Новые методы уменьшения дрейфа нуля в малошумящих АЦП Texas Instruments

Стабилизация с помощью двойного прерывания с двойным контролем в новых АЦП ADS1235 производства Texas Instruments позволяет снизить до минимума напряжение смещения и достичь высокой точности в измерительных цепях современных прецизионных цифровых приборов
560
В избранное

ti.png (773 b)Стабилизация с помощью двойного прерывания с двойным контролем в новых АЦП ADS1235 производства Texas Instruments позволяет снизить до минимума напряжение смещения и достичь высокой точности в измерительных цепях современных прецизионных цифровых приборов.

Доказывать высокую точность дифференциальных методов измерений уже давно нет необходимости, поскольку это подтверждено десятилетиями практической эксплуатации многих поколений самого разнообразного метрологического оборудования. Действительно, переход от определения абсолютной величины контролируемого параметра к измерению разницы между действительным и эталонным значениями позволяет проводить измерения с точностью, ограниченной на практике лишь техническими возможностями существующей элементной базы.

Главной отличительной особенностью дифференциальных датчиков, например, на основе мостов Уитстона, является малая величина выходного напряжения, которая при полном уравновешивании измерительного контура равна нулю. Таким образом, чем меньше уровень сигнала, который может быть отслежен узлом обработки сигнала, тем лучше можно сбалансировать измерительную систему, следовательно, тем более высокий класс точности будет иметь прибор. Однако при измерении слабых дифференциальных сигналов возникает ряд проблем, главная из которых – наличие напряжения смещения (Offset Voltage – дифференциальное напряжение на входе, при котором выходное напряжение равно нулю). Добавляясь к полезному сигналу, напряжение смещения ограничивает его минимально различимое значение и, следовательно, снижает точность проведения измерений (рисунок 1).

Влияние напряжения смещения на уровень выходного сигнала

Рис. 1. Влияние напряжения смещения на уровень выходного сигнала

Причиной появления напряжения смещения в первую очередь является несовершенство элементной базы, особенно полупроводниковых компонентов. При дальнейшем уменьшении уровня рабочих напряжений количество факторов, влияющих на величину этого параметра, становится настолько большим, что уже с трудом поддается анализу, а тем более контролю. Так, например, при работе с сигналами меньше 1 мВ на точность измерений может повлиять даже «неправильный» винт в клеммной колодке для подключения датчика, который вместе с «неправильным» проводом создаст условия для появления термо-ЭДС в месте контакта двух разнородных проводников.

Ситуация усугубляется еще и тем, что напряжение смещения нестабильно во времени. Колебания температуры и влажности, старение и деградация электронных компонентов приводят к тому, что величина этого параметра становится зависимой от возраста прибора, температуры, климата, условий эксплуатации оборудования и других труднопредсказуемых факторов. Все это заставляет разработчиков искать дополнительные меры, направленные на уменьшение как абсолютной величины напряжения смещения, так и величины его дрейфа (Offset Voltage Drift).

Принцип стабилизации прерыванием

Полоса частот помехи, создаваемой источником смещения, лежит в низкочастотной области и чаще всего совпадает с полосой частот измеряемого напряжения, что делает их разделение простыми методами весьма затруднительным. Практика показала, что одним из наиболее эффективных методов борьбы с напряжением смещения является стабилизация прерыванием (Chopper Stabilization), заключающаяся в разнесении спектров полезного сигнала и помехи с последующим подавлением «вредной» полосы частот.

При стабилизации прерыванием (рисунок 2) напряжение усиливаемого сигнала Uвх вначале модулируется частотой fмод, что приводит к переносу его спектра в высокочастотную область, причем так, чтобы спектры модулированного сигнала и помехи UOffset не перекрывались. После прохождения узла обработки сигнала, например, операционного усилителя, композитный сигнал поступает на демодулятор, работающий синхронно с модулятором на частоте fмод. Поскольку сигнал помехи UOffset до этого не модулировался, при прохождении через демодулятор произойдет перемещение его спектра в высокочастотную область – туда, где до этого был полезный сигнал, а вот для полезного сигнала демодуляция даст обратный эффект – часть его спектра восстановится в требуемой полосе частот. Теперь для получения чистого и обработанного (в данном случае – усиленного) полезного сигнала остается только удалить высокочастотные составляющие выполненных преобразований с помощью фильтра низких частот.

