АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ НА БАЗЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ НА БАЗЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА


RU (11) 2298872 (13) C1

(51) МПК
H03M 1/38 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(14) Дата публикации: 2007.05.10 
(21) Регистрационный номер заявки: 2005134832/09 
(22) Дата подачи заявки: 2005.11.09 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2005.11.09 
(45) Опубликовано: 2007.05.10 
(56) Аналоги изобретения: URL http://www.rtcs.ru/comp/html/txt/app/Atmel/micros/avr/AVR400.htm 05.03.2004. URL http://www.electroclub.fatal.ru/RusAVR/Doc/Examples/AVR401/AVR401.htm> 20.10.2000. SU 534868, 21.02.1977. SU 1401579 A1, 07.06.1988. JP 62-88430 A, 22.04.1987. GB 2067864 A, 30.07.1981. US 5831568 A, 03.11.1998. 
(72) Имя изобретателя: Вострухин Александр Витальевич (RU) 
(73) Имя патентообладателя: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ставропольский государственный аграрный университет (RU) 
(98) Адрес для переписки: 355017, г.Ставрополь, пер. Зоотехнический, 12, ФГОУ ВПО СтГАУ, ОИС, патентный отдел 

(54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ НА БАЗЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в цифровых системах для измерения и контроля аналоговых величин. Технический результат заключается в повышении чувствительности. Аналого-цифровой преобразователь с управляемой чувствительностью на базе микроконтроллера (МК) содержит VR (1), со встроенным аналоговым компаратором (АК) (2), элементы интегрирующего RC-звена конденсатор (3) (емкость С) и управляемый резистор (Р) (4) (сопротивление R3), Р (5) и (6) (сопротивления R1 и R2). Первые выводы Р (5) и (6) подключены к выходу интегрирующего RC-звена, второй вывод Р (5) подключен к плюсу источника питания, второй вывод Р (6) подключен к минусу источника питания, выход интегрирующего RC-звена подключен ко второму входу АК (2) МК (1), вход интегрирующего RC-звена подключен к дискретному выходу МК (1), первый вход АК (2) подключен к источнику входного напряжения Uвх. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровым преобразователям, и может быть использовано в цифровых системах для измерения и контроля аналоговых величин.

Уровень техники

Для сопряжения аналоговых датчиков с цифровыми системами требуется аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Современные микроконтроллеры содержат аналоговые компараторы (АК), что позволяет строить на их основе АЦП с высокими технико-экономическими показателями.

Известно техническое решение, содержащее микроконтроллер со встроенным АК, биполярный транзистор, конденсатор, четыре резистора, причем эмиттер транзистора подключен к плюсу источника питания, конденсатор подключен одной обкладкой к коллектору транзистора и к неинвертирующему входу АК, первый резистор включен между базой транзистора и дискретным выходом микроконтроллера, второй, третий и четвертый резисторы первыми выводами соединены в общую точку, которая подключена к инвертирующему входу АК, вторые выводы второго и третьего резисторов подключены к дискретным выходам микроконтроллера, второй вывод четвертого резистора подключен к источнику входного напряжения. (http://www.electroclub.fatal.ru/RusAVR/Doc/Examples/AVR401/AVR401.htm AVR401: 8-ми битный прецизионный аналого-цифровой преобразователь).

Недостатки известного решения - низкая чувствительность и отсутствует функция по управлению чувствительностью.

Известно техническое решение, содержащее микроконтроллер, АК, два интегрирующих RC-звена (ИЗ), причем выходы первого и второго ИЗ подключены, соответственно, к неинвертирующему и инвертирующему входам АК, вход первого ИЗ подключен к дискретному выходу микроконтроллера, к входу второго ИЗ подключен источник входного напряжения, выход АК подключен к дискретному входу микроконтроллера (В.Л.Горбунов. Однокристальные микроЭВМ. - Вычислительная техника и ее применение, 1989, №1, с.30-47).

