Procesor ADuC7026 źródłem programowalnych napięć do badań układów wymagających różnych napięć zasilania
Xie, S.; Wei, S.; Croke, C.
Wstęp
Wysokonapięciowe przełączniki, przetworniki A/D z wejściem bipolarnym i inne układy zasilane kilkoma różnymi napięciami często potrzebują, aby te napięcia były włączane bądź wyłączane w szczególnej kolejności. W tym artykule zaproponowano prostą i niedrogą metodę określania zachowania systemu, kiedy podlega on zanikom, przerwom czy zmianom zasilania. Przykładem układu zasilanego wieloma różnymi napięciami jest AD7656-1 (Tab. 1.), 16-bitowy, 6 kanałowy, symultanicznie próbkujący przetwornik analogowo-cyfrowy o bipolarnym wejściu i „wydajności” 250 kSPS. Cztery 12-bitowe przetworniki D/A mikroprocesora ADuC7026 stanowią źródło programowalnych napięć. Używając płytek ewaluacyjnych dla układów A7656-1 i ADuC7026 prototypowanie można rozpocząć bez zbędnych nakładów sprzętowych i software’owych.
Tab. 1. Typowe wartości napięć zasilania i prądów dla układu AD7656-1
W Tab. 1. zebrano typowe napięcia i maksymalne prądy dla każdego z bloków zasilania przetwornika A/D. Programowo sterowane sekwencje zmian napięć są generowane przez cztery przetworniki D/A procesora ADuC7026 i skalowane przez ultraniskoszumne wzmacniacze o niskich zniekształceniach AD797, znajdujące się na płytce ewaluacyjnej układu AD7656-1, aby zapewnić określone wartości napięć i prądów. Prędkość i możliwość łatwego przeprogramowania mikrokontrolera ułatwiają kontrolę wartości napięcia, okresu, szerokości impulsu i czasu narastania.
Dla przykładu, używając zewnętrznego zasilania, wzmacniacz AD797 na płytce ewaluacyjnej układu AD7656-1, ustawiony na wzmocnienie równe 5, może generować napięcia z zakresu od 0 do 12,5V celem zasilania szyny VDD przetwornika A/D. Wysoka sprawność wyjścia wzmacniacza AD797 umożliwia dostarczanie prądów rzędu 50 mA do każdej z szyn zasilania. Na Rys. 1. pokazano schemat połączeń przetwornika A/D.
Rys. 1. Schemat połączeń układu AD7656-1
Rejestr DAC procesora ADuC7026 może być odświeżany z częstotliwością 7 MHz przy taktowaniu rdzenia 41,78 MHz, co znacznie zwiększa szybkość zmian napięcia. W następnej części zostanie opisany proces przygotowania urządzenia i wyniki pomiarów napięć uzyskanych za jego pomocą.
Część sprzętowa i konfiguracja
Część sprzętowa i konfiguracja testowa zostały pokazane na Rys. 2. 4 wyjścia przetwornika D/A i masy analogowej AGND układu ADuC7026 zostały połączone odpowiednio do 4 wzmacniaczy AD797 na płytce ewaluacyjnej AD7656-1. Zewnętrzny zasilacz Agilent E3631A dostarcza napięć ±15V dla układów AD797. Komputer połączony przez port USB do płytki procesora ADuC7026 umożliwia komunikację szeregową z układem i dostarcza napięcia 5V.
Rys. 2. Układ testowy i sposób połączeń
Schemat
Jedyne zmiany sprzętowe są niezbędne na płytce ewaluacyjnej AD7656-1 wzmacniacza AD797. W zależności od potrzebnego wzmocnienia i pasma można dobrać różne wartości R1 i R2. Rys. 3. pokazuje wzmacniacz ustawiony na wzmocnienie równe 4, dostarczający napięć od 0 do 10 V przy napięciach wejściowych (pochodzących z przetwornika D/A procesora ADuC7026) w zakresie od 0 do 2,5V. Elementy R3 i C1 stanowią filtr dolnoprzepustowy redukujący szumy o wysokiej częstotliwości. CL jest używany jako kondensator obciążający daną szynę zasilania.
Rys. 3. Schemat wzmacniacza z układem AD797, wzmocnienie równe 4
Rys. 4. przestawia charakterystykę częstotliwościową wzmacniacza AD797 ze wzmocnieniem równym 4, uzyskaną poprzez symulację w programie NI Multisim™. 1-megahertzowe pasmo i zapas fazy wynoszący 73° zapewniają stabilną pracę i niską charakterystykę czasową.
