Современная электроника №8/2020

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 48 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2020 (лог. 0) «сообщает» микроконтроллеру, что выбран именно диапазон 0…6 В, и входное напряжение (в программе) будет умножено на 2. Сигнал CALV (3-й вывод разъёма XD) подаётся на неинвертирующий вход операционного усилителя (ОУ) OPA335 (3-й вывод DA2), на котором собран повторитель напряжения: его выход (1-й вывод) соединён с инвер- тирующим входом (4-й вывод). ОУ питается однополярным напряжени- ем +3,5 В: вывод +V (5-й вывод) под- ключён к напряжению +3,5 В, а вывод –V (2-й вывод) заземлён. Конденсатор C3 служит для обеспечения штатного режима работыОУ. ОУ OPA335 облада- ет двумя особенностями. Во-первых, это ОУ с «нулевым» смещением, во-вторых, он является «rail-to-rail input» и «rail-to- rail output», т.е. способен воспринимать входной сигнал от –V до +V и должен воспроизводить выходной сигнал от –V до +V. Что касается входного сигна- ла, то ОУ действительно воспринимает входной сигнал от 0 до +3,5 В, а вот его выходной сигнал на несколько милли- вольт меньше входного при его значе- нии +3,5 В и на несколько милливольт больше входного, если он равен нулю. Но максимальное значение входного сигнала не должно превышать значе- ния выходного напряжения источни- ка опорного напряжения (ИОН), кото- рое составляет +3 В (см. далее), поэтому точно воспроизвести напряжение +3 В ОУ может. А вот точно воспроизвести нулевой потенциал без дополнитель- ных схемных решений ОУ, к сожале- нию, не может. А между тем, например, при калибровке «нуля» АЦПмикрокон- троллера от ОУ может потребовать- ся точное воспроизведение нулевого потенциала при его входном сигнале, равном нулю. Эта проблема решена производителем ОУ. Для точного вос- производства нулевого выходного сиг- нала, при заземлённом входе, к выходу ОУ необходимо подключить резистор в несколько десятков кОм, который сво- им вторым концом должен быть под- ключён к источнику отрицательного напряжения. В справочном листке на ОУ OPA335 указано, что если подклю- чить выход ОУ к потенциалу –5 В через резистор 40 кОм, то ОУ может воспро- извести выходной сигнал, не только равный земляному потенциалу, но и значительно ниже, вплоть до –2 мВ. Но создать отрицательный потенциал –5 В весьма проблематично: для это- го потребуется две батарейки по 3,6 В и стабилизатор на –5 В. Однако если использовать только одну батарейку на 3,6 В, то необходимо номинал рези- стора 40 кОм пропорционально умень- шить в 5/3,5 = 1,43 раза, т.е. до 28 кОм. Ближайший к 28 кОм номинал из ряда Е24 составляет 27 кОм. Ему и равен номинал резистора R8, подключённого между выходом ОУ (1-й и 4-й выводы DA2) и потенциалом –3,5 В (см. рис. 1). При выборе диапазона 0…60 В замы- каются контакты 1–3 и 4–6 тумблера ВК1 (см. рис. 2б). При этом сигналDIAP микроконтроллера DD1 (см. рис. 1) оста- ётся в высокоимпедансном состоянии (лог. 1) в связи с тем, что при инициа- лизации микроконтроллера выбрана опция, при которой к его портам, если они инициализированыкак входы, под- ключаются слаботоковые подтяжки, соединённые с напряжением питания (см. далее). При этоммикроконтролле- ру «сообщается», что входное напряже- ние необходимо умножить на 20. Кро- ме того, сигнал CALV (это вход ОУ DA2) подключается к сигналу × 20 (5-й вывод разъёма XD, рис. 1), который соединён с движком резистора R6 и на котором напряжение в 20 раз меньше входного. Выходной сигнал с повторителя на DA2 через RC-цепочку R9C9 далее поступает на вход АЦП микрокон- троллера (сигнал ADC_IN, 24-й вывод DD1). Цепочка R9C9 – это своеобраз- ный НЧ-фильтр, который обязательно должен присутствовать на входе АЦП, т.