Недостатки известного решения - низкая чувствительность и отсутствует функция по управлению чувствительностью.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является АЦП, содержащий микроконтроллер со встроенным АК и ИЗ, вход которого подключен к дискретному выходу микроконтроллера, выход подключен к неинвертирующему входу АК, инвертирующий вход АК подключен к источнику входного напряжения. (http://www.rtcs.ru/comp/html/txt/app/Atmel/micros/avr/AVR400.htm. AVR 400 - Простой аналогово-цифровой преобразователь).

Недостатки известного решения - низкая чувствительность и отсутствует функция по управлению чувствительностью, что ограничивает область применения данного решения.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению чувствительности и расширению функциональных возможностей устройства.

Технический результат достигается с помощью АЦП с управляемой чувствительностью на базе микроконтроллера, содержащий ИЗ и микроконтроллер со встроенным АК, причем первый вход АК подключен к источнику входного напряжения, второй вход АК подключен к выходу ИЗ, вход которого подключен к выходу микроконтроллера, при этом в него введены первый и второй резисторы, причем первые выводы этих резисторов подключены к выходу ИЗ, второй вывод первого резистора подключен к плюсу источника питания, второй вывод второго резистора подключен к минусу источника питания, резистор ИЗ выполнен управляемым и его управляющий вход подключен к выходу микроконтроллера, управляемый резистор выполнен подстроечным.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена структурная схема АЦП с управляемой чувствительностью на базе микроконтроллера.

На фиг.2 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы АЦП.

На фиг.3 представлены схемы замещения для пояснения методики расчета чувствительности АЦП.

Осуществление изобретения

АЦП с управляемой чувствительностью на базе микроконтроллера содержит (фиг.1) микроконтроллер 1 со встроенным АК 2, элементы ИЗ конденсатор 3 (емкость С) и управляемый резистор 4 (сопротивление R3), резисторы 5 и 6 (сопротивления R1 и R2). Первые выводы резисторов 5 и 6 подключены к выходу ИЗ, второй вывод резистора 5 подключен к плюсу источника питания, второй вывод резистора 6 подключен к минусу источника питания, выход ИЗ подключен ко второму входу АК 2 микроконтроллера 1, вход ИЗ подключен к дискретному выходу микроконтроллера 1, первый вход АК подключен к источнику входного напряжения Uвх.

АЦП работает следующим образом.

На первый вход АК 2 подается возрастающее напряжение Uc, снимаемое с выхода ИЗ. Напряжением Uc управляет микроконтроллер 1 методом широтно-импульсной модуляции. Двоичный код N, пропорциональный Uc, находится в одном из регистров микроконтроллера 1. Как только Uc сравняется с Uвх, на выходе АК 2 формируется сигнал, по которому микроконтроллер 1 останавливает процесс преобразования. В этом случае двоичный код N эквивалентен входному напряжению Uвх.

Метод широтно-импульсной модуляции основан на том, что если на ИЗ подавать прямоугольные импульсы напряжения, то конденсатор ИЗ заряжается до среднего напряжения Uc, так как постоянная времени ИЗ достаточно велика по сравнению с периодом следования импульсов. Значение Uc определяется: Uc=(U1-U 0)·k= U·k, где U1 и U 0 - высокий и низкий уровни напряжения прямоугольных импульсов (фиг.2,а,б); k - коэффициент заполнения, k=tи/(tи+tп), где tи и tп - длительности импульса и паузы между импульсами.

Период следования прямоугольных импульсов определяется Т=tи+tп. Если изменять tи, а Т оставить постоянным, то Uc будет изменяться пропорционально изменению tи.

Значение tи хранится в форме двоичного кода N в одном из регистров микроконтроллера 1. Микроконтроллер 1 увеличивает значение tи на единицу перед каждым выводом высокого уровня напряжения U1 на вход ИЗ. Двоичный код N изменяется от минимального Nmin=1 до максимального Nmax. Если регистр 8-разрядный, тогда Nmax=28 -1=255.