Принцип стабилизации прерыванием

Рис. 2. Принцип стабилизации прерыванием

На практике модулятор и демодулятор выполняются на основе коммутаторов, изменяющих полярность входного напряжения с частотой fмод. При работе с аналоговыми сигналами коммутаторы выполняются на основе полевых транзисторов, включенных, как правило, по мостовой схеме (рисунок 3). Для цифровых сигналов, получаемых, например, после оцифровки модулированного напряжения, демодуляция и последующая фильтрация обычно выполняются программными способами. Следует также отметить, что наличие напряжения смещения присуще сугубо аналоговым схемам, поэтому стабилизация прерыванием используется только в аналоговых или аналого-цифровых узлах.

Упрощенная схема коммутатора на полевых транзисторах

Рис. 3. Упрощенная схема коммутатора на полевых транзисторах

Теоретически стабилизация прерыванием позволяет полностью устранить наличие напряжения смещения независимо от природы его появления, однако на практике из-за неидеальности компонентов и технологии изготовления микросхем полностью избавиться этого явления не удается. Практически достижимый результат – уменьшение величины напряжения смещения (и его дрейфа) в 1000 раз по сравнению с обычными технологиями (таблица 1). Кроме уменьшения напряжения смещения стабилизация прерыванием позволяет уменьшить уровень фликкер-шума (розового шума, шума 1/f), присущего полупроводниковым компонентам. Основным недостатком данной технологии является относительно высокая сложность реализации и ограничение максимальной частоты рабочего сигнала, поскольку более широкая полоса пропускания требует использования более высокой частоты модуляции и, соответственно, более дорогих полупроводниковых компонентов. Однако для большинства низкочастотных сигналов, присущих измерительным системам, это не является серьезным препятствием.

Таблица 1. Сравнение характеристик операционных усилителей, изготовленных по различным технологиям

Тип операционного усилителя Общего
назначения
Прецизионный Со стабилизацией
прерыванием
Напряжение смещения, мВ 5 400 5
Дрейф напряжения смещения, мкВ/°С 30 1 30
Уровень фликкер-шума Высокий Средний Низкий

На сегодняшний день технология стабилизации прерыванием активно используется при изготовлении высококачественных инструментальных усилителей, которые изначально рассчитаны на работу с дифференциальными сигналами. Однако сфера ее применения не ограничивается лишь приборами данного типа и может использоваться в любой сфере, требующей усиления слабых, в том числе и дифференциальных, сигналов.

Использование стабилизации прерыванием в цифровых измерительных системах

Благодаря большей гибкости, лучшему отношению «сигнал/шум», пониженному энергопотреблению и другим неоспоримым преимуществам, цифровые измерительные приборы и системы на сегодняшний день практически полностью вытеснили устройства с аналоговыми методами обработки. Однако уровня дифференциального сигнала, снимаемого с аналоговых датчиков, в большинстве случаев оказывается недостаточно для подачи на вход АЦП, поэтому они требуют предварительного усиления. Поскольку операционные усилители, используемые для этой цели, должны обладать как малым напряжением смещения, так и малой величиной его дрейфа, применение стабилизации прерыванием в инструментальных усилителях (рисунок 4) является первым практическим примером использования данной технологии в измерительных системах.

Использование стабилизации прерыванием для компенсации напряжения смещения, вносимого усилителем

Рис. 4. Использование стабилизации прерыванием для компенсации напряжения смещения, вносимого усилителем

Однако применение стабилизации прерыванием только на этапе предварительного усиления сигналов чаще всего оказывается недостаточным, поскольку таким способом можно скомпенсировать только искажения, вносимые самим усилителем. Но кроме усилителя в системе существуют и другие узлы, в первую очередь – АЦП, неидеальность которого может стать причиной ухудшения точности измерений. В этом случае контур стабилизации прерыванием может охватывать не только усилитель, но и АЦП (рисунок 5). Поскольку сигнал с выхода АЦП уже является цифровым, то демодуляция и фильтрование оцифрованного сигнала уже осуществляются программным способом с помощью соответствующих аппаратных или программных модулей.

Использование стабилизации прерыванием для компенсации напряжений смещения, вносимых усилителем и АЦП

Рис. 5. Использование стабилизации прерыванием для компенсации напряжений смещения, вносимых усилителем и АЦП

Кроме полупроводниковых компонентов, источником напряжения смещения может стать сама измерительная цепь, ведь чувствительный элемент может находиться на достаточно большом удалении от узла обработки сигнала. К тому же, конструкция измерительного датчика, например, электронных весов, может быть достаточно сложной и состоять из самых разнообразных материалов, сочетание которых также может стать причиной появления напряжения смещения, вызванного, например, термо-ЭДС. В этом случае хорошо себя зарекомендовало возбуждение измерительной цепи переменным напряжением или током, что является ничем иным как разновидностью стабилизации прерыванием (рисунок 6). Такой «глобальный» контур позволяет уменьшить напряжения смещения, создаваемые в системе, независимо от места и причины их появления.