е. является штатным при использова- нии любого SAR АЦП. Конденсаторы C10, C11 и C12 слу- жат для исключения наводок на атте- нюаторе, поскольку его входное сопро- тивление составляет чуть более 1 МОм. Даже если исключить сопротивление резистора R6 (которое определяет- ся в процессе настройки – см. далее), входное сопротивление аттенюа- тора будет равно сумме сопротив- лений R3 (560 кОм), R4 (15 кОм), R5 (510 кОм) и R7 (57,6 кОм), что состав- ляет 1142,6 кОм, т.е. заведомо больше 1 мОм. Большое входное сопротивле- ние приводит к тому, что даже прикос- новение к прибору руками отражается на дисплее. При установке конденсато- ров C10 и C12, если на вход вольтме- тра не подано никакого напряжения, на дисплее отражается полный ноль в обоих диапазонах. Конденсатор C11 устанавливается опционально, если в диапазоне 0…60 В при отсутствии напряжения на входе вольтметра на дисплее не отражается полный ноль. Опорное напряжение +3 В для АЦП микроконтроллера формируется ИОН AD780BR (DA1). Наилучшее напряже- ние питания этого ИОН, при котором он имеет минимальную погрешность, согласно справочному листку составля- ет +5 В. Это напряжение формируется стабилизатором LP2950Z5.0 в корпусе TO92 (DA3) из питающего напряже- ния +7 В. Конденсатор C13 служит для обеспечения штатного режима рабо- ты DA3. Потребление тока LP2950Z5.0 составляет около 120 мкА, а его выход- ное напряжение находится в пределах от 4,9 до 5,1 В. Вместо LP2950Z5.0 можно использовать ИОН ADR293GT9 в таком же корпусе. Его потребление тока на порядок ниже (около 11 мкА), а выход- ное напряжение самого низкого клас- са «G» находится в пределах от 4,99 до 5,01 В, что также на порядок точнее, чем у LP2950Z5.0. По стоимости ADR293GT9 всего в 2 раза дороже LP2950Z5.0. Для получения опорного напряже- ния +3 В вывод «2.5/3.0» ИОН AD780 необходимо заземлить (8-й вывод DA1). Конденсаторы C4, C6 и C7 слу- жат для штатной работы DA1, а кон- денсаторы C5 и C8 существенно сни- жают выходной шум ИОН. Выходное напряжение ИОН (сигнал Vref) пода- ётся на вход опорного напряжения микроконтроллера P0.0/Vref (2-й вывод DD1). Кроме того, Vref подаётся на разъ- ём XC1 (1-й вывод), предназначенный для калибровки нуля и полной шкалы АЦП микроконтроллера. На 2-й вывод XC1 подаётся сигнал CALV, 3-й вывод XC1 заземлён. Для калибровки также используется разъём XC2 (см. рис. 2е). Оба разъёма – 3 штыревые с шагом 1,27 мм (PLL-03). Сигнал CAL1 (3-й вывод XC2) подаётся на порт P1.6 микрокон- троллера (11-й вывод DD1) и служит для «сообщения» микроконтроллеру о том, что необходимо включить под- программу калибровки полной шкалы. Сигнал CAL0 (1-й вывод XC2) подаётся на порт P1.5 микроконтроллера (12-й вывод DD1) и предназначен для «сооб- щения» микроконтроллеру о том, что необходимо произвести калибровку нуля АЦП. Порты P1.5 и P1.6 микрокон- троллера назначены (подпрограммой инициализации – см. далее) как цифро- вые входы, в которых включена опция слаботоковых подтяжек к напряжению питания. При калибровке на разъёмы XC1 и XC2 надеваются двухконтактные перемычки. Для калибровки полной шкалы необ- ходимо надеть перемычку на контак-