Измерение токов высокой частоты

Рисунок 5.3 Схема интегратора

 

3. Выбор аналого-цифрового преобразователя

 

АЦП выбираем, учитывая следующие критерии:

• Время преобразования (по техническому заданию).
• Высокая точность, что бы АЦП вносила наименьший вклад в погрешность всего устройства.
• Совместимость с микропроцессором.
• Доступность в финансовом отношении.

Выходное напряжение интегратора преобразуется в цифровой код с помощью АЦП, в качестве которого используется микросхема AD7816 фирмы Analog Device.

AD7816 –  это 10-разрядное АЦП с временем преобразования 9 мкс; имеет удобный интерфейс обращения к микропроцессору. Функциональное назначение выводов приведено в таблице 2.

Таблица 3.

№	Обозначение	Описание функций
1	CONVST	логический входной сигнал. Начальное преобразование сигнала в 10- разрядное АЦ преобразование.
2	OTI	логический выход. Температурный индикатор установлен на низком уровне, если результат преобразования на нулевом канале; на высоком, если 8-разрядное слово.
3	GND	аналоговая и цифровая земля.
4	VIN	аналоговый входной канал. Входной канал однопроводный относительно GND. Входной канал может преобразовывать сигнал напряжения в диапазоне от 0 В до 2,5 В.
4	REFIN	ссылка на вход. Внешний 2.5V ссылка может быть соединена с выводом AD7816. Ссылка " на чипе " REFIN должна быть привязана к AGND. Если внешняя ссылка соединена с AD7816, внутренняя ссылка закроется.
5	VDD	положительное напряжение поставки, от 2,7 В до 5,5 В
6	DIN/OUT	логический вход и выход. Последовательные данные отмечаются  на выводе AD7816.
7	SCLK	входной таймер для последовательного порта.
8	RD/WR	логический вход. Читающийся / пишущийся сигнал используется, чтобы указать к AD7816, является ли следующее действие передачи (перемещения) данных читаемым или пишущимся. RD/WR должна быть установлена логически высоко - для читаемого действия, и логически низко - для пишущегося.

 

Схема включения АЦП приведена на рисунке 5.4

Рисунок 5.4 Схема подключения АЦП

Микросхема AD7816 содержит термодатчик на кристалле, работающий в диапазоне температуры от -55°С до +125°С, и 10-разрядный АЦП с временем преобразования 9 микросекунд (время преобразования по каналу измерения температуры составляет 27 микросекунд). Режим автоматического уменьшения потребляемого тока обеспечивает исключительное снижение мощности до 4 мкВт при скорости опроса 100 измерений в секунду и 40 мкВт при скорости опроса 1000 измерений в секунду. На рисунке 5.5 приведена внутренняя структура АЦП.

 
Рисунок 5.5 Внутренняя структура микросхемы AD7816

Микросхема содержит на кристалле 10-битный АЦП последовательного приближения со схемой выборки-хранения на входе и шестиканальный мультиплексор, два канала которого используются внутри кристалла, а четыре выведены на внешние контакты. Общение с АЦП производится через два регистра - адресный регистр (АР) и регистр превышения заданного порога температуры (РПТ). Доступ к этим регистрам осуществляется путем записи 8-битного слова, причем если пять старших бит управляющего байта установлены в ноль, то три младших бита интерпретируются как адресные.

Если любой из пяти старших бит не равен нулю, управляющий байт записывается в РПТ. После окончания операции измерения температуры производится сравнение 8 старших бит результата измерения и значения, записанного в РПТ. Если результат измерения температуры выходит за пределы допустимых значений, выход OTI (Over-Temperature Indicator) принимает нулевое значение. Разрешение OTI составляет 1°С. Рабочий диапазон температур составляет от 55°С до +125°С.

Микросхема AD7816 может функционировать в двух режимах. Режим определяется уровнем напряжения на выводе CONVST в момент окончания цикла преобразования. Если в конце преобразования сигнал на выводе CONVST имеет высокий уровень, микросхема работает в режиме 1. Временные диаграммы для этого режима приведены на рисунке 5.6. При работе в этом режиме АЦП может быть запущен на новое преобразование через 100 нс после окончания операции чтения.