Измерительная система с компенсацией напряжений смещения, вносимых всеми узлами

Рис. 6. Измерительная система с компенсацией напряжений смещения, вносимых всеми узлами

Следует отметить, что контур стабилизации прерыванием не обязательно должен быть единственным. Возможно множество комбинаций применений данного метода как на локальном, так и на глобальном уровнях. Так, например, в системе могут использоваться усилители со стабилизацией прерыванием, у которых локальный контур обеспечивает компенсацию напряжения смещения, создаваемого усилителем. Как показывает практика, в большинстве случаев этого оказывается вполне достаточно. Но если необходимо обеспечить более высокую точность измерений, тогда можно реализовать один из вариантов расширенной компенсации, показанный на рисунках 5 и 6, но на основе все тех же усилителей со стабилизацией прерыванием (рисунок 7). В такой системе напряжение смещения, создаваемое усилителем, компенсируется внутренним локальным, а напряжения смещения, создаваемые другими узлами, например, измерительным мостом и/или АЦП – глобальным контуром стабилизации прерыванием.

Измерительная система с двумя контурами стабилизации прерыванием

Рис. 7. Измерительная система с двумя контурами стабилизации прерыванием

Аналого-цифровой преобразователь ADS1235

Одной из специализированных микросхем, позволяющей создать все рассмотренные выше измерительные системы, является разработанная компанией Texas Instruments ADS1235 (рисунок 8). ADS1235 является малошумящим прецизионным 24-разрядным сигма-дельта-АЦП, содержащим интегрированный усилитель c программируемым коэффициентом усиления (Programmable Gain Amplifier, PGA). Микросхема имеет шесть входов, к которым можно подключить до трех дифференциальных измерительных мостов или до пяти однополярных источников сигналов. Быстродействия АЦП достаточно для проведения до 7200 преобразований в секунду, что делает данную микросхему идеальной для приложений, требующих прецизионного измерения давления, температуры, веса и множества других практических применений.

Структурная схема ADS1235

Рис. 8. Структурная схема ADS1235

Встроенный усилитель PGA и АЦП охвачены контуром стабилизации прерыванием. Кроме этого, микросхема поддерживает возможность организации дополнительных глобальных контуров компенсации напряжения смещения, возникающего во всех элементах измерительного тракта, в том числе и возбуждения измерительного моста переменным напряжением или током.

Входное сопротивление измерительного тракта микросхемы равно 1 ГОм, что позволяет уменьшить погрешность измерений и работать с датчиками, имеющими высокое внутреннее сопротивление. Коэффициент усиления встроенного усилителя может быть равен 1, 64 или 128, обеспечивая работу в широком динамическом диапазоне входного сигнала – ±0,7…±5 B. Кроме этого, в составе ADS1235 присутствует встроенный датчик температуры и дополнительный цифровой фильтр с возможностью гибкой настройки, предназначенный для подавления помех с частотой 50 или 60 Гц. Управление АЦП осуществляется подачей необходимых команд с помощью интерфейса SPI. Микросхема выпускается в 32-выводном корпусе VQFN 5х5 мм и способна работать при однополярном (5 В) и двуполярном (±2,5 В) напряжении питания в диапазоне температур окружающей среды -40…125°C.

Шесть выводов AIN0…AIN5, защищенных антистатическими диодами от воздействия перенапряжений, подключаются через входной мультиплексор (Input Mux) к усилителю PGA. Коммутация неинвертирующего и инвертирующего входов усилителя PGA осуществляется независимо друг от друга путем установки соответствующих битов (MUXP и MUXN) в регистре INPMUX. Всего существует 16 вариантов подключения, семь из которых зарезервированы для дальнейших модификаций микросхемы (рисунок 9). Кроме AIN0…AIN5, к каждому из входов PGA можно подключить встроенный датчик температуры, источник опорного напряжения VCOM, равный половине напряжения питания (VCOM = AVDD + AVSS)/2), а также оставить вход неподключенным (All Open).

Схема аналогового мультиплексора Input Mux

Рис. 9. Схема аналогового мультиплексора Input Mux

Независимая коммутация каждого входа PGA с возможностью отключения позволяет гибко настраивать микросхему под конкретное приложение, а также реализовать дополнительные сервисные функции. Например, при подключении обоих входов PGA к одной и той же точке вход усилителя фактически оказывается замкнутым. Этот режим можно использовать для оценки уровня собственных шумов или напряжения смещения, а при подключении закороченных входов к источнику опорного напряжения – произвести калибровку системы.

