Интегрирующие АЦП

И последний тип АЦП, о котором пойдет здесь речь - АЦП двухтактного интегрирования. В цифровых мультиметрах, как правило, используются именно такие АЦП, т.к. в этих измерительных приборах необходимо сочетание высокого разрешения и высокого помехоподавления. Идея преобразования в таком интегрирующем АЦП гораздо менее сложна, чем в сигма-дельта АЦП.

На рисунке 6 показан принцип работы АЦП двухтактного интегрирования. Входной сигнал заряжает конденсатор в течение фиксированного периода времени, который обычно составляет один период частоты питающей сети (50 или 60Гц) или кратен ему. При интегрировании входного сигнала в течение промежутка времени такой длительности высокочастотные помехи подавляются. Одновременно исключается влияние нестабильности напряжения сетевого источника питания на точность преобразования. Это происходит потому, что значение интеграла от синусоидального сигнала равно нулю, если интегрирование осуществляется во временном интервале, кратном периоду изменения синусоиды.

По окончании времени заряда АЦП разряжает конденсатор с фиксированной скоростью, в то время как внутренний счетчик подсчитывает количество тактовых импульсов за время разряда конденсатора. Большее время разряда, таким образом, соответствует большему значению показаний счетчика и большему измеряемому напряжению (рисунок 19).

АЦП двухтактного интегрирования имеют высокую точность и высокую разрешающую способность, а также имеют сравнительно простую структуру. Это дает возможность выполнять их в виде интегральных микросхем. Основной недостаток таких АЦП - большое время преобразования, обусловленное привязкой периода интегрирования к длительности периода питающей сети. Например, для 50 Гц - оборудования частота дискретизации АЦП двухтактного интегрирования не превышает 25 отсчетов/сек. Конечно, такие АЦП могут работать и с большей частотой дискретизации, но при увеличении последней помехозащищенность падает.

В рассматриваемом нами мониторе использован АЦП последовательного приближения, интегрированный в микроконтроллер.

В задачу микроконтроллера входит управление работой прибора, обработка регистрируемых данных и их передача на персональный компьютер в программу регистрации.

Так как проектируемый прибор должен быть максимально экономичным, необходимо использовать микроконтроллер с наибольшим количеством встроенной периферии. Это встроенные АЦП и ЦАП. Так же для передачи данных на персональный компьютер необходимо наличие в контроллере интерфейса UART.

В устройстве использован микроконтроллер CYGNAL C8051F005, характеристики которого представлены в таблице.

Для регистрации ЭКГ и дыхания используется по одному каналу АЦП. Для калибровки канала ЭКГ задействован один из встроенных ЦАП.

Питание цифровой части микропроцессора осуществляется напряжением 3,3 Вольта. Для питания аналоговых компонентов, входящих в состав микропроцессора (АЦП, источник опорного напряжения), используется напряжения 5 Вольт. Для подавления помех, которые могут возникать в цепях питания, перед входами питания аналоговой части микроконтроллера необходимо установить индуктивность номиналом 22 мкГн. Для фильтрации провалов по питанию перед каждым входом питания микропроцессора необходимо установить конденсатор, номиналом 100 нФ. Для выполнения сброса микроконтроллера в начальное рабочее состояние в момент включения необходимо подать на вход RST напряжение, равное напряжению питания (минимально необходимое напряжение составляет 2,4 вольта) с некоторой задержкой, относительно включения питания микропроцессора. Эта задержка необходима для того, чтобы устоялся переходный процесс, возникший в момент включения питания, т.е. напряжение питания на микропроцессоре достигло необходимого значения 3,3 вольта. Для этого на вход RST R-C цепочка, обеспечивающая необходимую задержку. Эпюры питания и сигнала сброса представлены на рисунке 20.

Задание тактовой частоты микроконтроллера. Существует три способа задания тактовой частоты микроконтроллера. Первый способ - использование кварцевого резонатора. Этот способ позволяет очень точно задать тактовую частоту микроконтроллера (разброс частот не более 0,01%). Схема подключения кварцевого резонатора приведена на рисунке 21.

Номиналы емкостей конденсатора определяются производителем микроконтроллера для данной резонансной частоты кварца.

Два основных недостатка этого способа синхронизации – необходимость подключения дополнительных компонентов и хрупкость кристалла кварца. Оба этих недостатка могут быть устранены при использовании керамического резонатора. Керамические резонаторы существенно более стойки к ударной нагрузке и часто имеют встроенные конденсаторы. Керамические резонаторы обычно имеют разброс частот около 0,5%.

Следующий способ синхронизации – использование RC-генератора. В этом случае необходимая частота тактовых импульсов задаётся путём соответствующего выбора постоянной времени RC-цепи. Это самый дешёвый, но и самый неточный способ задания тактовой частоты. Разброс частот такого генератора может доходить до 20%.