Применение АЦП КР572ПВ5

  В преобразователе использован принцип двойного интегрирования, в соответствии с которым вначале разряженный интегрирующий конденсатор Синт заряжают определенное время током, пропорциональным измеряемому напряжению, а затем разряжают определенным током до нуля. Время, в течение которого происходит разрядка конденсатора, будет пропорционально измеряемому напряжению. Это время измеряют с помощью счетчика импульсов; с его выхода сигналы подают на индикатор.

  На вход преобразователя (выв. 30 и 31) подают измеряемое напряжение Uвх. а на выв. 36 и 35 - образцовое Uобр. Цикл измерения (рис. 2) состоит из трех этапов - интегрирования сигнала, т. е. зарядки интегрирующего конденсатора (ЗИК), разрядки интегрирующего конденсатора (РИК) и автоматической коррекции нуля (АКН). Каждому этапу соответствует определенная коммутация элементов преобразователя, выполняемая выключателями S1-S11 на транзисторах структуры МОП. На схеме рис. 1 надписи у выключателей обозначают этап, в течение которого "контакты" замкнуты. Длительность этапа, точно задаваемая счетчиком D02, пропорциональна периоду тактовой частоты fт.

Рис. 2

  В течение этапа ЗИК, длящегося 4000 периодов тактовой частоты, входной сигнал через выключатели S1, S2 и буферный усилитель DA1 поступает на вход интегратора DA2. Это вызывает на конденсаторе Синт накопление заряда, пропорционального и соответствующего по знаку приложенному входному напряжению. Напряжение на выходе интегратора ОА2 изменяется с постоянной скоростью, пропорциональной входному сигналу.

  Предположим, что к началу этапа ЗИК заряд на конденсаторах Синт и Сакн и напряжение смещения нуля ОУ DA1- DA3 равны нулю (Сакн - запоминающий конденсатор узла автоматической коррекции "нуля"). Так как входной ток интегратора DA2 мал, изменения напряжения на конденсаторе Сакн не происходит, и он фактически не оказывает влияния на процесс интегрирования. Конденсатор Собр остается с предыдущего цикла заряженным от источника образцового напряжения до Uобр. В конце этапа ЗИК компаратор DA3 определяет знак входного напряжения по знаку напряжения на выходе интегратора DA2. Чувствительность компаратора DA3 такова, что он правильно определяет полярность входного сигнала, даже если сигнал существенно меньше единицы отсчета.

  При работе преобразователя на этапе РИК входной сигнал на интегратор DA2 не поступает. К его входу выключатели S7, S8 или S6, S9 присоединяют заряженный до образцового напряжения конденсатор Собр, причем в такой полярности (этим и обусловлен выбор той или иной пары выключателей), при которой происходит разрядка конденсатора Синт.

  Разрядка длится до тех пор, пока конденсатор Синт не разрядится полностью, т. е. напряжение на выходе ОУ DA2 не станет равным нулю. В этот момент подключенный параллельно конденсатору Синт компаратор DA3 срабатывает и завершает этап РИК. Заряд конденсаторов Собр и Сакн практически не изменяется. Время разрядки конденсатора Синт, выраженное числом периодов тактовых импульсов, и есть результат измерения, записанный в счетчике DD2. Состояние счетчика переписывается в регистр DD3, а затем после дешифрации в семиэлементный код сигналы поступают на индикатор.

  При знаке напряжения Uвх, противоположном указанному на рис. 1, элемент g1 индикатора HG1 индицирует знак "минус". При перегрузке на табло остается лишь цифра 1 в старшем разряде и знак "минус" (для отрицательного напряжения).

  Этап АКН начинается с прекращения работы счетчика DD2, когда логическое устройство DD1 "замыкает контакты" выключателей S3, S4 и S11. Образовавшаяся при этом следящая система обеспечивает зарядку конденсаторов Синт и Сакн до напряжения, компенсирующего смещение "нуля" операционных усилителей DA1-DA3. Оно остается неизменным в течение двух последующих этапов ЗИК и РИК. В результате приведенная ко входу погрешность из-за смещения "нуля" и его температурного дрейфа не превышает 10 мкВ.

  Работой всех узлов преобразователя управляет встроенный тактовый генератор. Частота следования его импульсов определяется внешними элемента Rг и Сг. Для подавления сетевых помех с значениями частоты, кратными 50 Гц, тактовую частоту следует выбирать такой, чтобы во время интегрирования, равное 4000 периодов тактового генератора Тт, укладывалось целое число Nс периодов сетевого напряжения (длительность сетевого периода равна 20 мс).

  Таким образом, 4000Тт = 20 Nc мс, где Nc = 1, 2, 3 и т.д. Отсюда, 1т = 1/Тт = = 200/Nс кГц, т. е. 200, 100, 67, 50, 40 кГц; меньшие значения обычно не используют. Номиналы частотозадающих цепей тактового генератора рассчитывают по формуле Сг = 0,45/fт*Rг. Для повышения стабильности частоты между выводами 39 и 40 может быть включен кварцевый резонатор (при этом элементы Rг и Сг не нужны). При работе преобразователя от внешнего генератора тактовые импульсы подают на выв. 40; выв. 38 и 39 при этом оставляют свободными.

   Пределы входного напряжения устройства зависят от образцового напряжения Uобр и определяются соотношением Uвх.max=±1,999 Uобр. Текущие показания индикатора должны выражаться числом, равным 1000 Uвх/Uобр, однако на практике они ниже на 0,1...0,2%. Период измерений при тактовой частоте 50 кГц равен 320 мс. Иначе говоря, прибор производит 3 измерения в секунду.

   Типовая схема включения преобразователя, его соединения с жидкокристаллическим индикатором и четырьмя элементами ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, необходимыми для управления десятичными запятыми индикатора, показана на рис. 3. Преобразователь рассчитан на однополярное питание стабильным напряжением в пределах от 7 до 10 В. Плюсовой провод источника питания подключают к выв. 1, а минусовой - к выв. 26. При напряжении питания 9 В ± 1 % и температуре окружающей среды 25+5°С максимальный потребляемый ток не превышает 1,8 мА, при этом погрешность преобразования - не более единицы младшего разряда. Входное сопротивление определяется лишь утечками и существенно превышает 100 МОм.

  Преобразователь оснащен двумя встроенными источниками питания, один напряжением 2,9±0,5 В, а второй - около 5 В. Плюс первого соединен с выв. 1, а минус - с выв. 32 (этот вывод принято считать общим проводом аналоговой части преобразователя). У второго источника плюс на том же выв. 1, а минус - на выв.37.

  Первый (трехвольтный) источник служит для формирования образцового напряжения с помощью резистивного делителя. Изменение выходного напряжения этого источника при колебаниях напряжения питания микросхемы в пределах 7,5... 10 В не превышает 0,05%; температурный коэффициент напряжения положителен и не превосходит 0,01% /°С. Эти параметры преобразователя обеспечивают весьма высокую точность мульти-метра, построенного на его основе, при работе в лабораторных условиях (при колебаниях температуры воздуха в пределах 15...25°С) и вполне приемлемую для многих измерений в более широком температурном интервале.

  В то же время выходное сопротивление источника довольно велико - при токе нагрузки 1 мА напряжение на его выходе падает примерно на 5%, при 3 мА - на 12%. Поэтому указанная стабильность напряжения реализуема лишь при постоянной нагрузке. Если же нагрузку подключить к выв. 26 и 32, нагрузочный ток не может превышать 10 мкА. Это свойство источника позволяет организовать двуполярное питание преобразователя [1], при котором общий провод двух плеч блока питания надо будет подключить к выв. 32, провод минусового плеча - к выв. 26, плюсового - к выв. 1; пределы напряжения питания - 2х(3,5...5) В.

  Второй (пятивольтный) источник предназначен для питания цепей управления жидкокристаллическим индикатором. Плюсовой вывод этого источника - выв. 1, минусовой - выв. 37. Стабильность напряжения источника хуже, чем у трехвольтного, примерно в 10 раз. Нагрузочная способность также невелика - при токе нагрузки 1 мА выходное напряжение уменьшается на 0,8 В, поэтому использовать его можно практически только для питания микросхемы, управляющей ЖКИ.

  На выходе F преобразователь вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов вида "меандр" с частотой, в 800 раз меньшей тактовой (62,5 Гц при fт = 50 кГц). На выходах, подключаемых к элементам цифр индикатора, напряжение имеет ту же амплитуду, форму и частоту, но оно синфазно с напряжением на выходе F для невидимых элементов и противофазно для видимых. Низкий уровень этих импульсов соответствует -5 В (выв. 37), а высокий - нулю (выв. 1).

  Для настройки тактового генератора удобно, когда частота импульсов на выходе F равна частоте сети. Осциллограф, на экране которого их наблюдают, синхронизируют от сети и настраивают тактовый генератор на такую частоту (вблизи 40 кГц), при которой изображение становится практически неподвижным.

  Для управления четырьмя десятичными запятыми необходимы дополнительные четыре логических элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (DD1 на рис. 3). Они повторяют фазу "меандра" для неиндицируемых запятых и инвертируют ее для той, которая должна быть видна. Для индикации той или иной запятой достаточно соответствующий вход управления запятой соединить с выв. 1 - общей точкой источников питания (остальные входы оставляют свободными). При использованном включении микросхемы DD1 это будет означать подачу на выбранный вход высокого уровня.

  Как уже было указано, АЦП на микросхеме КР572ПВ5 измеряет отношение значений напряжения на входах Uвх и Uобр. Поэтому возможны два основных варианта ее применения. Традиционный вариант - напряжение Uобр неизменно, Uвх меняется в пределах ±2Uобр (или от 0...2Uобр) [1-5]. Изменение напряжения на конденсаторе Синт и на выходе интегратора DA2 (рис. 1) для этого случая показано на рис. 4,а. При втором варианте напряжение Uвх, остается постоянным, а меняется Uобр. Этот вариант использован в работе [6] и проиллюстрирован на рис. 4,6. Возможен и смешанный вариант, когда при изменении измеряемой величины меняются и Uвх, и Uобр (рис. 3 в [7]).

Рис. 4

  Напряжение на входах и выходах ОУ, входящих в состав преобразователя, не должно выводить их за пределы линейного режима работы. Обычно указывают пределы ±2 В, понимая под этим изменение напряжения относительно аналогового общего провода при использовании встроенного источника образцового напряжения. Рис. 4 показывает, что наибольшее напряжение на выходе ОУ DA2 определено максимальным напряжением на входе Uвх преобразователя. Знак напряжения на выходе интегратора относительно выв. 30 противоположен знаку напряжения на выв. 31, а значение Uинт может быть рассчитано по формуле:

  Uинт=4000Uвх/(Синт*Rинт*fт). (1). Напряжение в этой формуле выражено в вольтах, емкость - в микрофарадах, сопротивление - в килоомах, тактовая частота - в килогерцах.

  Сразу отметим, что для обеспечения нормального режима разрядки конденсатора Синт напряжение на нем должно быть меньше напряжения между выв. 1 и 32 с запасом 0,2...0,3 В. Поэтому оно не должно быть более 2 В при однополярном питании микросхемы и 3....4 В (в зависимости от напряжений питания) - при двуполярном. Для обеспечения максимальной точности измерения желательно, чтобы одно из крайних значений напряжения на конденсаторе Синт, меняясь в широких пределах, приближалось к максимально возможному. Это и определяет правильный выбор элементов интегратора Синт и Rинт: Синт*Rинт=4000Uвх/(Uинт*fт), (2), где размерности те же, что и в (1).

  Рекомендуемые значения сопротивления Rинт=40...470 кОм, причем для максимального напряжения Uвх нужно выбирать Rинт ближе к верхнему пределу, для минимального - к нижнему. Емкость конденсатора Синт обычно равна 0,1...0,22 мкф.

  Для повышения точности измерения рекомендуют подключать один из выводов источников измеряемого и образцового напряжения к аналоговому общему проводу. Тем не менее представляет практический интерес дифференциальное подключение входов преобразователя к соответствующим источникам, когда ни один из входных выводов не соединен с общим проводом. При этом синфазное напряжение (cинфазным напряжением на входе называют среднее арифметическое двух значений напряжения, измеренных на одном входном выводе и на другом относительно любого провода питания) на входе может принимать любое значение от нуля до Uпит.

  Выходной сигнал идеального электронного устройства не зависит от синфазного напряжения на его входе. О таком устройстве говорят, что оно полностью подавляет синфазное напряжение помехи. У реального устройства подавление синфазного напряжения не бывает полным, а это приводит к разного рода погрешностям.