Выводы AIN0…AIN3 могут быть подключены к портам ввода/вывода общего назначения (General Purpose Input Output, GPIO) GPIO0…GPIO3 с порогами переключения уровней логических сигналов, находящимися в районе половинного значения напряжения питания  (AVDD + AVSS)/2 (рисунок 10). Для подключения выводов AIN0…AIN3 к портам ввода-вывода GPIO0…GPIO3 необходимо установить соответствующие биты GPIO_CON в регистре MODE2. В этом же регистре находятся биты GPIO_DIR, отвечающие за режим работы порта: вход или выход. Текущее состояние порта можно прочитать или установить, в зависимости от режима работы, с помощью битов GPIO_DAT в регистре MODE3. При работе в режимах возбуждения измерительного моста переменным напряжением (AC-Bridge Excitation Mode, AC-EXT), определяемым значениями битов CHOP в регистре MODE1, состояния портов GPIO обновляются автоматически с помощью встроенного программного обеспечения. Микросхема позволяет реализовать два варианта возбуждения измерительного моста переменным напряжением – с помощью двух или четырех линий, что позволяет использовать для решения этой задачи все известные схемы инверторов (с выводом средней точки трансформатора, полумостовую или мостовую) или возбуждать одновременно несколько измерительных мостов.

Структурная схема портов ввода-вывода GPIO

Рис. 10. Структурная схема портов ввода-вывода GPIO

Кроме этого, выводы AIN0 иAIN1 подключены к мультиплексору опорного напряжения (RefMux), поэтому напряжения на них могут также использоваться в системе в качестве дополнительных опорных напряжений REFP1 и REFN1 (рисунок 8). Все функции выводов AIN0…AIN5 приведены в таблице 2.

Таблица 2. Функции выводов AIN0 – AIN5

Вывод Источники опорного напряжения Возбуждение измерительного моста переменным током
Двупроводной режим Четырехпроводной режим
AIN0 REFP1 GPIO0/ACX1 (инверсный сигнал) GPIO0/ACX1 (инверсный сигнал)
AIN1 REFN1 GPIO1/ACX2 (инверсный сигнал) GPIO1/ACX2 (инверсный сигнал)
AIN2 GPIO2/ACX1
AIN3 GPIO3/ACX2
AIN4
AIN5

Усилитель PGA (рисунок 11) является малошумящим усилителем, изготовленным по КМОП-технологии, с программируемым коэффициентом усиления, дифференциальным входом и дифференциальным выходом. Основное назначение PGA – расширение динамического диапазона АЦП, позволяющее оцифровывать сигналы с малым уровнем. Коэффициент усиления PGA определяется битами GAIN в регистре PGA и может принимать значение 1, 64 или 128. В этом же регистре расположен бит BYPASS, запись единицы в который позволяет подключить выходы PGA непосредственно к его входам. В режиме байпаса динамический диапазон АЦП расширяется до величины, ограниченной лишь напряжением питания микросхемы, а энергопотребление за счет отключения питания элементов PGA снижается.

Структурная схема PGA

Рис. 11. Структурная схема PGA

PGA содержит два стабилизированных прерыванием операционных усилителя А1 и А2, предназначенных для усиления сигналов, поступающих, соответственно, на неинвертирующий (AINP) и инвертирующий (AINN) входы АЦП. Коэффициент усиления PGA определяется прецизионной резисторной матрицей, включенной в цепи отрицательной обратной связи. Кроме этого, PGA содержит интегрированные фильтры, уменьшающие степень воздействия внешних электромагнитных помех.

Неинвертирующий и инвертирующий выходы PGA подключены, соответственно, к выводам CAPP и CAPN микросхемы. Для уменьшения уровня помех, вносимых внутренними контурами стабилизации прерыванием усилителей А1 и А2, к этим выводам необходимо подключить внешний конденсатор емкостью 4,7 нФ с диэлектриком типа C0G. Следует отметить, что выводы CAPP и CAPN очень чувствительны к уровню помех, поэтому на печатной плате этот конденсатор должен располагаться максимально близко к микросхеме, а рядом с ним не должны проходить печатные проводники с высоким уровнем электромагнитного излучения, например, шины распределения тактового сигнала.

