16- разрядный АЦП на 8-ми разрядном AVR

18/04/2013 - 19:25 Михаил Сизов

Введение

   Поиск в Интернете устройства, которое соответствует заголовку данной статьи, оказался безрезультатным. На Форумах считают, что такое устройство нельзя создать. Однако, в настоящее время изготовлен и испытан макет 16- разрядного АЦП на микроконтроллере (МК) ATmega 16, который входит в состав комерческого продукта.

Описание схемы

   На рисунке 1 показана принципиальная схема АЦП, нарисованная в программе «Proteus 7.7». Программирование МК было выполнено в IAR Embedded Workbench с помощью «Учебного курса» автор: Pashgan на сайте http://chipenable.ru. Проверка работы АЦП была сделана в «железе». Моделирование работы АЦП в Proteus не получилось, причина описана ниже.

 


Рис.1 Принципиальная схема 16-ти разрядного АЦП.

 

   Подробное описание всех элементов (микросхем) схемы можно найти в Интернете, рассмотрим назначение каждого элемента в схеме АЦП.

Микроконтроллер ATmеga 16

   Диаграмма сигналов МК показана на рисунке 2. МК должен формировать 2 синхросигнала фиксированной частоты 122 Гц (16 МГц/65536 = ~122 Гц). Таймер-счётчик МК Т1 работает в «нормальном режиме», без предделителя, с переключением состояния выходов OC1A и OC1B, и формирует на выводах 18 и 19 прямоугольные импульсы, типа «меандр», которые сдвинуты на 90°. Для этого в регистр сравнения OCR1B записывается число, равное половине максимального значения кода таймера Т1. На выходе микросхемы D4B (логический элемент «исключающий ИЛИ») формируются прямоугольные импульсы F1 удвоенной частоты (244 Гц), которые поступают на первый вход (вывод 14) Фазового Детектора (ФД) микросхемы Фазовой Автоподстройки Частоты (ФАПЧ) D2. Передний фронт импульсов F1 всегда совпадает с нулевым кодом таймера Т1. В реальной схеме, из-за задержек в элементах схемы, начальное смещение нулевого кода не превышает 5 единиц младшего разряда (ЕМР) таймера Т1 и должно учитываться при формировании результата преобразования АЦП. В макете АЦП задержка в МК – 2 ЕМР (0,125 мкс) в 2-х элементах D4 – 3 ЕМР (0,15 мкс)



Рис. 2. Диаграмма сигналов МК и микросхем D2 и D4.

   Если в МК ATmtga 16 установить режим «захвата» состояния таймера-счетчика Т1 («capture»), а на вход ICP1 «захвата» подавать прямоугольные импульсы с частотой 244 Гц, передний фронт которых по фазе будет отставать от переднего фронта импульсов F1, то в 16-ти разрядный регистр ICR1 будет считываться 16-ти разрядный код фазового сдвига между передними фронтами импульсов F1 и F0. Выбор условных обозначений для сигналов F1 и F0 связан с логикой работы импульсного ФД микросхемы D2 74HC4046. Передний фронт импульса F1 устанавливает выход ФД (Tx вывод 15 D2) в состояние «Лог.1», а передний фронт импульса F0 в состояние «Лог.0». В Proteus условное обозначение вывода 15 микросхемы D2 «ZENER» отличается от обозначения «PHASE COMPARATOR III», которое приведенное в руководстве по применению микросхемы. На схеме рисунка 1 эта ошибка осталась, т.к. не удалось исправить графическое изображение библиотечного элемента 74HC4046.

   Для решения поставленной задачи: создать 16- разрядный АЦП на 8-ми разрядном AVR, необходимо устройство, которое должно преобразовывать аналоговый сигнал (например, напряжение) в длительность импульсов Тх (фазовый сдвиг между импульсами F1 и F0), среднее напряжение которых равно входному напряжению Ux. Это устройство подробно описано в статье «Преобразователь напряжения в длительность импульса, стабилизированный ФАПЧ» в журнале [1]. Далее в описании будут использованы материалы этой статьи, которые необходимы для объяснения принципа работы АЦП. Для отображения результатов преобразования АЦП применен буквенно-цифровой LCD дисплей ТС1602-А, D5 на рисунке 1.