Rys. 4. Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza AD797 ze wzmocnieniem równym 4
AD979 – wskazówki konstrukcyjne
Ultraniskoszumy wzmacniacz o niskich zniekształceniach AD797 cechuje się maksymalną wartością napięcia niezrównoważenia wynoszącą 80 µV, doskonałą precyzją, czasem regulacji 800 ns (do 16 bitów), 50 mA obciążalnością wyjścia, zakresem napięć wyjściowych ±13V przy zasilaniu symetrycznym ±15V, co czyni ten układ doskonałym do generowania napięć zasilających.
Wzmacniacz nie jest wewnętrznie skompensowany do pracy ze znacznymi obciążeniami pojemnościowymi, więc niezbędne jest zastosowanie kompensacji zewnętrznej celem uzyskania optymalnej pracy urządzenia. Rys. 5. przedstawia oscylacje napięcia na wyjściu układu AD797 spowodowane dużymi obciążeniami pojemnościowymi.
Rys. 5. Oscylacje bez kompensacji
Dla zapewnienia stabilnej pracy z obciążeniami pojemnościowymi na szynach zasilania, rezystor R4 został włączony pomiędzy wyjście wzmacniacza a obciążenie. Rezystor izoluje wyjście wzmacniacza i pętlę sprzężenia zwrotnego od wpływu obciążenia pojemnościowego i zeruje funkcję przejścia toru sprzężenia zwrotnego, ograniczając przesunięcia fazowe dla wyższych częstości. Kondensator sprzęgający C2 kompensuje obciążenia pojemnościowe (w tym to spowodowane obecnością kondensatora C1) na wejściu wzmacniacza operacyjnego.
Używanie przetworników D/A
Precyzyjny mikrokontroler ADuC7026 zawiera cztery 12-bitowe przetworniki D/A z wyjściami typu rail-to-rail, trzema definiowalnymi zakresami i 10 µs czasem regulacji.
Każdy przetwornik D/A posiada trzy wybieralne zakresy: od 0 V do VREF (wewnętrzne źródło napięcia odniesienia 2,5 V), 0 V do DACREF (0 V do AVDD) i od 0 V do AVDD. Zakres jest ustawiany poprzez zapis do rejestru DACxCON. Przetwornik może współpracować z zewnętrznym źródłem napięcia odniesienia (od 0 V do AVDD). Kiedy używane jest wewnętrzne źródło napięcia odniesienia, kondensator 0,47 µF musi być podłączony pomiędzy piny VREF i AGND, aby zapewnić większą stabilność pracy przetwornika.
Każdy z czterech przetworników D/A jest niezależnie konfigurowalny przez rejestr kontrolny DACxCON i rejestr danych DACxDAT. Kiedy przetwornik jest skonfigurowany przez rejestr DACxCON, dane mogą być zapisywane do rejestru DACxDAT celem ustalenia żądanego poziomu napięcia wyjściowego.
Każdy z czterech przetworników może być łatwo oprogramowany w języku C lub w assemblerze. Przykład kodu w C pokazuje jak wybrać wewnętrzne, 2,5-woltowe źródło napięcia odniesienia:
Przykład w assemblerze:
Wykonanie tych dwu instrukcji zajmuje 6 cykli zegarowych, przy taktowaniu rdzenia 41,78 MHz i częstotliwości odświeżania 7 MHz – przez co czas między kolejnymi zmianami napięcia wyjściowego może zostać oszacowany na 144 ns.
Wyniki pomiarów
Cztery przetworniki D/A procesora ADuC7026 generują cztery napięcia zasilania dla układu AD7656-1, aby zbadać jego zachowanie podczas zaników zasilania lub sekwencyjnego podawania napięć. Tab. 2. pokazuje sposoby zasilania i napięcia podawane na układ przetwornika A/D.
Tab. 2. Sposoby zasilania układu AD7656-1
Przebiegi napięcia z 4 przetworników D/A, tak jak opisano je w Tab. 2., zostały przedstawione na oscylogramie (Rys. 6.). Poziom napięcia, okres, szerokość impulsu i czas narastania każdego kanału jest łatwo ustawialny i kontrolowalny. Szczególne parametry zostały zmierzone i opisane w następujących sekcjach.
Rys. 6. Przebiegi napięć
Aby uzyskać dokładne poziomy napięć każdej szyny zasilania, w miejsce R1 można zastosować potencjometr (Rys. 3.). Poziom napięcia był kalibrowany przy pomocy potencjometru R1 z użyciem cyfrowego multimetru Agilent 34401A.
Czas narastania i opadania impulsu napięcia został zmierzony, aby określić możliwą osiągalną częstotliwość zmian napięcia. Czas narastania jest związany z wartością rezystora R4 i obciążenia pojemnościowego CL. Dla uzyskania wolniejszych czasów narastania, mogą zostać zastosowane większe wartości elementów R4 i CL. Czasy narastania i opadania napięcia AVCC i DVCC były mierzone dla różnych wartości obciążeń pojemnościowych – rezultaty pokazano w Tab. 3. Przebieg narastania napięcia z użyciem kondensatora 1 µF został pokazany na Rys. 7. Czas narastania mierzony jest pomiędzy 10% a 90% napięcia 10V.