Диапазон рабочего входного напряжения микросхемы определяется величиной опорного напряжения АЦП и коэффициентом усиления PGA. При опорном напряжении, VREF = 5 В, рабочий динамический диапазон входного сигнала приведен в таблице 3. В общем случае для предотвращения появления искажений напряжение входного сигнала должно находиться в следующем диапазоне (формула 1):

form_1.png (3 KB)

где:

  • VAINP(N) – абсолютное (по отношению к общему проводу) напряжение на неинвертирующем AINP и инвертирующем AINN выводах микросхемы;
  • VIN = VAINP – VAINN – максимальное дифференциальное входное напряжение;
  • Gain – коэффициент передачи усилителя (1, 64 или 128);
  • AVDD, AVSS – напряжения на выводах питания микросхемы.

Для предотвращения появления искажений, вызванных ограничением входного сигнала антистатическими диодами, входное напряжение должно быть меньше напряжений питания AVDD и AVSS не менее чем на 0,3 В.

Таблица 3. Динамический диапазон входного сигнала

Значение битов GAIN в регистре PGA Коэффициент усиления PGA Уровень входного сигнала, соответствующий максимальному значению АЦП, В
000 1 ±5,000
110 64 ±0,078
111 128 ±0,039

PGA имеет встроенные детекторы перегрузки (рисунок 12), сигнализирующие о выходе входного сигнала за пределы рабочего диапазона. Это позволяет избежать ошибок при выполнении измерений, например, из-за неправильно установленного коэффициента усиления PGA. Бит тревоги PGAH_ALM в регистре STATUS устанавливается в единицу в случае, если напряжение на любом из выходов PGA превысит уровень AVSS + 0,2 В, а бит PGAL_ALM – при уменьшении выходных напряжений PGA меньше AVDD – 0,2 В.

Детекторы перегрузки PGA

Рис. 12. Детекторы перегрузки PGA

В качестве источников опорных напряжений для АЦП могут использоваться два внешних и один внутренний источник сигнала. Опорный источник для инвертирующего и неинвертирующего каналов АЦП выбирается независимо с помощью соответствующих мультиплексоров путем установки битов (RMUXP и RMUXN) регистра REF (рисунок 13). По умолчанию в качестве опорного напряжения выбирается напряжение на выводах AVDD и AVSS.

Мультиплексор источников опорного напряжения

Рис. 13. Мультиплексор источников опорного напряжения

Для уменьшения ошибок при выполнении измерений в микросхему ADS1235 интегрирован монитор источников опорного напряжения (рисунок 14), который устанавливает бит REFL_ALM в регистре STATUS в случае, если опорное напряжение (VREF = VREFP – VREFN) становится меньше 0,4 В. Для корректной работы монитора при работе с внешними источниками рекомендуется соединять выводы REFP и REFN с помощью резистора сопротивлением около 100 кОм, что позволяет гарантировано определить нарушения в работе любого из источников.

Монитор опорного напряжения

Рис. 14. Монитор опорного напряжения

Режимы работы ADS1235

В зависимости от значения бита CONVRT в регистре MODE0 ADS1235 может выполнять как однократную, так и непрерывную оцифровку сигнала. Запуск и остановка преобразования осуществляются аппаратным или программным способами. Для запуска/остановки преобразования необходимо установить высокий/низкий уровень на выводе “START” или передать по интерфейсу SPI команду “START”/”STOP”. Для исключения конфликтов между программным и аппаратным интерфейсами управления при запуске преобразования через интерфейс SPI уровень сигнала на выводе “START” должен иметь низкий уровень.

Микросхема ADS1235 может работать в одном из четырех режимов, определяемом битами CHOP в регистре MODE1 (таблица 4).

Таблица 4. Конфигурации микросхемы ADS1235

Значения битов CHOP
в регистре MODE1
Режим работы
00 Обычный (Normal Mode)
01 Режим стабилизации прерыванием (Chop Mode)
10 Режим возбуждения измерительного моста переменным напряжением или током (двупроводной вариант, 2-wire AC-bridgeexcitationmode)
11 Режим возбуждения измерительного моста переменным напряжением или током (четырехпроводной вариант, 4-wire AC-bridgeexcitationmode)

Штатный контур стабилизации прерыванием микросхемы охватывает два узла: программируемый усилитель PGA и АЦП. При этом высокочастотные компоненты сигнала, вносимые прерыванием, устраняются цифровым фильтром низких частот. Это позволяет значительно уменьшить величину как собственного напряжения смещения, так и его дрейфа, а также снизить уровень фликкер-шума. Для большинства приложений этого оказывается вполне достаточно, поэтому ADS1235 обычно используется в режиме Normal Mode, обеспечивающем максимальное быстродействие.

Однако для прецизионных приложений остаточная величина напряжения смещения все же может оказаться недопустимо большой. В этом случае можно переключить микросхему в режим Chop Mode, при котором полярность сигнала, подаваемого на вход PGA, будет инвертироваться с помощью дополнительного коммутатора Chop Switch (рисунок 15).