Микросхема 74НС4046 и операционный усилитель ½ корпуса D3 (AD823)

   Микросхема 74НС4046 и операционный усилитель (ОУ) образуют схему ФАПЧ, на вход которой поступает импульсный сигнал F1. ФАПЧ - это система автоматического регулирования с Отрицательной Обратной Связью (ООС), подстраивающая частоту внутреннего Генератора Управляемого Напряжением (ГУН) так, чтобы его частота Fo была равна частоте входного сигнала F1, рисунок 3. Регулировка осуществляется благодаря наличию отрицательной обратной связи. Выходной сигнал ГУН, прямоугольные импульсы частотой F0, сравнивается на Фазовом Детекторе (ФД) с входным сигналом F1, сигнал фазового рассогласования после фильтрации и усиления используется для подстройки выходной частоты ГУН.


Рис.3 Функциональная схема ФАПЧ.

   Схема ФАПЧ аналогична схеме Операционного Усилителя (ОУ) с той лишь разницей, что входной переменной является фаза колебаний, а частота (скорость изменения фазы) сигналом обратной связи [2].


Рис. 4. Блок схема ФАПЧ.

   В связи с тем, что настройка осуществляется по разности фаз, система является астатической по отношению к частоте: в установившемся режиме частота настройки точно равна частоте входного сигнала (Fo=F1), а фазовый сдвиг устанавливается таким, при котором выходное напряжение ФНЧ (Uгун) обеспечивает равенство частот. При определённых условиях, которые зависят от типа ФНЧ, система ФАПЧ может быть астатической и по фазе. Более подробное описание ФАПЧ, с выводами формул, можно найти в интернете [3], [4] и книгах [5], [6].

   Система ФАПЧ, в основном, используется для частотной и фазовой модуляции и демодуляции, умножения и преобразования частоты, частотной фильтрации или выделения опорного колебания для когерентного детектирования сигналов. Обычно, входным сигналом в устройствах с ФАПЧ является частота. ФАПЧ — это система управления с петлей обратной связи, в которой параметрами регулирования являются частота или фаза сигнала, а не величина его напряжения или тока. В предлагаемом устройстве используется нестандартная схема включения ФАПЧ с дополнительным параметром регулирования по напряжению.

   Введем в стандартную схему ФАПЧ генератор G сигнала F1 с фиксированной частотой и элемент сравнения на входе ФНЧ, который должен сравнивать входное напряжение Ux с выходным сигналом ФД. Изменим начертание функциональной схемы ФАПЧ. На рис.5 представлена функциональная схема преобразователя аналогового сигнала (напряжения Ux) в длительность импульса Tx, Фазо-Импульсная Модуляция (ФИМ) с ФАПЧ.

   Фазовая Модуляция (ФМ) — один из видов модуляции колебаний, где фаза несущего колебания управляется информационным сигналом (периодическое изменение фазы колебаний по определённому закону; медленное по сравнению с периодом колебаний) [7]. Из определения ФМ следует, что имеется генератор синусоидального сигнала, у которого происходит изменение фазы выходного сигнала во времени. Этот вид модуляции используется в радиотехники для передачи информации. ФМ обычно рассматривается для синусоидальных сигналов.


Рис.5 Функциональная схема преобразователя аналогового сигнала Ux в длительность импульса Tx.

   В предлагаемом устройстве применяется фазовая модуляция импульсных сигналов. Если применить импульсный ФД с линейной выходной характеристикой, то мы получим прецизионный преобразователь напряжения Ux в длительность импульса Тх. В этом преобразователе аналоговый входной сигнал Ux сравнивается с выходным сигналом Тх (более точно, со средним значением импульса Тх за период частоты Fo (площадь импульса Тх) со средним значением Ux за тоже время). Наличие ООС и большой коэффициент усиления (Ку) ФНЧ обеспечивают высокую точность преобразования и позволяют снизить требования к точности и стабильности всех элементов схемы, которые охвачены ООС. Аппаратная реализация предлагаемой схемы не сложная задача, в настоящее время выпускается много различных интегральных схем ФАПЧ, например, микросхема CD4046 (отечественные аналоги 1561ГГ1 и 564ГГ1) имеет в своем составе 2 типа ФД, ГУН и дополнительные цепи управления ГУН [3]. Микросхема 74НС4046 функциональный аналог CD4046 имеет 3 типа ФД и может работать на более высоких частотах. На рис.6 показана аппаратная реализация ФНЧ для отрицательных входных напряжений.


