Устройство цифровой фильтрации на основе микроконтроллера фирмы AVR ATmega16 (стр. 2 из 3)
- 2 режима работы:
· Режим однократного преобразования,
· Режим циклического преобразования;
- Режим преобразования по автопереключению;
- Прерывание – на завершение преобразования;
- Режим сохранения энергии для обеспечения понижения шумов.
АЦП присоединен к 8-канальному аналоговому мультиплексору, позволяющему использовать любой вывод порта А в качестве входа АЦП. Ниже приведена блок схема АЦП на рис 1.5.
Рис. 1.5 – Блок-схема АЦП
Данного АЦП вполне достаточно для преобразования входного аналогового сигнала в цифровой. Т.к. верхняя граница частотного диапазона, в котором изменяется сигнала, поступающий с выхода аналогового фильтра, составляет 50 Гц. При этом частота дискретизации должна быть не меньше 2fв, а АЦП может обрабатывать сигнал с fт до 200 кГц. При максимальной тактовой частоте АЦП мы получаем высокую точность обработки сигнала, которая достаточна для данных целей.
Точность АЦП оценивается относительной погрешностью δАЦП
где N- число двоичных разрядов 
Наилучшая точность преобразования аналогового сигнала в цифровой код получается, когда используется вся шкала АЦП,т.е. в том случае, когда
Где
это максимально е значение сигнала на аналоговом входе , а 
- шкала АЦП.1.4.2 ФНЧ с частотой среза 100 Гц
На входе АЦП необходимо поставить низкочастотный фильтр для устранений эффекта наложения спектра шумов от цифровой аппаратуры на аналоговый сигнал. ФНЧ пропускает заданный диапазон низких частот (0 до 100 Гц) и подавляет все остальные, которые не входят в этот диапазон.
В качестве ФНЧ используем фильтр Баттерворта 2-го порядка, который обеспечивает затухание вне полосы пропускания равное -40 дБ/дек. Передаточная характеристика определяется следующим выражением:
,где
- коэффициент усиления каскада на нулевой частоте, 
- частота среза , 
- относительная частота.Ниже приведена принципиальная схема ФНЧ, которая реализована на операционном усилителе LF_147.
Рис. 1.6 – Схема электрическая принципиальная ФНЧ
Так как нет необходимости в усиление входного сигнала, то коэффициент усиления α = 1. Частота среза равна
. Зададимся значениями резистора R1 из диапазона (10-100) kОм. Рассчитаем значения остальных элементов фильтра: R2 = R1 = 100 кОм,
1.4.3 ЦАП
АП выбран фирмы MAXIM. Это микросхема МАХ504, которая представляет собой последовательный 10-разряднай ЦАП напряжения. Он имеет следующее характеристики:
- Униполярное питание +5В;
- Буферизованные выходы напряжения;
- Встроенный источник опорного напряжения 2.048 В;
- Относительная погрешность ±0.5 LSB (макс)
- Гарантированная погрешность в диапазоне рабочих температур
- Гибкий диапазон вывода: 0 … Uп;
- Инициализация при подаче питания;
- Время преобразования 25мкс;
- Последовательный вывод данных, с возможностью последовательного соединения устройств в цепь.
Функциональная схема MAX504 приведена на рис 1.8.
Рис 1.8 – Функциональная схема ЦАП MAX504
1.4.4ФНЧ с частотой среза 75 Гц
На выходе ЦАП необходимо поставить низкочастотный фильтр для устранений эффекта наложения спектра шумов от цифровой аппаратуры на аналоговый сигнал. ФНЧ пропускает заданный диапазон низких частот 0 до 75 Гц.
Расчет данного фильтра аналогичен предыдущему фильтру ФНЧ. Передаточная характеристика определяется следующим выражением:
,Ниже приведена принципиальная схема ФНЧ, которая реализована на операционном усилителе LF_147.