Структурная схема измерительного тракта ADS1235 в режиме Chop Mode

Рис. 15. Структурная схема измерительного тракта ADS1235 в режиме Chop Mode

В режиме Chop Mode коммутатор Chop Switch изменяет полярность сигнала на входе PGA после каждого цикла преобразования АЦП. При таком методе управления входным сигналом вычитание результатов последовательных преобразований, осуществляемое АЦП, позволяет практически полностью избавиться от напряжения смещения VOFS, вносимого элементами измерительного тракта. Рассмотрим это на следующем примере.

Преобразование С1:

VAINP – VAINN – VOFS → это результат первого измерения после начала оцифровки.

Преобразование С2:

VAINN – VAINP – VOFS → Выход 1 = (C1 – C2)/2 = VAINP – VAINN.

Преобразование С3:

VAINP – VAINN – VOFS → Выход 2 = – (C3 – C2)/2 = VAINP – VAINN.

Указанная последовательность операций производится во всех дальнейших преобразованиях. Следует отметить, что после переключения коммутатора Chop Switch необходимо некоторое время для завершения переходных процессов, поэтому частота дискретизации в этом режиме будет меньше.

В случае, когда источник смещения может находиться в цепях датчика, и для обеспечения требуемого класса точности прибора необходимо возбуждение измерительного моста переменным напряжением или током, следует использовать режим AC-Bridge Excitation Mode. Принцип работы микросхемы в этом режиме аналогичен режиму Chop Mode, за исключением того что инверсия сигнала на входе PGA осуществляется не коммутатором Chop Switch, а с помощью внешних транзисторов.

Так же, как и в режиме Chop Mode, изменение полярности входного сигнала происходит после завершения процесса оцифровки, а напряжение смещения удаляется за счет вычитания и, соответственно, усреднения результатов измерений в разных фазах преобразования. Это также приводит к уменьшению частоты дискретизации за счет увеличения времени между соседними измерениями, необходимого для завершения переходных процессов.

В микросхеме реализовано два варианта режима AC-Bridge Excitation Mode: двупроводной (2-WIRE MODE) и четырехпроводной (4-WIRE MODE), в зависимости от которых на выводах AIN0…AIN3 будет формироваться разное количество сигналов управления внешними транзисторами. Уровень выходных сигналов портов GPIO зависит от величины напряжения положительного источника питания, которое может достигать 5 В. Для исключения появления во внешнем коммутаторе сквозных токов сигналы управления транзисторами ACX1 и ACX2 имеют необходимый защитный интервал td(ACX) (рисунок 16). Типовая схема подключения измерительного моста, возбуждаемого переменным напряжением, показана на рисунке 17).

Сигналы управления внешними транзисторами при возбуждении измерительного моста переменным напряжением

Рис. 16. Сигналы управления внешними транзисторами при возбуждении измерительного моста переменным напряжением

Схема возбуждения измерительного моста переменным напряжением

Рис. 17. Схема возбуждения измерительного моста переменным напряжением

Система калибровки

Какие бы передовые технологии для уменьшения напряжения смещения не применялись, все равно полностью устранить это явление на сегодняшний день не представляется возможным. К тому же, на практике неплохо бы иметь систему самодиагностики, позволяющую не только определить величину напряжения смещения, но и оценить работоспособность всех ключевых элементов измерительного тракта. Для этого в микросхеме ADS1235 реализована мощная система калибровки, позволяющая вывести оборудование, создаваемое на основе этого прибора, на еще более высокий уровень качества.

Ключевыми параметрами измерительного тракта микросхемы ADS1235, которые могут измениться со временем, являются напряжение смещения и коэффициент передачи усилителя PGA. Для возможности коррекции этих параметров в ADS1235 предусмотрены два специализированных регистра: OFCAL и FSCAL, позволяющие изменять их содержимое как напрямую посредством центрального процессора, так и при помощи встроенного узла автокалибровки (рисунок 18). Калибровка ADS1235 осуществляется с помощью специализированных команд, передаваемых по интерфейсу SPI, часть из которых обеспечивает как непосредственное чтение/запись содержимого калибровочных регистров, так и запуск встроенных механизмов автокоррекции.