Рис.6 Схема ФНЧ для отрицательных входных напряжений.

   ФНЧ выполнен по схеме Пропорционально-Интегриующего фильтра на ОУ (ПИ-фильтр), который сравнивает средние значения сигналов Ux и Tx за период частоты Fo, резисторы R1 и R2 определяют масштабный коэффициент сравнения. Произведение C1*R1 (постоянная времени интегратора Ти) определяет интегрирующий эффект фильтра, резистор R3 обеспечивает устойчивость схемы ФИМ, а отношение R3 к R1 определяет пропорциональный коэффициент фильтра Кп. Если ФД имеет выходную характеристику в области положительных напряжений, то входной сигнал должен иметь отрицательную полярность. Если входной сигнал положительный, то надо использовать дифференциальную схему включения ОУ рис.7. Элементы схемы ФНЧ должны удовлетворять следующему требованию: R3/R1 = R4/R2 и R1*C1 = R2*C2.


Рис.7 Схема ФНЧ для положительных входных напряжений.

   Выходной сигнал ФНЧ управляет генератором (ГУН) таким образом, чтобы частоты сигналов Fo и F1 были равными, а фазовый сдвиг между ними был таким, чтобы выполнялось равенство.

Ux/R1 = (Up/R2)*Tx/T1, (1)

где Up амплитуда импульса Tx (Up напряжение питания ФД);

Т1 = 1/F1 период частоты на которой работает ФАПЧ.

   Применение ПИ-фильтра делает систему ФАПЧ астатической по фазе, это означает, что, если R1=R2, то установившееся значение относительной длительности выходных импульсов преобразователя (Тх/Т1) определяется только отношением Ux/Up и не зависит от параметров других элементов схемы.

Ux/Up = Тх/Т1, (2)

Ux = Up* Tx/T1. (3)


   В формуле (3) известными величинами являются напряжение питания ФД (Up = 5v) и период частоты ФАПЧ Т1 = (1/16 000)*65 536 = 4,096 мс (точное значение частоты F1 = 244,140625 Гц). Чтобы измерить входное напряжение Ux необходимо измерить длительность импульса Тх (фазовый сдвиг между передними фронтами импульсов F1 и F0) и подставить в формулу (3).

Методика расчета элементов схемы ФАПЧ

   Исходным параметром является частота F1, на которой должен работать АЦП с ФАПЧ. Для расчета динамических характеристик систем регулирования используется круговая частота (угловая частота) ω = 2π*F, в [рад/с], размерность фазы ⱷ в [рад]. В установившемся режиме, когда частоты равны F1=F0, выходная характеристика ФД (вывод 15) микросхемы D2 показана на рисунке 8.


Рис. 8 Выходная характеристика ФД.

Коэффициент преобразования ФД (вывод 15 микросхемы D2) Кфд = Up/2 π [В/рад].

ГУН, входящий в состав микросхемы D2, имеет 2 способа (2 входа выводы 9 и 12) управления выходной частотой F0:
- управление напряжением через вход “VCON” (вывод 9), дополнительно к выводу 11 ”R1” подключается резистор, выбор которого описан в руководстве по применению микросхемы ФАПЧ;
- управление током через вход ”R2” (вывод 12), обычно этот вход используется для задания начальной частоты ГУН при отсутствии напряжения на вход “VCON”.

   На схеме рисунка 1 используется 2-ой способ управления частотой ГУН, т.к. в этом случае допускается большой диапазон выходных напряжений ФНЧ, который выполнен на микросхеме ОУ D3A (AD823). Выходное напряжение ОУ, которое может изменяться от минус 15 В до +15В, преобразуется резистором R5 в ток управления частотой ГУН. Выбором номиналов элементов схемы (С2, R4 и R5), ГУН настраивается таким образом, чтобы при нулевом выходном напряжении ФНЧ (Uгун= 0 В), выходная частота ГУН была Fo =244Гц ± 10%, а при Uгун= минус 5 В выходная частота удваивалась Fo=488 Гц ±10%. Это позволяет оптимально использовать весь линейный диапазон выходного напряжения ФНЧ для компенсации всех нелинейных характеристик элементов схемы и сохранять высокую точность преобразования АЦП.


Рис. 9 Выходная характеристика ГУН.


