Egy ilyen mintaáramkör kapcsolási rajzát láthatjuk az 1. ábrán. Az U1 jelöléssel ellátott műveleti erősítő bemenetére a VREF és VMEAS bemeneti feszültségek közül egy időben csak az egyik csatlakozik. A VREF egy kalibrációs célú, rögzített értékű feszültség, míg a VMEAS értéke ismeretlen és digitális konverzióra szorul. Az R1 ellenállás és C1 kondenzátor együtt töltőáramkört alkot, és a bemeneti feszültséget időfüggvénnyé alakítja. Az áramkörbe illesztett U1 műveleti erősítő kiküszöböli azokat a logaritmikus karakterisztikákat, amelyek az R1 ellenállásra és C1 kondenzátorra közvetlenül kapcsolt bemeneti feszültség esetén fellépnének. Az áramkör a Microchip PIC16F5X-sorozatú mikrovezérlőjére épül, amely az S1–S4 kapcsolók segítségével ellátja az U1 műveleti erősítő vezérlését, valamint időmérést és az ismeretlen bemeneti feszültség digitális reprezentálását is elvégzi.
1. ábra. Egy egyszerű analóg-digitális átalakító áramkör-kapcsolási rajzaAz áramkör használható áramnemű A/D-átalakítóként is. Ebben az esetben az áramkonverterre a bemeneti feszültségnél nincs szükség, és a referenciaáram és bemeneti áram az analóg kapcsolókon keresztül kerül a kondenzátorra.
A konverterhez mindössze öt külső alkatrészre van szükség a működtetéshez, szoftveres és hardveres vezérlés útján 6 és 10 bit felbontás között, ill. 250 µs vagy hosszabb konverziós időre konfigurálható. Ezzel a topológiával feszültség és áramerősség konverziója is megoldható, a szoftveres kalibrációval az idő- és hőmérséklet-eredetű driftek, valamint alkatrészhibák kompenzálhatók. Az átalakítás különböző állapotainak szemléltetésére szolgál a 2. ábra.
2. ábra. A műveleti erősítő kimeneti hullámformájaA t0–t1 szakaszban az S1 és S3 kapcsolók bekapcsolt, az S2 és S4 kapcsolók kikapcsolt állapotban vannak, az RA0 pedig szoftverből földre van húzva. Ezek a beállítások a 3. ábrán látható ekvivalens áramköri modellt adják ki.
3. ábra. Kisütés alatti ekvivalens áramköri modellA VOUT megegyezik a VREF értékével, mivel VIN is megegyezik VREF értékével, az S3 kapcsoló állása pedig biztosítja az egységnyi erősítést. A C1 kisülés alatt van, vagy a reset után kezdetileg kisült. Bármely esetről is van szó, biztosított, hogy C1 teljesen kisütött állapotban van a következő fázis megkezdésére. A t1 idő után S1 bekapcsolt állapotban marad, S2 és S3 kikapcsolásra, S4 bekapcsolásra kerül, RA0 pedig bemeneti pontként került konfigurálásra. Mindez a 4. ábrán látható ekvivalens áramköri modellt adja.
4. ábra. A mérés alatti ekvivalens áramköri modellVREF függvényeként VOUT feszültség a C1 kondenzátor töltése közben lineárisan elkezd felfutni. Ez a felfutás mindaddig tart, amíg a mikrokontroller Vth áttörési feszültségét el nem éri. Ez szoftveres kalibrációs értéket állít elő, amely megfelel tref értékének. Ez a kalibrációs érték megmérésre, és a legtöbb áramköri hiba kompenzálásához felhasználásra kerül, beleértve az ellenállás és kondenzátor pontatlansági hibáit, a Vth és hőmérséklet változásait is.
Miután a szoftveres kalibrációs érték a t2 időben kimérésre került, S2 és S3 bekapcsolt, S1 és S4 kikapcsolt állapotba kerül, RA0-t pedig szoftverből ismét földre húzzuk. Ez ugyanazt az ekvivalens áramköri modellt adja, mint amelyet a 3. ábrán láthattunk. Ám VOUT értéke megegyezik VMEAS értékével, hiszen VIN is megegyezik VMEAS értékével, az S3 állása pedig biztosítja az egységnyi erősítést. A C1 kondenzátor t2 és t3 időpontok között kisül. A t3 időpont után S2 bekapcsolva, S1 kikapcsolva marad, S3 kikapcsolásra, S4 pedig bekapcsolásra kerül, RA0 bemeneti pontként lesz beállítva. Ez ugyanazt az ekvivalens áramköri modellt adja, mint amelyet a 4. ábrán láthattunk.