Узел коррекции результатов измерений

Рис. 18. Узел коррекции результатов измерений

Содержимое 24-разрядного регистра коррекции напряжения смещения OFCAL вычитается из данных, генерируемых АЦП, перед передачей их на последующую обработку. Коррекция коэффициента передачи программируемого усилителя PGA осуществляется путем умножения результатов измерений АЦП на поправочный коэффициент, хранимый в 24-разрядном регистре FSCAL. Особенностью коррекции коэффициента передачи PGA является то, что содержимое регистра FSCAL вначале делится на 222 (0х400000), а затем результаты измерений умножаются на остаток от данного деления. Таким образом, итоговый результат оцифровки сигнала определяется по формуле 2:

form_2.png (2 KB)

Несмотря на то что с помощью регистров OFCAL и FSCAL можно корректировать значения в достаточно широком диапазоне, значение исправленного отсчета не может выходить за границы предустановленного диапазона выходного сигнала более, чем на 6%, в противном случае это будет свидетельствовать о перегрузке АЦП.

Для калибровки микросхемы предназначены три специализированные команды. Калибровка напряжения смещения может производиться путем передачи команд “SFOCAL” или “SYOCAL”, предназначенных, соответственно, для коррекции напряжения смещения, вносимого АЦП и системой в целом. Калибровка коэффициента передачи усилителя PGA осуществляется с помощью команды “GANCAL”.

При передаче команды “SFOCAL” программное обеспечение микросхемы отключает входы PGA от источников внешних сигналов и соединяет их вместе. При использовании команды “SYOCAL” обеспечить нулевое напряжение на входе PGA необходимо средствами высокоуровневого приложения. Это можно осуществить как путем соответствующей настройки входного мультиплексора, так и, например, физическим соединением выходов измерительного моста с помощью внешнего ключа. После передачи команд “SFOCAL” или “SYOCAL” микросхема выполняет 16 последовательных преобразований входного сигнала, необходимых для уменьшения влияния собственных шумов, после чего производится расчет поправочного коэффициента и контрольная оцифровка входного сигнала с новым корректирующим значением.

Перед передачей команды “GANCAL” на входе PGA необходимо установить такое входное напряжение, при котором результат оцифровки АЦП будет максимальным. Как и при калибровке напряжения смещения, после подачи команды “GANCAL” производится 16 последовательных преобразований, уменьшающих влияние собственных шумов, расчет поправочного коэффициента и контрольное измерение с новым значением регистра FSCAL.

Следует еще раз отметить, что калибровка микросхемы может проводиться как автоматически, аппаратными средствами ADS1235, так и высокоуровневым приложением, работающим на центральном процессоре. Такой двойной контроль качества работы за счет периодических проверок позволяет не только поддерживать необходимую точность оборудования на протяжении всего срока эксплуатации, но и своевременно информировать конечного пользователя о наличии проблем.

Шумовые характеристики ADS1235

Уровень шума ADS1235 зависит от режима работы. В общем случае на величину этого параметра влияет комбинация значений частоты дискретизации, коэффициента усиления PGA, настроек цифрового фильтра и режим работы микросхемы (“Normal Mode”, “Chop Mode” или “AC-Bridge Excitation Mode”), при этом основными параметрами являются частота дискретизации и коэффициент усиления PGA.

Поскольку спектральная плотность шума АЦП практически не зависит от частоты, уменьшение общего количества преобразований приводит к пропорциональному уменьшению частоты пропускания, а следовательно, и к уменьшению общего уровня шума. Уменьшить уровень общего шума микросхемы можно также путем увеличения коэффициента передачи входного усилителя. Этот эффект основан на том, что уровень шума PGA значительно меньше уровня шума АЦП, поэтому увеличение уровня сигнала на входе АЦП приведет к общему увеличению соотношения «сигнал/шум» оцифрованных данных. Данное соотношение увеличивается также при возрастании порядка цифрового фильтра низких частот (за счет уменьшения полосы пропускания) и в режимах “Chop Mode” и “AC-Bridge Excitation Mode” (за счет усреднения результатов измерений двух последовательных преобразований – в √2 раза).

Все эти способы позволяют эффективно регулировать шумовые характеристики и позиционировать ADS1235 в качестве малошумящего АЦП, ведь при входном сигнале 10 мВ, и проведении 10 измерений в секунду количество свободных от шума отсчетов оцифрованного сигнала может достигать 120000, что соответствует размаху сигнала шума 0,084 мкВ (рисунок 19).

Форма шума выходного сигнала АЦП

Рис. 19. Форма шума выходного сигнала АЦП

Средства разработки

Для уменьшения времени освоения ADS1235 и сокращения количества ошибок при проектировании компания Texas Instruments предлагает разработчикам оценочный набор ADS1235 (рисунок 20), содержащий все необходимое для быстрого начала работы с этой микросхемой.