Динамические характеристики ФАПЧ

   Для грамотного применения ФАПЧ необходимо знать статические и динамические характеристики этого устройства. В Интернете [3] и [4] можно найти подробный вывод передаточной функции ФАПЧ для разного исполнения ФНЧ. На рисунке 10 показана блок-схема линейной модели АЦП с ФАПЧ в установившемся режиме, когда, после включения питания, переходный процесс (поиска и захвата частоты F1) закончился F0 = F1. Передаточные функции элементов схемы представлены в операторной форме.



Рис. 10 Блок-схема линейной модели АЦП с ФАПЧ в установившемся режиме.


   Воспользуемся готовой формулой передаточной функции W(p) (математическое описание поведения динамической системы) ФАПЧ, в которой применен ПИ-фильтр [5]. Передаточная функция (4) соответствует колебательному звену 2-го порядка:

(4)


где р – комплексная переменная, которая может быть заменена на jω для построения АФЧХ устройства;


ωп = 2π*Fп – собственная круговая частота полосы пропускания ФАПЧ в [рад/с];

Fп – собственная частота полосы пропускания ФАПЧ в [Гц] (частота переходного процесса контура ФАПЧ);

ξ – коэффициент демпфирования (затухания переходного процесса) ФАПЧ.

   На рис.11 [5] показаны логарифмические АЧХ ФАПЧ в относительных единицах собственной частоты для разных значений коэффициента затухания ξ. Дополнительно, в [5] приведены выражения, которые связывают параметры передаточной функции ФАПЧ с параметрами устройств, входящих в схему преобразователя аналогового сигнала в длительность импульса.

(5)


(6)


где Кфд – постоянная коэффициента передачи ФД (В/рад) ;

Кгун – постоянная коэффициента передачи ГУН (рад/с*В);
Ти = R1*C1 – постоянная времени интегратора ПИ-фильтра (c);
Кп = R3/R1 – пропорциональный коэффициент ПИ-фильтра;



Рис.11 Логарифмические АЧХ звена 2-го порядка.

   АЧХ ФАПЧ соответствует низкочастотному фильтру 2-го порядка с частотой среза ωп (рад/ с) (частотой переходного процесса) и наклоном (ослаблением) 20дб на декаду (6дб/октава). При проектировании преобразователя с ФАПЧ надо выбрать полосу пропускания устройства ωп=2π*Fп и коэффициент демпфирования (затухания) ξ на частотах выше частоты среза.

   Определим расчетные параметры реального АЦП с ФАПЧ, который показан на рисунке 1.

   Запишем параметры элементов реального преобразователя с ФАПЧ в буквенном выражении (см. Рис.8 и рис.9): Кфд = Uр/2π; Кгун = 2πF0/Up; Ти = 1/F0 и F0= F1. Подставим буквенные значения параметров в формулы (5) и (6), получим простые (для инженерной оценки) формулы для расчета динамических характеристик преобразователя с ФАПЧ.

ωп = F0 [рад/ с], (7)

Fп = F0/2π [Гц], (8)

ξ = Кп/2. (9)


   Подставим в формулы (8) и (9) значения реального преобразователя с ФАПЧ, получим следующие значения:

- полоса пропускания преобразователя с ФАПЧ Fп = 244Гц/6,28 = 39 Гц;
- коэффициент демпфирования ξ = 1/2 = 0,5.

   Используя формулы (5) и (6), можно добиться желаемой характеристики переходного процесса преобразования входного сигнала, путем изменения параметров элементов схемы и частоты преобразования F0.

Результаты проверки макета АЦП с ATmega 16

   Для проверки точности преобразования входного напряжения Ux АЦП с ФАПЧ использовался вольтметр В7-38, который отображает измеряемое напряжение 5-тью десятичными разрядами с погрешностью не хуже 0,05% на пределе 2В, с разрешением 0,1мВ и не хуже 0,1% на пределе 20В с разрешением 1мВ.