Рисунок 5.6 Временные диаграммы работы АЦП AD7816

Когда АЦП работает в режиме 2, он после окончания цикла преобразования автоматически переходит в энергосберегающий режим. Сигнал на выводе CONVST принимает значение логического нуля и остается в этом состоянии до окончания цикла преобразования. После возвращения сигнала BUSY в состояние логической единицы, происходит снижение уровня потребления мощности. В активный режим АЦП переходит по нарастающему фронту сигнала на выводе CONVST.

АЦП имеет гибкий последовательный интерфейс, позволяющий передавать информацию большинству существующих микропроцессоров. Интерфейс совместим с Intel 8051, Motorola SPIa и QSPIa а так же National Semiconductor MICROWIREa протоколами.

 

4. Выбор и обоснование микропроцессора

 

В качестве  микропроцессора используется наиболее распространенный на отечественном рынке процессор АТ89С51 фирмы Atmel. Процессор конструктивно выполнен в пластмассовом DIP-корпусе, содержит масочно-программируемое в процессе изготовления кристалла по ПЗУ памяти программ емкостью 4096 байт и рассчитан на применение в массовом производстве.

Условное графическое обозначение микросхемы показано на рисунке 5.7

Рисунок 5.7 Условное графическое обозначение микросхемы AT89C51

В таблице 3 представлено описание выводов микросхемы.

Таблица 4.

№	Обозначение	Описание функций
1-8	P1.0-P1.7	8-разрядный двунаправленный порт P1. Вход адреса A0-A7 при проверке  внутреннего ПЗУ.
9	RST	Сигнал общего сброса. Вывод резервного питания от внешнего источника.
10-17	P3.0-P3.7	8-разрядный двунаправленный порт P3 с дополнительными функциями:
	P3.0	Последовательные данные приемника – RxD.
	P3.1	Последовательные данные передатчика – TxD.
	P3.2	Вход внешнего прерывания 0 – INT0
	P3.3	Вход внешнего прерывания 1 – INT1
	P3.4	Вход таймера/счетчика 0 – T0
	P3.5	Вход таймера/счетчика 1 – T1
	P3.6	Выход стробирующего сигнала при записи во внешнюю память данных – WR.
	P3.7	Выход стробирующего сигнала при чтении из внешней памяти данных – RD.
18	BQ2	Выводы для подключения кварцевого резонатора.
19	BQ1
20	0V	Выводы для подключения заземления
21-28	P2.0-P2.7	8-разряный двунаправленный порт P2. Выход адреса A8-A15 в режиме работы  с внешней памятью. В режиме проверки внутреннего ПЗУ выводы P2.0-P2.6 используются как вход адреса A8-A14. Вывод P2.7 – разрешение чтения ПЗУ – E.
29	PME	Разрешение программной памяти
30	ALE	Выходной сигнал разрешения фиксации адреса. При программировании ПЗУ сигнал – PROG.
31	DEMA	Блокировка работы с внутренней памятью. При программировании ПЗУ подается сигнал Vdd
32-39	P0.7-P0.0	8-разрядный двунаправленный порт P0. Шина адреса/данных при работе с внешней памятью. Выход данных D7-D0 в режиме проверки внутреннего ПЗУ.
40	Ucc	Вывод питания от источника напряжения 5В.

 

 

Для данного типа микросхемы характерно то, что сигнал сброса на входе RST не влияет на внутренне ОЗУ данных, и после включения питания содержимое ячеек внутреннего ОЗУ данных принимает случайные значения. Для реализации автоматического сброса по включению питания, фирма производитель  предлагает следующую схему, представленную на рисунке 5.8

 

Рисунок 5.8 Схема подключения микропроцессора

Чтобы при включении питания сброс был гарантированно выполнен, вывод RST должен удерживаться в состоянии высокого уровня в течении времени, достаточного для запуска тактового генератора микросхемы плюс еще минимум два машинных цикла (время запуска зависит от его частоты работы). Представленная на рисунке 1.21 цепь сброса при быстром уменьшении напряжения питания вызывает появление на входе RST отрицательного напряжения, которое не является опасным для микросхем вследствие наличия у микро-ЭВМ внутренней схемы защиты.