Рис. 1.6 – Схема электрическая принципиальная ФНЧ
Так как нет необходимости в усиление входного сигнала, то коэффициент усиления α = 1. Частота среза равна
. Зададимся значениями резистора R1 из диапазона (10-100) kОм. Рассчитаем значения остальных элементов фильтра:R2 = R1 = 100 кОм,
2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ
УСТРОЙСТВА
2.1 Схема включения микроконтроллера
В микроконтроллере ATmega16 используется напряжение 5 В, подаваемое на вход VCC. Для питания АЦП используются вход AVCC, подключаемый к напряжению питания через фильтр низких частот. Вход AREF используется для подключения внешнего фильтрующего конденсатора для повышения помехозащищенности.
Рис.2.1 - Схема подключения питания микроконтроллера
2.2 Формирование тактовых импульсов
Тактировать микроконтроллер можно несколькими способами: использовать внешний тактирующий сигнал, либо подключать внешний кварцевый резонатор или RC-цепочку, либо использовать встроенный генератор с внутренней RC- цепочкой. Всё зависит от той задачи, которую мы решаем. В данном случае нам не нужна особая точность вычислений и нет согласования с другими тактируемыми устройствами, поэтому вполне можно воспользоваться встроенным генератором с внутренней RC- цепочкой.
Использование встроенного RC-генератора с внутренней время задающей RC-цепочкой является наиболее экономичным решением, так как при этом не требуется никаких внешних компонентов.
Внутренний RC-генератора микроконтроллеров семейства мега может работать на нескольких фиксированных частотах.
Частота работы внутреннего RC-генератора определяется значениями битов CKSEL3-0 согласно табл.1.
Табл.2 Режимы работы внутреннего RC-генератора.
В разрабатываемом устройстве высокая частота, а соответственно и высокая скорость работы не нужна, поэтому вполне достаточно будет выбрать частоту тактирования равную 2.0 МГц. Снижение частоты приведёт к уменьшению количества бессмысленных циклов обработки сигналов, а соответственно и к уменьшению энергопотребления.
2.3 Организация сброса
В данном случае нет смысла использовать отдельную кнопку сброса, сброс будет осуществляться по включению питания. При включении устройства подаётся питание на контроллер и автоматически осуществляется сброс, при выключении устройства, просто снимается питание с контроллера.
Для предотвращения сбоев работы контролера и выполнения программы при скачке напряжения, используем встроенную схему сброса при снижении питания BOD, которая отслеживает напряжение питания. Если работа этой схемы разрешена, то при снижении питания ниже некоторого уровня она переводит контроллер в состояние сброса. Когда напряжение вновь увеличится до порогового значения, запускается таймер задержки сброса. После формирования задержки tTOUTвнутренний сигнал сброса снимается и происходит запуск микроконтроллера. Временные диаграммы соответствующие сбросу от схемы BOD, показаны на рис.7.
Рис.2.2 - Временные диаграммы формирования сброса
по снижению питания
Включением/выключением схемы BOD управляет конфигурационная ячейка BODEN. Для разрешения работы схемы эта ячейка должна быть запрограммирована в «0». Порог срабатывания VBOTопределяется состоянием конфигурационной ячейки BODLEVEL, при «1» порог срабатывания 2.7 В, при «0» порог 4 В.
Для уменьшения вероятности ложных срабатываний порог напряжения переключения схемы имеет гистерезис, равный 50 мВ. Кроме того, срабатывание схемы BOD происходит только в том случае, если период провала больше 2 мкс.
Задание длительности задержки сброса tTOUTопределяется значением конфигурационных ячеек, и включает в себя две составляющих: ts– выход нарабочий режим и стабилизация частоты тактового генератора, tr– для установки напряжения питания. При использовании встроенного RC-генератора с внутренней RC-цепочкой при включённой схеме BOD, биты конфигурации SUT1-0 установлены в значение «00», при этом ts= 6 тактов, tr–соответственно не используется.
2.4 Схемы входных и выходных устройств
На вход МК подается аналоговый сигнал с ФНЧ. Сигнал подается на один из выводов порта А, так как АЦП подключен к этим выводам. Для подключения аналогового фильтра будем использовать вывод PA1.