   Макет АЦП с ФАПЧ имеет предел измерения ~ 6,5B (6553,5мВ), измеряемое напряжение отображается на LCD дисплей (D5) 5-тью десятичными разрядами с разрешением 0,1мВ. Выбор предела измерения связан с максимальным десятичным числом 65 535, которое соответствует максимальному значению двоичного кода таймера-счетчика Т1. Источником опорного напряжения АЦП является напряжение питания микросхемы D2 (74HC4046), которое в макете равно Up = 5,029В (5 029,0 мВ) ( измерено В7-38). Чтобы ЕМР кода таймера-счетчика Т1 равнялась 0,1мВ, необходимо выполнить условие (1), максимальный входной ток Uxmax /R1 , должен быть уравновешен током цепи обратной связи Up/R2 (10).


65536 / R1 = 50290 / R2, (10)

R1 = R2* (65536/50290),

R1 = 1,303* R2,

R1 = 130,3кОм (см Рис.1).

   На схеме рисунка 1 показан переменный резистор RV1 = 1кОм, который включен последовательно с R1 = 130кОм для точной настройки масштабного коэффициента преобразования АЦП. В таблице 1 и на рисунке 12 приведены результаты измерения входного напряжения Ux с помощью макета АЦП с ФАПЧ и вольтметром В7-38. Напряжение Ux [V] задавалось от лабораторного источника питания с встроенным вольтметром. В 1-ом, 2-ом и 3-ем столбцах таблицы 1 приведены показания вольтметров без учета знака (по модулю) для упращения сравнения показаний Ux, В7-38 и АЦП. В 5-том показания LCD дисплея АЦП, а в 4-ом показания АЦП, в которых исключена ошибка в 5 ЕМР, связанная с начальным смещением переднего импульса F1 относительно нулевого кода таймера Т1. В 6-ом и 7-мом столбцах таблицы 1 значения относительных ошибок измерения в [%] вольтметра источника питания относительно В7-38 и показания АЦП относительно В7-38, соответственно. В показаних LCD дисплея отсутствует запятая после 4-го знака, которая должна появиться после доработки программы МК. 


Таблица 1.



Рис.12 Графическое представление результатов проверки АЦП с ФАПЧ.


   В приложении к письму есть файл «Фото АЦПФ.xlsx» с фотографиями, на которых одновременно зафиксированы показания В7-38 и АЦП с ФАПЧ. Видио-ролик об эксперименте имеет большой объём памяти и может быть передан в редакцию, если будет запрос.

Анализ результатов проверки макета АЦП с ATmega 16

• Результаты проверки макета АЦП показывают, что отклонение показаний АЦП от показаний эталонного прибора В7-38 не превышают 0,02%. Это говорит о высокой линейности преобразования входного напряжения в длительность импульса с помощью ФАПЧ.

• Разрешающая способность АЦП, при измерении напряжений более 2-х Вольт, в 10 раз выше, чем у вольтметра В7-38 (0,1мВ у АЦП и 1мВ у вольтметра В7-38).

   Стабильность показаний АЦП не превышает ±ЕМР, это говорит низком уровне собственных шумов метода преобразования напряжения в длительность импульса с помощью ФАПЧ.
   Реально в схеме АЦП с ФАПЧ сравниваются два сигнала разной формы, постоянное напряжение и прямоугольные импульсы, которые можно представить в виде суммы постоянного напряжения Up/2 и бесконечного ряда синусоидальных напряжений (Тригонометрический ряд Фурье [9]), аплитуда которых зависит от длительности импульса Тх, а частоты кратны частоте преобразования АЦП (F1).
   Фильтрующие свойства ФАПЧ подробно описаны в литературе [10]. ФАПЧ является идеальным заграждающим фильтром помех с частотами кратными частоте, на которой работает АЦП. Если во входном сигнале Uх будут присутствовать помехи с частотами F1, 2 F1, 3F1 и т.д., то они будут полностью подавленны, т.к. среднее напряжение (интеграл) этих синусоид за период частоты F1 равно нулю. Передаточная функция (11) такого фильтра показана на рис.13. 



Рис.13 Амплитудно-частотная характеристика фильтра (11).


(11)


   Эта уникальная особенность ФАПЧ объясняется интегрирующим свойством ГУН, выходная частота которого определяется средним напряжением за период рабочей частоты F1. Поэтому возможно сравнение на входе ФНЧ 2-х разных по форме сигналов, постоянного напряжения Ux с импульсным сигналом Tx, при этом шумы в длительности импульса Тх определяются помехами с частотами, которые не кратны рабочей частоте ФАПЧ. Учитывая, что все внутренние процессы МК и АЦП синхронизируются частотой кварцевого генератора МК, то импульсные помехи, создаваемые работой МК, не влияет на стабильность показаний АЦП. Поэтому АЦП с ФАПЧ обеспечивает разрешающую способность 16 двоичных (5 десятичных) разрядов. Разрешающая способность АЦП, встроенного в корпус МК, 10 двоичных (3 десятичных) разрядов, реальная стабильность показаний 8 разрядов, что на 2 порядка хуже чем у АЦП с ФАПЧ. 