  Подавление синфазного напряжения на входах преобразователя КР572ПВ5 по паспорту равно 100 дБ, но не указаны допустимые его границы, при которых АЦП еще сохраняет указанную точность. Поэтому пределы синфазного напряжения входов Uвх и Uобр были определены экспериментально. Напряжение Uобр выбрано равным 100 мВ, Uвх - 195 мВ, тактовая частота - 50 кГц, Синт - 0,22 мкф, Rинт - 47 кОм. Для такого сочетания параметров напряжение Uинт на выходе интегратора DA2 и на конденсаторе Синт к концу этапа ЗИК, рассчитанное по формуле (1), равно 1,55 В.

  Эксперимент заключался в том, что с помощью двух стабилизированных источников питания варьировалось синфазное напряжение одного из входов и по показаниям табло индикатора оценивалась погрешность измерения напряжения. Синфазное напряжение другого входа и значения Uвх и Uобр при этом оставались фиксированными посредством резистив-ных делителей. Затем таким же образом был исследован и другой вход.

  В ходе эксперимента выяснилось, что синфазное напряжение входа Uобр можно менять в полном интервале питающего напряжения при условии Uобр<2 В и сохранении указанной полярности (рис. 3). Напряжение на каждом из входных выводов не должно выходить за пределы интервала. Со входом Uвх дело обстоит сложнее. Здесь следует рассмотреть два случая.

  Если входной сигнал имеет полярность, соответствующую рис. 1 и 3, напряжение на выв. 31 должно быть меньше (отрицательнее), чем на выв.1, не менее чем на 0,6 В. Это определено диапазоном линейной работы ОУ DA1 как повторителя. В конце этапа ЗИК напряжение на выходе интегратора DA2 (выв. 27) становится на Uинт меньше, чем на выв. 30. Соотношение уровней напряжения на выводах иллюстрирует диаграмма на рис. 5,а - жирная линия в правой нижней части.

Рис. 5

  С приближением синфазного напряжения входа и" к нижней границе интервала Uпит начинает сказываться нелинейность работы ОУ DA2. Для ОУ на транзисторах КМОП диапазон линейной работы ОУ близок к полному напряжению питания, поэтому напряжение на выв. 30 должно остаться большим, чем на выв. 26, на значение Uинт плюс небольшой запас (около 0,2 В) - вторая жирная линия в левой нижней части рис. 5,а.

  При противоположной полярности входного сигнала напряжение на выходе интегратора на Uинт выше, чем на выв. 30 (рис. 5,6), поэтому именно оно определяет допустимое напряжение на выв. 30 вблизи верхней границы напряжения на выв. 1. Экспериментально определено, что запас также не должен быть менее 0,2 В, поэтому для Uинт=1,55 В разность Uвыы.1 - Uвыв.30 должна превышать 1,75 В.

  С приближением синфазного напряжения входа Uвх к напряжению на выв. 26 вновь основную роль начинает играть допустимый диапазон линейной работы ОУ DA1. Минимально допустимая разность Uвыв.31 - Uвыв.26 - около 1 В (рис. 5,6). Таким образом, жирные линии показывают крайние положения суммы Uинт+Uвх на координатной оси напряжения как при одной, так и при другой полярности Uвх.

  Из полученных результатов следует вывод, что для измерения напряжения сигнала, синфазная составляющая которого максимально близка к напряжению на выв. 1, источник сигнала следует подключать в полярности, показанной на рис. 1 и 3. Если синфазная составляющая близка к напряжению на выв. 26, полярность подключения надо сменить на противоположную. При переменной полярности измеряемого напряжения для получения возможно более широких пределов допустимого синфазного напряжения можно уменьшить напряжение Uинт на выходе интегратора, например, до 0,5 В увеличением емкости конденсатора Синт или сопротивления резистора Rинт в соответствии с формулой (2).

  Когда напряжение на входе Uвх в процессе работы АЦП не меняет полярности, можно отказаться от конденсатора Собр. но образцовое напряжение нужно будет подать на выв. 32 и один из выводов для подключения этого конденсатора. Образцовое напряжение допустимо подавать плюсом к выв. 33, а минусом - к выв. 32, но тогда полярность входного напряжения необходимо изменить на обратную. Индикатор "высветит" знак минус (если, конечно, этот элемент индикатора подключен).