Выводы портов находятся в случайном состоянии до момента запуска тактового генератора, и только после этого внутренний сигнал сброса записывает «1» в фиксаторы-защелки портов, настраивая их на ввод.

Было принято решение использовать номиналы элементов в соответствии с рекомендациями фирмы-производителя Atmel.

R1=8,2кОм;

BQ1=12МГц;

C1,C2=30пФ;

С3=10мкФ.

 

5. Выбор и обоснование интерфейса к ПЭВМ

 

Управление процессом лечения, наблюдение за ходом лечения осуществляется с помощью ПЭВМ. Связь микропроцессора с ПЭВМ осуществляется с помощью последовательного интерфейса RS-232, организуемого как аппаратными средствами, так и программными. Для управления соединенными устройствами в поток передаваемых данных вводятся соответствующие управляющие символы. Данные в RS-232 передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт оформляется стартовым и стоповым битом. Данные могут передаваться как в одну, так и в другую сторону, т.е. используется дуплексный режим. Для передачи данных используются выводы RXD (receive data – принимаемые данные) и TXD (transmit data – передаваемые данные). Для подключения электронного блока к ПЭВМ используются четырехпроводные линии связи.

Схема включения интерфейсного модуля MAX-232 приведена на рисунке 5.9

Рисунок 5.9 Схема включения интерфейсного модуля MAX-232

 

5.6 Выбор энергонезависимой памяти

 

   Хранение  формы сигнала  осуществляется с помощью  энергонезависимой памяти.

AT24C128/256 обеспечивает считывание 128 К информации. Запись производится в память (EEPROM) с помощью слов по 8 бит каждое. Особенность каскадного устройства (EEPROM) позволяет подключить до 4 устройств разделенных общей 2 проводной шиной. Устройство оптимизировано для использования во многих индустриальных и коммерческих применениях, где необходима низкая мощность потребления.

  

 Назначение  выводов AT24C128/256 представлено в таблице 5

 

Таблица 5

вывод	Функции  выводов
А0 – А1	Адресные входы
SDA	Последовательные Данные
SCL	Последовательный Вход
WP	Пишут, защищают
NC	Не соединяются

 

 

 

 

 

Рисунок 5.10 Описание выводов

 

 Последовательный Вход (SCL): вход SCL используется к положительным данным часов края в каждого EEPROM устройство и отрицательные данные часов края из каждого устройства.

Последовательные данные (SDA): двунаправленный вывод SDA предназначен для последовательной передачи данных.

Адресные входы (A1, A0): вывод A1 и  A0 - входы адреса устройства

являются постоянно запрограммированными

ЗАЩИТА (WP): защищающий вход(вклад), когда он связан с GND, то позволяет осуществлять действия.

Когда WP связан с VCC все обращения к памяти запрещены. Память

Организация памяти

AT24C128/256, 128K/256K СЕРИАЛ EEPROM: 128K/256K внутренне организован как 256/512 страницы по 64 байтов каждая. Адресация слова требует 14/15-бит данных адреса.

Основные характеристики представлены в таблице 6

 

 

Таблица 6

Обозначение	Параметры	Испытания условий	min	typ	max	Units
	Напряжение питания		1,8		5,5	V
	Ток потребления	V   чтение при 400 кГц		1,0	2,0
	Ток потребления    (1,8V выбор)	=1,8 V =3,6 V   or			0,2 0,5
	Входной ток утечки	or		0,10 0,05	3,0 3,0
	Вход низкого уровня		- 0,6			V
	Вход высокого уровня					V
	Выход низкого уровня	=3.0 V			0,4	V
	Выход низкого уровня	=1.8 V			0,2	V