Ограничения, которые имеются в АЦП с ФАПЧ, и способы их устранения

• ФД микросхемы ФАПЧ (74НС4046) в режиме Частотного Детектора (ЧД), когда происходит синхронизация ГУН (захват частоты F1=F0), имеет выходную характеристику в соответствии с рисунком 14.



Рис.14 Выходная характеристика 74НС4046 (вывод 15) в режиме ЧД.


   При включении питания (во время переходного процесса) возможена синхронизация схемы ФАПЧ на субгармониках рабочей частоты, напрмер, F0 = 1,5*F1. Синхронизация на субгармониках рабочей частоты возникает, когда входной сигна Ux находится на границе линейного диапазона выходной характеристики ФД (Ux = ~ 0 или Ux = ~ Up). Для устранения такой синхронизации, выходная характеристика ФД в режиме сравнения частот должна иметь релейную характеристику в соответствии с рисунком 15. В режиме сравнения фаз она должна соответствовать рисунку 8.



Рис.15 Выходная, релейная характеристика ФД для АЦП с ФАПЧ в режиме сравнения частот F1и F0.


   Готовые микросхемы ФД с такой характеристикой пока не выпускают, поэтому можно применить схему релейного ФД, которая разработана автором и приведена в приложении к статье. 

• Второе ограничение связано с работой преобразователя напряжения Ux в длительность импульса Tx, кода Ux=0В или Ux=Uр. Выходная характеристика ФД (рисунок 8) имеет периодический характер с периодом 2π, поэтому надо уменьшить (например, на 2%) диапазон входного напряжения по отношенинию напряжению питания ФД [(Ux)max = 0,95Up] и сместить начало отсчета длительности импульса, например, на 1% (см. Рис.16). При отображении результата преобразования АЦП с помощью программы учесть эти изменения в выходной характеристики ФД.



Рис.16 Рабочая область АЦП на выходной характеристике ФД, когда F1= F0.


Заключение

• Нестандартное применение системы ФАПЧ и МК (без встроенного АЦП) позволило создать дешёвый и прецизионный АЦП с высоким разрешением и низким уровнем собственных шумов.

• Предельные значения по быстродействию и разрешающей способности АЦП с ФАПЧ зависят от типа микроконтроллера.

• Если АЦП с ФАПЧ будет широко применяться разработчиками электронных устройств, то предлагаю сокращенное название «АЦПФ». 

• АЦПФ является идеальным заграждающим фильтром помех, которые присутствуют во входном сигнале Ux, если частота помехи равна рабочей частоте преобразователя F1 или кратна этой частоте (2F1, 3F1 и т.д.). Если синхронизировать рабочую частоту МК с частотой сети 50 Гц (применив ВЧ-генратор, делитель и другую систему ФАПЧ), то помехи во входном сигнале Ux на частотах кратных 50 Гц будут подавлены, стабильность показаний повысится.

• Учитывая, что АЦПФ является идеальным заграждающим фильтром помех, можно использовать это устройство для преобразования в цифровой код выходного сигнала, например, индуктивного датчика с Фазо-чувствительным Выпрямителем (ФВ) на выходе. Обычно применяют НЧ-фильтр, чтобы сгладить пульсации выходного напряжения ФВ до уровня требуемой разрешающей способности АЦП. Это вносит большое запаздывание в систему контроля сигнала. Если применить АЦПФ на частоте F1 = Fmod, где Fmod частота модуляции (питания индуктивного датчика), то НЧ-фильтр не требуется, его функцию выполнит само устройство АЦПФ.

• Современная технология ПЛИС (Программируемая Логическая Интегральная Схема) идеально подходит для создания АЦПФ в одном корпусе.