Оценочный модуль ADS1235

Рис. 20. Оценочный модуль ADS1235

В состав набора входит печатная плата с микросхемой ADS1235, на которой также установлен микроконтроллер TM4C1294NCPDT со встроенным программным обеспечением, содержащим все необходимые программные модули для обмена данными с АЦП через интерфейс SPI. Обмен данными между TM4C1294NCPDT и внешним приложением осуществляется с помощью встроенного интерфейса USB версии 2.0 или выше, что позволяет подключить оценочную плату к персональному компьютеру, с операционной системой Window 7 или выше и управлять этой платой с помощью программного обеспечения, которое вместе с соединительным кабелем входит в состав набора. Питание платы осуществляется от персонального компьютера через интерфейс USB.

Отладочная плата содержит:

  • встроенный однополярный (5 В) или двуполярный (±2,5 В) стабилизатор питания измерительного тракта микросхемы (выводы AVDD и AVSS);
  • встроенный стабилизатор 3,3 В для питания цифровых узлов;
  • разъем для подключения внешнего микроконтроллера;
  • разъем для внешних аналоговых датчиков с возможностью конфигурации схемы подключения;
  • светодиодные индикаторы, для индикации ошибок преобразования и обмена данными по интерфейсу SPI в работе микросхемы;
  • место для установки источника опорного напряжения (микросхемы REF62xx или аналогичная).

Программное обеспечение, входящее в набор, имеет возможности:

  • контроля и управления процессом преобразования;
  • перезагрузки и выключения микросхемы;
  • чтения и записи регистров ADS1235;
  • восстановления исходного сигнала на основе результатов оцифровки;
  • запуска механизмов калибровкиADS1235;
  • просмотра информации об ошибках, возникающих в работе микросхемы.

Таким образом, для начала работы с микросхемой достаточно всего нескольких минут, необходимых, чтобы подключить плату, установить и запустить программное обеспечение.

Заключение

Новые АЦП производства компании Texas Instruments являются мощным инструментом для создания прецизионного измерительного оборудования на основе самых современных технологий обработки сигналов. Сферой применения ADS1235 являются приборы на базе тензометрических датчиков, например, весы, измерители температуры, манометры и прочее высокоточное измерительное оборудование. В любом случае, независимо от конечного применения данной микросхемы, можно с уверенностью утверждать, что при правильном проектировании любая измерительная аппаратура, основанная на ADS1235, будет отвечать самым высоким техническим требованиям на протяжении всего срока эксплуатации.

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
TM4C1294NCPDTI3
TM4C1294NCPDTI3
Texas Instruments
Арт.: 1369449 ИНФО PDF AN RD RND DT
Доступно: 84 шт. 1140,00
IoT enabled High performance 32-bit ARMВ® CortexВ®-M4F based MCU 128-TQFP -40 to 85
TM4C1294NCPDTI3 1140,00 от 4 шт. 976,00 от 8 шт. 879,00 от 17 шт. 814,00 от 43 шт. 773,00
84 шт.
(на складе)
TM4C1294NCPDTI3R
TM4C1294NCPDTI3R
Texas Instruments
Арт.: 1372895 ИНФО PDF AN RD DT
от 1000 шт. от 807,19
Поиск
предложений
IoT enabled High performance 32-bit ARMВ® CortexВ®-M4F based MCU 128-TQFP -40 to 85
TM4C1294NCPDTI3R от 1000 шт. от 807,19
-
Поиск
предложений
TM4C1294NCPDTT3R
TM4C1294NCPDTT3R
Texas Instruments
Арт.: 1372896 ИНФО PDF AN RD DT
от 1000 шт. от 841,29
Поиск
предложений
IoT enabled High performance 32-bit ARMВ® CortexВ®-M4F based MCU 128-TQFP -40 to 105
TM4C1294NCPDTT3R от 1000 шт. от 841,29
-
Поиск
предложений
ADS1235EVM
ADS1235EVM
Texas Instruments
Арт.: 3085517 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
ADS1235 evaluation module
ADS1235EVM
-
Поиск
предложений
ADS1235IRHBT
ADS1235IRHBT
Texas Instruments
Арт.: 3085519 PDF AN DT
Доступно: 66 шт. 982,00
ADS1235IRHBT 982,00 от 4 шт. 842,00 от 9 шт. 758,00 от 19 шт. 702,00 от 49 шт. 667,00
66 шт.
(на складе)
OPA187IDBVT
OPA187IDBVT
Texas Instruments
Арт.: 3094325 AN
Доступно: 651 шт. от 500 шт. от 100,13
Выбрать
условия
поставки
OPA187IDBVT от 500 шт. от 100,13
651 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()