроконтроллерный АЦП на основе переходного процесса в RC-цепи, содержащий: микроконтроллер, конденсатор, резистор, источник опорного напряжения (ИОН), первые выводы конденсатора и резистора подключены к первому входу встроенного в микроконтроллер аналогового компаратора, второй вывод резистора подключен к выходу ИОН, первый вывод источника аналогового сигнала подключен к общей шине питания, второй вывод источника аналогового сигнала подключен к второму входу аналогового компаратора микроконтроллера, дополнительно  второй резистор, причем первый вывод второго резистора подключен к второму выводу конденсатора и к цифровому выводу микроконтроллера, второй вывод второго резистора подключен к общей шине питания.
Краткое описание чертежей
На чертеже представлена структурная схема микроконтроллерного АЦП на основе переходного процесса в RC-цепи.
Осуществление изобретения
Микроконтроллерного АЦП на основе переходного процесса в RC-цепи содержит (фиг.) микроконтроллер 1, ИОН 2, первый резистор 3 (R1), конденсатор 4, второй резистор 5 (R2). Резистор 3 и конденсатор 4 первыми выводами подключены к первому входу аналогового компаратора, встроенного в микроконтроллер 1, (на фиг. аналоговый компаратор не показан), выход ИОН подключен к второму выводу резистора 3, первый вывод резистора 5 подключен к второму выводу конденсатора 4 и к цифровому выводу микроконтроллера 1, второй вывод резистора 5 подключен к общей шине питания, первый вывод источника аналогового сигнала подключен к второму входу аналогового компаратора, второй вывод источника аналогового сигнала подключен к общей шине питания.
Микроконтроллерный АЦП на основе переходного процесса в RC-цепи работает в двух режимах.
t
–t/τ
Первый режим. Микроконтроллер 1 выводит логический 0 (лог.0) через цифровой вывод на второй вывод конденсатора 4, в этом случае второй вывод конденсатора 4 будет иметь низкий потенциал, близкий к потенциалу общей шины питания (внутренняя общая шина микроконтроллера 1 на фиг. не показана). В начале цикла микроконтроллер 1 настраивает вывод, к которому подключен первый вход аналогового компаратора на выход и выводит лог.0. Конденсатор 4 начинает разряжаться на внутреннюю общую шину микроконтроллера 1. Микроконтроллер 1 удерживает лог.0 на данном выводе некоторое время, необходимое для полного разряда конденсатора 4. Затем микроконтроллер 1, переводит этот вывод в высокоомное состояние и запускает внутренний счетчик тактовых импульсов. Конденсатор 4 начинает заряжаться от ИОН 2 через резистор 3. Как только напряжение Uc на конденсаторе 4 превысит напряжение Uвх источника входного сигнала, действующего на втором входе аналогового компаратора, последний изменит на своем выходе логический уровень. По этому событию микроконтроллер 1 считывает двоичный код счетчика тактовых импульсов. Двоичный код пропорционален времени заряда  конденсатора 4. Микроконтроллер 1 определяет Uc, а, следовательно и Uвх, используя выражение: Uвх=Uc=Uref⋅(1-е), где Uref - напряжение ИОН (известно); τ=R1⋅C - постоянная времени (известна).
R2
R2
R2
–t/τ
Второй режим. Перед началом цикла преобразования микроконтроллер 1 разряжает конденсатор 4 по алгоритму первого режима, затем переводит цифровой вывод и вывод, к которому подключен первый вход аналогового компаратора в высокоомное состояние. Конденсатор 4 начинает заряжаться от ИОН через резисторы 3 и 5. Как только напряжение Uc на конденсаторе 4 превысит напряжение Uвх источника входного сигнала, действующего на втором входе аналогового компаратора, последний изменит на своем выходе логический уровень. По этому событию микроконтроллер 1 считывает двоичный код счетчика тактовых импульсов. Двоичный код пропорционален времени t заряда конденсатора 4. Микроконтроллер 1 определяет напряжение на конденсаторе 4, используя выражение: Uc=U+(Uref-U)⋅(1-е), где U - напряжение на втором резисторе 5 (R2) в начале переходного процесса (известно); τ = (R1+R2)⋅C - постоянная времени (известна).
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом имеет преимущество - повышена точность преобразования за счет повышения количества шагов квантования и уменьшения их значения, благодаря увеличению постоянной времени и уменьшению диапазона изменения напряжения на конденсаторе в пределах одной постоянной времени RC-цепи.