• Первое применение АЦПФ, но без микроконтроллера, которых не было 30 лет назад, автор применил для передачи с высокой точностью аналоговых сигналов через оптронную развязку телеметрических каналов аппаратуры спутника. Попытка получить Авторское Свидетельство на это техническое решение была неудачной. Заявка на Авторское Свидетельство, может быть, еще находится в ГПНТБ.

Историческая справка

   Принцип фазовой автоподстройки частоты (синхронизации) действует в природе повсеместно. Синхронизация была открыта Гюйгенсом в середине 17 века (1650 – 1680 годы), наблюдавшим подстройку периодов часов, висящих на одной стене [11]. Применение Фазовой Автоподстройки Частоты (ФАПЧ) в электронных приборах началось с 1932 года, когда француз Х. де Бельсиз первым описал схему синхронного приема сигналов, которая была проще и элегантнее использовавшейся тогда схемы супергетеродинного приема. Эта схема ФАПЧ на рисунке 17, в которой сигнал обратной связи заставляет управляемый напряжением автогенератор подстраиваться точно на частоту приходящего сигнала, широко применяется во многих современных устройствах обработки и передачи информации[12].


схема ФАПЧ
Рисунок 17. Схема ФАПЧ 1932 год.


Файлы

ADC-PLL-IAR.rar   
ADC-PLL-Proteus.rar
ADC-PLL-foto.rar

Литература

1. «Преобразователь напряжения в длительность импульса, стабилизированный ФАПЧ» журнал «СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА» № 6 2012.
2. П. Хоровиц, У. Хилл. ИСКУССТВО СХЕМОТЕХНИКИ. Перевод с английского под редакцией М.В. ГАЛЬПЕРИНА
3. http://catalog.gaw.ru/index.php?page=document&id=1478
4. http://www.dsplib.ru/content/pll/pll.html
5. «Применение интегральных схем» под редакцией А. Уильямса. Москва «Мир»,
6. У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая Схемотехника, Москва «Мир», 1982 г.
7. http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/2198/ФАЗОВАЯ
8. http://www.radioradar.net/radiofan/measuring_technics/fazom.html
9. 
http://physics.nad.ru/Physics/Cyrillic/harm_txt.htm
10. http://www.kit-e.ru/articles/elcomp/2003_8_92.php
11. Блехман И.И. Синхронизация в природе и технике.
12. "Электроника: прошлое, настоящее, будущее" (Пер. с анг. под ред. чл.-кор. АН СССР В.И.Сифорова ["Мир"; М.; 1980 (296 с.)].

Комментарии   

# frolikum 29.04.2013 06:24
Нельзя не согласится с автором в том что петля обратной связи компенсирует нелинейности и разброс параметров всего контура и дает хороший результат. На личном опыте использования СВ4046 убедился в том что выходная частота ГУНа не линейна по отношению к управляющему напряжению поэтому когда понадобился линейный ГУН пришлось изобретать на дескрете. На данный момент измерения с такой точностью мне не требовалось но ради интереса обязательно соберу как будет время для проверки параметров тем более что на складе 4046 хватает. Автору почтение и наилучшие пожелания.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Neptun 08.05.2013 13:56
Думаю статься только ради интереса что всё будет работать. Я думаю лучше использовать внешиний 16 bit АЦП ,и схема проще и программа,но будет ли дешевле не знаю
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# frolikum 09.05.2013 09:48
Вот для сравнения AS1520 - 2,08 бакса при том что 4046 + 4030 три копейки. А про AD823 не могу этого же сказать, поэтому планирую заменить на простой TL081 и думаю хуже не будет.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Neptun 10.05.2013 06:14
Нужно двухполярное питания,3 внешних микросхемы и обвязка. Виглядит не красиво, да и деталей много,надежност ь падает. Я бы для себе лучше использовал внешнюю микросхему ADC.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Ашим 29.07.2013 14:24
Есть вариант схемы с однополярным питанием.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Prived 30.05.2015 06:37
Лет 25 назад делал студентом прибор на 1816ве35, там вот точно ацп не было.2 операцирнника и кмоп ключи позволяют создать ацп двойного интегрирования с режекцией частоты 50 гц.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# леонид21 08.06.2015 11:35
Заинтересован в реализации такого прибора, прошу автора со мною связаться!
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Ашим 08.06.2015 11:52
леонид21, можете прислать Ваше предложение на мой адрес.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Ашим 08.06.2015 11:54
леонид21, мой адрес vozis1@yandex.ru
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить