Биполярный преобразователь напряжения в код
Предлагаемая полезная модель относится к вычислительной технике и может быть использована при преобразовании напряжения в код в цифровых управляющих системах, построенных на основе микроконтроллеров. Биполярный преобразователь напряжения в код содержит микроконтроллер, три резистора и операционный усилитель, выход которого подключен ко входу канала АЦП микроконтроллера и через первый резистор - к собственному инвертирующему входу и первому выводу второго резистора, не инвертирующий выход операционного усилителя подключен к первому выводу третьего резистора. Для увеличения точности преобразования введены два диода Шоттки, коммутатор, нуль-компаратор, D-триггер и устройство выборки и хранения напряжения, аналоговый вход которого является входом устройства, а выход подключен ко второму выводу второго резистора, нуль-компаратору, первому аналоговому входу коммутатора, второй аналоговый вход которого подключен к земле, а выход - ко второму выводу третьего резистора, выход нуль-компаратора подключен к D входу D-триггера, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора и одной линии входного порта микроконтроллера, одна линия выходного порта которого подключена к управляющему входу устройства выборки и хранения напряжения и к С входу D-триггера, анод первого диода Шоттки подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, выход которого подключен к катоду первого диода Шоттки, при этом анод второго диода Шоттки подключен к земле, а его катод - к не инвертирующему входу операционного усилителя.
Предлагаемая полезная модель относится к вычислительной технике и может быть использована при преобразовании напряжения в код в цифровых управляющих системах, построенных на основе микроконтроллеров.
Известны встроенные АЦП микроконтроллера в биполярном режиме (см. Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып.1 / С.М. Рюмик - М: Додека-XXI, 2010, стр.83, рис.3.5 з.) содержащие микроконтроллер, два резистора, конденсатор и развязывающий усилитель, вход которого является входом устройства, а выход подключен через первый резистор ко входу первого канала АЦП микроконтроллера, первому выводу конденсатора и первому выводу второго резистора, второй вывод которого подключен к шине напряжения смещения, при этом второй вывод конденсатора подключен к земле.
Недостатком устройства является низкая точность из-за необходимости смещения входного напряжения для приведения биполярного диапазона входного напряжения к однополярному диапазону АЦП микроконтроллера.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является встроенный АЦП микроконтроллера в биполярном режиме (см. Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып.1 / С.М.Рюмик - М: Додека-XXI, 2010, стр.82, рис.3.5 г.) содержащий микроконтроллер, три операционных усилителя, пять резисторов и конденсатор, при этом выход первого операционного усилителя подключен ко входу первого канала АЦП микроконтроллера и через первый резистор к собственному инвертирующему входу и первому выводу второго резистора, вывод напряжения опоры микроконтроллера подключен к не инвертирующему входу второго операционного усилителя, выход которого подключен к собственному инвертирующему входу и второму выводу второго резистора, не инвертирующий вход третьего операционного усилителя является входом устройства, а его выход подключен к собственному инвертирующему входу и через третий резистор - к не инвертирующему входу первого операционного усилителя и первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого подключен к земле, при этом вход устройства подключен к первым выводам конденсатора и пятого резистора, вторые выводы которых подключены к земле.
Недостатком устройства является низкая точность из-за необходимости смещения входного напряжения для приведения биполярного диапазона входного напряжения к однополярному диапазону АЦП микроконтроллера.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение точности преобразования за счет добавления знакового разряда путем фиксации знака входного напряжения устройства и формирования с его помощью модуля входного напряжения в полном диапазоне входного напряжения АЦП микроконтроллера для положительного и отрицательного напряжений.
Сущность полезной модели состоит в том, что биполярный преобразователь напряжения в код содержит микроконтроллер, три резистора и операционный усилитель, выход которого подключен ко входу канала АЦП микроконтроллера и через первый резистор - к собственному инвертирующему входу и первому выводу второго резистора, не инвертирующий выход операционного усилителя подключен к первому выводу третьего резистора.
Новым в предлагаемой полезной модели является то, что введены два диода Шоттки, коммутатор, нуль-компаратор, D-триггер и устройство выборки и хранения напряжения, аналоговый вход которого является входом устройства, а выход подключен ко второму выводу второго резистора, нуль-компаратору, первому аналоговому входу коммутатора, второй аналоговый вход которого подключен к земле, а выход - ко второму выводу третьего резистора, выход нуль-компаратора подключен к D входу D-триггера, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора и одной линии входного порта микроконтроллера, одна линия выходного порта которого подключена к управляющему входу устройства выборки и хранения напряжения и к С входу D-триггера, анод первого диода Шоттки подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, выход которого подключен к катоду первого диода Шоттки, при этом анод второго диода Шоттки подключен к земле, а его катод - к не инвертирующему входу операционного усилителя.
Введение новых узлов и связей обеспечило увеличение точности биполярного преобразователя напряжения в код за счет добавления знакового разряда к разрядам АЦП микроконтроллера.
На фиг.1 представлена схема биполярного преобразователя напряжения в код.