  В случаях, когда полярность подключения напряжения Uвх изменять нежелательно, можно иначе подать напряжение Uобр. - плюсом к выв. 32, минусом - к выв. 34. Знака минус на табло не будет, но для формирования образцового напряжения встроенный трехвольтный источник окажется непригодным.

  Для уменьшения влияния паразитной емкости монтажа на точность измерений, особенно при больших значениях синфазного напряжения, рекомендуется предусмотреть на печатной плате кольцевой проводник, охватывающий место монтажа элементов Синт, Uинт и Сакн. Этот проводник соединяют с выв. 27 микросхемы. При использовании двусторонней печатной платы на обратной стороне напротив кольцевого проводника следует оставить фольговую экранирующую площадку, соединяемую с тем же выв. 27.

  Цепь R7C6 на рис. 3 служит для защиты вывода +Uвх от статического электричества в тех случаях, когда он может быть подключен к каким-либо элементам вне корпуса измерительного прибора, а вывод -Uвх - к общему проводу. Если есть вероятность подключения к внешним цепям и других входов АЦП, их также защищают аналогичными цепями (как это сделано, например, в мультиметре [3] для входа Uвх). Сопротивление защитных резисторов входа Uoep необходимо уменьшить до 51 кОм, иначе время установления показаний прибора будет слишком большим.

  О емкости конденсаторов Cобр и Сакн. В различной литературе рекомендованы следующие значения: для максимального входного напряжения 200 мВ Собр=1 мкф, Сакн=0,47 мкф; то же для Uвх=2В-0,1 и 0,047 мкф. Если в процессе работы напряжение Uобр (подаваемое на выв. 35 и 36) неизменно, то для увеличения точности работы АЦП емкость Собр может быть увеличена в несколько раз относительно указанных значений, а если может* меняться (как, например, в [2,6,7]), емкость заметно увеличивать нежелательно, поскольку это увеличит время установления показаний.

  Емкость конденсатора Сакн существенно влияет на время установления показаний после перегрузки входа преобразователя. Поэтому во всех упоминаемых приборах (кроме термометров [4, 5], где перегрузка практически невозможна) желательно придерживаться рекомендованных выше значений емкости.

  Конденсатор интегратора Синт обязательно должен быть с диэлектриком, обладающим малой абсорбцией, например К71-5, К72-9, К73-16, К73-17. Для уменьшения времени установления показаний в тех случаях, когда на конденсаторах Совр и Сакн напряжение может изменяться, для них желательно использовать такие же конденсаторы. Если же напряжение на них не меняется, допустимо использование керамических конденсаторов, например КМ-6.

  Поскольку принципу двойного интегрирования свойственна нечувствительность к изменению частоты тактирования или скорости интегрирования (в разумных пределах), особых требований к стабильности резистора Rинт и частотозадающих элементов генератора АЦП не предъявляется. Резисторы делителя, определяющего напряжение Uобр, должны быть, разумеется, стабильными.

  Хотелось бы теперь кратко прокомментировать и уточнить выбор некоторых элементов, опубликованных в журнале цифровых измерительных приборов на АЦП КР572ПВ5, опубликованных в журнале "Радио".

  Мультиметр [2]. Емкость конденсатора интегратора СЗ (рис. 1) или сопротивление резистора интегратора R35 можно увеличить вдвое, что избавит от подборки резистора R35. Это также позволит при налаживании установить тактовую частоту (50 кГц) один раз, контролируя частоту сигнала на выходе F (62,5 Гц). Запоминающий конденсатор С2 (Собр) можно использовать керамический КМ-6. Все сказанное относится и к мультиметру [З].

  Измеритель емкости [7]. Емкость конденсатора интегратора С11 (рис. 1) лучше уменьшить до 0,1 мкф, а С 14 (Сакн) - увеличить до 0,22 мкф. Для уменьшения времени установления показаний целесообразно выбрать конденсаторы С 10 (Собр) и С14 с хорошим диэлектриком. Поскольку знак напряжения на входе Uвх АЦП не меняется, конденсатор С10 можно исключить. Для этого верхний по схеме вывод конденсатора С9 следует переключить к выв. 33 микросхемы DD5 (можно не отключая от выв. 36) и поменять между собой проводники к выв. 30 и 31.