Чувствительность АЦП определяется по формуле



Микроконтроллеры, например, семейства AVR, корпорации Atmel 8-разрядные, изготовлены по КМОП технологии, для которых уровень U1 5 B, a U0 0 B, при Uп=5 В. Чувствительность АЦП, построенного на базе этих микроконтроллеров, при Uп=5 В, составит S 5/255 20 мВ, что явно недостаточно, так как многие аналоговые датчики формируют на выходе напряжение, измеряемое в единицах мВ.

Чувствительностью можно управлять, изменяя напряжение U (1). В предлагаемом техническом решении изменение U достигается введением делителя, состоящего из резисторов 5 и 6 (фиг.1). Рассмотрим частный случай, когда R1=R2.

Допустим, микроконтроллер 1 вывел на вход ИЗ низкий уровень напряжения U0, что равнозначно подключению входа ИЗ к минусовому проводу питания схемы (фиг.3,а). В этом случае: U2=Uп/(R1+R23)·R23=I0·R23; U2=U 0, где R23 - общее сопротивление параллельно включенных R2 и R3.

Допустим, микроконтроллер 1 вывел на вход ИЗ высокий уровень напряжения U1, что равнозначно подключению входа ИЗ к плюсовому проводу питания схемы (фиг.3,б). В этом случае: U1=Uп/(R2+R13)·R13=I1 ·R13; Uп-U1=U1, где R13 - общее сопротивление параллельно включенных R1 и R3.

Так как R1=R2, то I O=Il=I; R23=R13=R

U 0=I·R; U1=Uп-I·R=Uп-U 0

Расчет сопротивления R3 резистора 4 ИЗ для обеспечения заданной чувствительности, например для S=1 мВ, при Nmax=255, для частного случая, когда R1=R2=100 кОм, производят в следующей последовательности.

Максимальный диапазон изменения Uвх должен быть Uвх U, тогда

U=S·N=1·255=255 мВ

U0 =Uп/2- U/2=5/2-0,255/2=2,3725 В

I=(Uп-U0 )/R1=(5-2,3725)/10-5=2,6275·10 -5 А

R=U0/I=2,3725/2,6275·10 -5=90,295 кОм

R3=(R·R2)/(R2-R)=(90,295·100)/(100-90,295)=930 кОм.

Следует принимать во внимание, что напряжения на выходе микроконтроллера 1, например для семейства AVR, при напряжении питания Uп=5 В составляют U1 4,9 В и U0 0,1 В.

Чувствительность изготовленного опытного образца предлагаемого решения АЦП составила S 0,85 мВ, при R3=1 Мом, R1=R2=100 кОм, С=0,47 мкФ, Uп=5 В.

В качестве управляемого резистора может быть использована комбинация из двух последовательно включенных резисторов, резистора с цифровым управлением и подстроечного или только одного подстроечного резистора.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:

- более высокую чувствительность;

- расширенные функциональные возможности.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Аналого-цифровой преобразователь с управляемой чувствительностью на базе микроконтроллера, содержащий интегрирующее RC-звено, микроконтроллер со встроенным аналоговым компаратором, причем первый вход аналогового компаратора подключен к источнику входного напряжения, второй вход аналогового компаратора подключен к выходу интегрирующего RC-звена, вход которого подключен к выходу микроконтроллера, отличающийся тем, что в него введены первый и второй резисторы, причем первые выводы этих резисторов подключены к выходу интегрирующего RC-звена, второй вывод первого резистора подключен к плюсу источника питания, второй вывод второго резистора подключен к минусу источника питания, резистор интегрирующего RC-звена выполнен управляемым и его управляющий вход подключен к выходу микроконтроллера.

2. Аналого-цифровой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что управляемый резистор выполнен подстроечным.




РИСУНКИ

, ,





ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru