Современная электроника №8/2018

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 64 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2018 Повышение разрешающей способности АЦП микроконтроллера EFM8LB12 Часть 1 Метод передискретизации и осреднения, применённый к 14-разрядному АЦП микроконтроллера EFM8LB12F64, позволяет поднять его разрешающую способность до 19 разрядов при темпе вывода результатов до 0,025 с в 8-канальном режиме работы. В первой части статьи приводится подробное описание аппаратной части устройства сопряжения микроконтроллера EFM8LB12F64 с компьютером с помощью изолированных преобразователей USB-SPI на базе микроконтроллера EFM8UB10 и цифровых изоляторов ADUM3160 и SI8662, предназначенного для тестирования АЦП. Алексей Кузьминов (compmicrosys@mail.ru ) В ВЕДЕНИЕ Применение хорошо известного метода передискретизации и осред- нения [1] для увеличения разрешаю- щей способности АЦП к встроенному в микроконтроллер Silicon Laboratories C8051F067 16-разрядному АЦП [2] позволило довести его разрешение до 19 разрядов. Тем самым оказалось воз- можным приблизиться к характери- стикам 24-разрядного ΔΣ -АЦП Texas Instruments ADS1210 при одном и том же темпе вывода результатов (от 0,1 до 1 с). За последние 6 лет цена дан- ных микросхем удвоилась до $60 и $20 соответственно. В связи с этим приме- нение микроконтроллера C8051F067 (далее – F067) могло привести к суще- ственному удорожанию устройства и снижению его конкурентоспособности. В 2016 году компания Silicon Laboratories выпустила новый микроконтроллер EFM8LB12 (далее – LB12), оснащённый 14-разрядным SAR-АЦП. Автором было выполнено несколько эксперименталь- ных работ по использованию данных микроконтроллеров в преобразовате- лях интерфейсов USB-SPI на базе ещё одного микроконтроллера EFM8UB10 (далее – UB10) [3, 4]. В этих экспери- ментах LB12 связывался с микрокон- троллером UB10 по интерфейсу SPI, a UB10 – с компьютером по интерфей- су USB. В настоящее время цена LB12 на порядок ниже, чем у F067, что и яви- лось причиной проведения исследова- ний, представленных в данной статье, с целью выяснить, может ли АЦП LB12 составить конкуренцию АЦП F067. Преимущества LB12 перед F067 состоят не только в его стоимости. Во-первых, этот микроконтроллер имеет в 3 раза бо ′ льшую максималь- ную тактовую частоту (75 МГц), чем у F067 (25 МГц). Это означает, что время расчёта суммы для осреднения резуль- татов АЦП может быть в 3 раза мень- ше. Во-вторых, при максимальной так- товой частоте АЦП 18 МГц время его аналого-цифрового преобразования составляет не более 1,11 мкс, т.е. он спо- собен производить аналого-цифровые преобразования с частотой дискрети- зации 900 кГц. В предыдущих экспери- ментах с F067 эта частота не превыша- ла 400 кГц. Таким образом, АЦП LB12 в 2 раза быстрее АЦП F067. В-третьих, корпус C8051F067-GQ (TQFP-64) име- ет размеры 12 × 12 мм, тогда как кор- пус EFM8LB12F64E (QFN32) – всего 4 × 4 мм, что существенно экономит место на плате устройства и повышает его надёжность. Наконец, LB12 – совре- менный микроконтроллер, имеющий некоторые возможности, отсутствую- щие в F067. Среди них, например, воз- можность подключения таймеров Т3 и T4 одного за другим. Это означает, что источником тактирования Т4 может служить переполнение Т3, что позволя- ет получить 32-разрядный аппаратный таймер и использовать его для измере- ний или заданий точных временны ′ х интервалов. Кроме того, LB12 обору- дован специализированным блоком логики (CLU), позволяющим произво- дить над входными сигналами опера- ции «И», «ИЛИ», а также триггерные и другие операции, что даёт возможность исключить дополнительные аппарат- ные средства и существенно упростить конструкцию устройства. Основным недостатком LB12 являет- ся 14-разрядный АЦП (против 16-раз- рядного АЦП F067). Кроме того, в LB12 реализован несколько иной принцип заполнения ОЗУ (XRAM) результата- ми измерений АЦП (2-байтными сло- вами) без участия процессора микро- контроллера. Если F067 позволяет запи- сать в XRAM сразу 2048 2-байтных слов с помощью устройства прямого досту- па к памяти (DMA), то LB12 может заполнить только буфер из 64 2-байт- ных слов, а для дальнейшего заполне- ния требуется изменить адрес начала в памяти для следующего буфера, т.е. увеличить адрес на 128. Эту операцию необходимо проводить уже с участи- ем процессора микроконтроллера. Дан- ный режим в LB12 называется автоска- нированием. Однако, как будет показа- но далее, за счёт утроенной тактовой частоты LB12 и удвоенного быстродей- ствия АЦП LB12 эти недостатки компен- сируются. Мало того, если максималь- ный темп вывода результатов АЦП по 8 каналам у F067 составляет 0,1 с (т.е. частота вывода результатов не пре- вышает 10 Гц), то темп аналогичного вывода у LB12 может достигать 0,025 с (40 Гц), правда, с несколько увеличен- ной погрешностью (см. далее). А ППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА Схема устройства (см. рис. 1) для тестирования АЦП LB12 не отлича- ется особой сложностью. Расположе- ние выводов микроконтроллера LB12 (DD1), показанное на рисунке 1, про- диктовано следующими соображе- ниями. С одной стороны, необходи- мо минимизировать влияние друг на друга входных и выходных сигналов, подключаемых к выводам микрокон- троллера, а с другой – обеспечить мак- симальное удобство компоновки пери- ферийных устройств, расположенных вокруг него. За конкретное расположе- ние выводов микроконтроллера отве- чает матрица соединений, которая будет подробно описана во второй части статьи. На 1-й вывод (P0.0/Vref) из микро- контроллера выводится внутреннее