Устройство содержит микроконтроллер 1, операционный усилитель 2, выход которого подключен ко входу канала АЦП микроконтроллера 1 и через первый резистор 3 - к собственному инвертирующему входу и первому выводу второго резистора 4. Выход устройства выборки и хранения напряжения 5, аналоговый вход которого является входом устройства, подключен ко второму выводу второго резистора 4, ко входу нуль-компаратора 6 и первому аналоговому входу коммутатора 7, второй аналоговый вход которого подключен к земле, а выход и через третий резистор 8 - к катоду первого диода Шоттки 9 и не инвертирующему входу операционного усилителя 2, анод второго диода Шоттки 10 подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 2, выход которого подключен к катоду второго диода Шоттки 10, анод первого диода Шоттки 9 подключен к земле. Выход нуль-компаратора 6 подключен к D входу D-триггера 11, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора 7 и к одной линии входного порта микроконтроллера 1, одна линия выходного порта которого подключена к управляющему входу устройства выборки и хранения напряжения 5 и С входу D-триггера 11.
Биполярный преобразователь напряжения в код функционирует следующим образом. При наличии на линии выходного порта микроконтроллера 1 единичного логического уровня, подаваемого на управляющий вход устройства выборки и хранения напряжения 5, последнее будет повторять входное напряжение устройства Uвх.
Если напряжение положительное, а коммутатор 7 от предыдущего преобразования подключает резистор 8 к выходу устройства выборки и хранения напряжения 5, операционный усилитель 2 будет работать в не инвертирующем режиме как повторитель напряжения.
Если напряжение положительное, а коммутатор 7 от предыдущего преобразования подключает резистор 8 к земле, операционный усилитель 2 будет работать в инвертирующем режиме с ограничением на уровне Uvd1, где Uvd1 - прямое падение напряжение на диоде Шоттки 10, не превышающее 0,25 В при надлежащем выборе диода Шоттки 10 и резистора 4.
Если напряжение отрицательное, а коммутатор от предыдущего преобразования подключает резистор 8 к земле, операционный усилитель 2 будет работать как инвертирующй повторитель, т.к. резисторы 3 и 4 выбираются равными (R1=R2). На входе канала АЦП микроконтроллера 1 будет штатное положительное напряжение, равное по модулю входному отрицательному.
Если напряжение отрицательное, а коммутатор от предыдущего преобразования подключает резистор 8 к выходу устройства выборки и хранения напряжения 5, операционный усилитель 2 будет работать в не инвертирующем режиме как повторитель напряжения, если входное напряжение будет менее Uvd2, где Uvd2 - прямое падение напряжение на диоде Шоттки 9, не превышающее 0,25 В при надлежащем выборе диода Шоттки 9 и резистора 8. Когда входное напряжение станет более отрицательным, чем Uvd2, потенциал на не инвертирующем входе операционного усилителя 2 зафиксируется на уровне 0,25 В (при надлежащем выборе диода Шоттки 9 и резистора 3) и операционный усилитель 2 начнет инвертировать входное напряжение, т.е. на входе АЦП микроконтроллера 1 появится положительное напряжение, не выходящее за диапазон допустимого.
Таким образом, на входе канала АЦП микроконтроллера 1 не появится напряжение большее по модулю -0,25 В, которое не влияет на точность преобразования выбранного и других каналов.
Перед началом преобразования на линию выходного порта микроконтроллера 1 выдается сигнал нулевого логического уровня, устройство выборки и хранения напряжения 5 переходит в режим хранения и на его выходе напряжение фиксируется на время преобразования, а также фиксируется в D-триггере 11 значение знака входного напряжения, определяемого нуль-компаратором 6.
Если было зафиксировано положительное напряжение, т.е. зафиксировалось в D-триггере нулевое значение нуль-компаратора 6, коммутатор 7 подключит резистор 8 к выходу устройства выборки и хранения напряжения 5, операционный усилитель 2 будет работать в не инвертирующем режиме как повторитель напряжения. Микроконтроллер 1 считывает нулевой код знакового разряда через линию входного порта микропроцессора 1 и приписывает к нему код, полученный в результате преобразования.
Если было зафиксировано отрицательное напряжение, т.е. зафиксировалось в D-триггере 11 единичное значение нуль-компаратора 6, коммутатор 7 подключит резистор 8 к земле, операционный усилитель 2 будет работать как инвертирующий повторитель напряжения. Микроконтроллер 1 считывает единичный код знакового разряда через линию входного порта микропроцессора 1 и приписывает к нему код, полученный в результате преобразования, в дополнительном коде.
Таким образом, введенные узлы и связи повышают точность за счет добавления знакового разряда путем фиксации знака входного напряжения устройства и формирования с его помощью модуля входного напряжения в полном диапазоне входного напряжения АЦП микроконтроллера для положительного и отрицательного входных напряжений устройства.
Биполярный преобразователь напряжения в код, содержащий микроконтроллер, три резистора и операционный усилитель, выход которого подключен ко входу канала АЦП микроконтроллера и через первый резистор - к собственному инвертирующему входу и первому выводу второго резистора, не инвертирующий выход операционного усилителя подключен к первому выводу третьего резистора, отличающийся тем, что введены два диода Шоттки, коммутатор, нуль-компаратор, D-триггер и устройство выборки и хранения напряжения, аналоговый вход которого является входом устройства, а выход подключен ко второму выводу второго резистора, нуль-компаратору, первому аналоговому входу коммутатора, второй аналоговый вход которого подключен к земле, а выход - ко второму выводу третьего резистора, выход нуль-компаратора подключен к D входу D-триггера, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора и одной линии входного порта микроконтроллера, одна линия выходного порта которого подключена к управляющему входу устройства выборки и хранения напряжения и к C входу D-триггера, анод первого диода Шоттки подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, выход которого подключен к катоду первого диода Шоттки, при этом анод второго диода Шоттки подключен к земле, а его катод - к не инвертирующему входу операционного усилителя.