  Измеритель RCL [1]. Емкость запоминающего конденсатора С19 (рис. 2) желательно увеличить до 1 мкф, но можно его исключить, соединив нижний по схеме вывод резистора R21 и выв. 35 микросхемы DD10 с ее выв. 32, движок под-строечного резистора - с выв. 33 и, поменяв между собой проводники, к выв. 30 и 31; резистор R22 при этом также исключают.

  И в заключение несколько слов о возможности объединения конструкций. Заманчивость такого объединения состоит в том, что не потребуется к каждому прибору приобретать дорогие микросхему и индикатор, собирать довольно трудоемкий узел. Отметим сразу, что все измерители, кроме [1, З], нечувствительны к тактовой частоте, если она, конечно, выбрана из рекомендованного ряда с соответствующим перерасчетом номиналов элементов. Для перехода с частоты 50 на 40 кГц достаточно увеличить сопротивление резистора интегратора Винт на 20%, для частоты 100 кГц - уменьшить емкость конденсаторов Синт, Собр, Сакн в два раза.

  При сохранении номиналов элементов измерителя RCL [1] и частоты его тактового генератора 40 кГц с ним можно объединить любой другой прибор, кроме измерителя емкости [7]. И наоборот, с измерителем [7] с приведенным выше уточнением для Синт и Сакн и тактовой частотой 100 кГц допустимо объединить любую другую конструкцию, кроме [1].

  При отсутствии АЦП КР572ПВ5 или жидкокристаллического индикатора ИЖЦ5-4/8 описанные здесь измерители можно собрать на КР572ПВ2 и светодиодных цифровых индикаторах с общим анодом, как, например, это сделано в работах [8,9]. Все рекомендации статьи, которую вы сейчас читаете, применимы и для приборов на АЦП КР572ПВ2. Отметим, что в мультиметре [8, 9] применено симметричное питание преобразователя, поэтому выбор номинала Синь=0,1 мкф вполне обоснован.

  В приборах на АЦП КР572ПВ2 для питания светодиодных индикаторов следует применять отдельный источник напряжением 4...5 В на ток около 100 мА. Его минусовой вывод подключают к выв. 21 микросхемы (цифровой общий провод), который не обязательно соединять с общим аналоговым проводом.

  Отметим, что при использовании светодиодных индикаторов их суммарный ток, протекающий через внутренние цепи преобразователя, зависит от индицируемого числа. Поэтому в процессе измерений изменяется температура кристалла микросхемы, что заметно изменяет напряжение трехвольтного источника и снижает точность показаний. Вот почему в мультиметре [8, 9] использован отдельный образцовый источник. О варианте подключения к АЦП КР572ПВ2А вакуумных люминесцентных индикаторов рассказано в [4].

  ЛИТЕРАТУРА
1. Бирюков С. Цифровой измеритель RCL-Радио, 1996, № 3,с.38-41;№ 7,с.62; 1997,№ 7, с. 32.
2. Бирюков С. Цифровой мультиметр. - Радио, 1990, № 9, с. 55-58.
3. Бирюков С. Цифровой мультиметр. - Радио, 1996, № 5, с. 32-34; № 6, с. 32-34; 1997, № 1,с.52;№ 3, с. 54.
4. Цибин В. Цифровой термометр. - Радио, 1996,№ 10,с. 40;1997,№ 4,с.56;1998, N 1.C.50.
5. Бирюков С. Простой цифровой термометр. - Радио, 1997, № 1, с. 40-42.
6. Бирюков С. Простой цифровой мегомметр.-Радио, 1996, No 7,с.32,33;1998,№ 3, с.32.
7. Бирюков С. Цифровой измеритель емкости. - Радио, 1995, № 12, с. 32-34; 1996, № 7,с.62.
8. Бирюков С. Портативный цифровой мультиметр. - В помощь радиолюбителю, вып. 100 - ДОСААФ, 1988. с. 71-90.
9. Бирюков С. Цифровые устройства на МОП интегральных микросхемах. - М.: Радио и связь, 1990:1996 (второе издание).

С. БИРЮКОВ
г. Москва
Радио №8, 1998, с. 61-65
Источник: shems.h1.ru