VMEAS függvényeként VOUT feszültség a C1 kondenzátor töltése közben lineárisan elkezd felfutni. Ez a felfutás mindaddig tart, amíg a mikrokontroller Vth áttörési feszültségét el nem éri. Ez szoftveres VMEAS értéket állít elő, amely megfelel tmeas értékének. Ez a kalibrációs érték megmérésre, és a legtöbb áramköri hiba kompenzálásához felhasználásra kerül, beleértve az ellenállás és kondenzátor pontatlansági hibáit, a Vth és hőmérséklet változásait is. Ez az érték összevetésre kerül a szoftveres kalibrációs értékkel a VMEAS aktuális digitális megfelelőjének meghatározása érdekében.
Áramköri egyenletek
Az áramköri működés alapján a mikrovezérlő egyenletek útján számítja ki a konverzió eredményét. A 4. ábra szerint az R1 ellenálláson átfolyó áram megfelel a C1 kondenzátoron átfolyó áramnak. Ha a bemeneti feszültség VIN megegyezik VREF értékével, a két áramerősség közötti viszonyt az 5. ábrán látható 1. egyenlet írja le. Ha a bemeneti feszültség VIN megegyezik VMEAS értékével, a két áramerősség közötti viszonyt az 5. ábrán látható 2. egyenlet írja le.
5. ábra. Az analóg-digitális átalakítás egyenleteiAz 1. és 2. egyenletek integrálása a 3. és 4. egyenletben látható eredményeket adja. Mivel VREF és VMEAS bemenete állandó, a 3. és 4. egyenlet tovább egyszerűsíthető az 5. és 6. egyenletekké. Minden mérés végén az 5. és 6. egyenletekben szereplő VO megegyezik Vth értékével, ezáltal állítható fel a 7. egyenletben látható összefüggés. Ebből R1 és C1 kiejthető, így VMEAS, vagyis a keresett ismeretlen feszültség értéke kifejezhető.
A 8. egyenletből jól látható, hogy a mérés független az R1 és C1 áramköri elemektől, amely a konverziót e két alkatrész hibáira nézve immúnissá teszi a pontatlanság és hőmérséklet vonatkozásában is. Ez azonban nem jelenti azt, hogy R1 és C1 névértékének ne lenne jelentősége az A/D-átalakító tervezése szempontjából, hiszen ezeknek jelentős befolyása van a felbontási bitek szempontjából. A 6. egyenletre visszatekintve R1C1-szorzatot kifejezve a 6. ábrán látható 9. egyenletet kapjuk.
6. ábra. Az R1C1-érték kiszámításaR1C1-szorzat aktuális értékének kismértékkel alul kell maradnia a számított értéktől, amely biztosítja, hogy a PIC16F5X mikrovezérlő a mérés során nem számol túl. (Megjegyezzük, hogy az assembly és C programozási nyelvű implementációnál az R1C1-szorzat értéke eltérő lesz, mivel a C-beli programozás alatt a számolásonként, utasításciklusok száma nagyobb, mint assembly esetében.)
Áramköri teljesítmény
A tényleges alkalmazásokban, amennyiben a mérési pontosság erre lehetőséget ad, előnyös lehet kisebb bitszámot és nagyobb órajelforrást alkalmazni. A matematikai kód jelentősen csökkenthető, a mérési idő az egyszerűbb kód és a rövidebb számolások miatt csökkenthető.
A kalibrációs érték használata kiküszöböl minden elsőrendű hibát (ofszet-, erősítés-, R- és C-pontatlansági, tápfeszültség- és hőmérséklethibák), kivéve a referenciafeszültség driftjét. Ez utóbbiban bekövetkező bármilyen változás (beleértve a zajt is) mérési hibákat eredményezhet. A további lehetséges hibaforrások lehetnek az analóg kapcsolók szivárgási hibái, az ellenállás és kondenzátor nemlinearitási hibái, a bemeneti küszöbszint és időmérés bizonytalansága stb. A mért teljesítmény szerint a konverter pontossága 1%-on belül van (full scale).
Konklúzió
Egyszerű és kis sávszélességű analóg alkalmazások esetében többnyire szükség van egy alacsony bekerülési és tervezési költségű, nagy felbontású A/D-átalakítóra. A Microchip PIC16F5X vagy PIC16CFX mikrovezérlők felhasználásával cikkünkben bemutattuk, hogyan lehet e követelményeknek és alkalmazásnak megfelelő A/D-konverter áramkört tervezni, amely nemcsak a kisszámú külső alkatrész, hanem a legtöbb áramköri hiba kompenzálása okán is előnyös megoldás.