Tab. 3. Czasy narastania przy obciążeniu pojemnościowym
Rys. 7. Czas narastania przy obciążeniu pojemnościowym 1 µF
Tętnienia napięcia
Doskonała precyzja wzmacniacza AD797 powoduje, iż dostarczane są dokładne napięci zasilania dla układu AD7656-1, kalibrowane rezystorem R1 w pętli sprzężenia zwrotnego. Wartość międzyszczytowe tętnień napięć zasilania była określana dla napięć nominalnych z użyciem pasma 200 MHz i 20 MHz i obciążeniem pojemnościowym 0,1 µF przy użyciu oscyloskopu DS1204B. Tab. 4. ukazuje, iż tętnienia są mniejsze niż 1% nominalnej wartości napięcia, więc wszystkie cztery źródła zasilania okazują się sprawne.
Tab. 4. Tętnienia dla każdej z szyn zasilania
Rys. 8. Tętnienia zasilania +5V na szynach AVCC i DVCC
Generowanie przebiegów
Poprzez proste modyfikacje kodu procesora ADuC7026, można wygenerować wiele różnych przebiegów napięcia, które przysłużą się do badania pracy różnorakich urządzeń pod zmieniającymi się napięciami zasilania. Typowe przebiegi, które mogą zostać wygenerowane, pokazano na Rys. 9. oraz Rys. 10.
Rys. 9. Przebieg prostokątny 22,32 kHz
Rys. 10. Impulsy o częstości 13,16 kHz
LabVIEW GUI (pokazany na Rys. 11.) może być użyty do obsługi generowania przebiegów napięcia. Poziom napięcia, czas narastania, okres i czas pomiędzy sekwencjami dla każdego z czterech kanałów może być łatwo ustalony. Do komunikacji oprogramowania z procesorem ADuC7026 używany jest port szeregowy.
Rys. 10. Konfiguracja napięć za pomocą LabVIEW GUI
Podsumowanie
Prosty i niedrogi zestaw do badania wpływu sekwencjonowania napięć zasilania układów został przygotowany i sprawdzony przy użyciu płytek ewaluacyjnych dla układów AD7656-1 i ADuC7026. Płytka ewaluacyjna procesora ADuC7026 posłużyła do generowania kontrolowalnych sekwencji napięć zasilających, aby zbadać warunki pracy przetwornika A/D pod wpływem różnych sekwencji i czasów narastania napięć zasilania. 3-fazowy, 16-bitowy generator PWN mikrokontrolera może dostarczać w sumie 7 różnych napięć.
Używając typowego zasilacza DC o napięciu ±15V, przenośny system zasilania pozwoli projektantom ewaluować systemy z przetwornikami A/D, zwłaszcza tymi wymagającymi wielu różnych napięć zasilania.
Źródło
Xie, S.; Wei, S.; Croke, C.
Wstęp
Wysokonapięciowe przełączniki, przetworniki A/D z wejściem bipolarnym i inne układy zasilane kilkoma różnymi napięciami często potrzebują, aby te napięcia były włączane bądź wyłączane w szczególnej kolejności. W tym artykule zaproponowano prostą i niedrogą metodę określania zachowania systemu, kiedy podlega on zanikom, przerwom czy zmianom zasilania. Przykładem układu zasilanego wieloma różnymi napięciami jest AD7656-1 (Tab. 1.), 16-bitowy, 6 kanałowy, symultanicznie próbkujący przetwornik analogowo-cyfrowy o bipolarnym wejściu i „wydajności” 250 kSPS. Cztery 12-bitowe przetworniki D/A mikroprocesora ADuC7026 stanowią źródło programowalnych napięć. Używając płytek ewaluacyjnych dla układów A7656-1 i ADuC7026 prototypowanie można rozpocząć bez zbędnych nakładów sprzętowych i software’owych.
Tab. 1. Typowe wartości napięć zasilania i prądów dla układu AD7656-1
W Tab. 1. zebrano typowe napięcia i maksymalne prądy dla każdego z bloków zasilania przetwornika A/D. Programowo sterowane sekwencje zmian napięć są generowane przez cztery przetworniki D/A procesora ADuC7026 i skalowane przez ultraniskoszumne wzmacniacze o niskich zniekształceniach AD797, znajdujące się na płytce ewaluacyjnej układu AD7656-1, aby zapewnić określone wartości napięć i prądów. Prędkość i możliwość łatwego przeprogramowania mikrokontrolera ułatwiają kontrolę wartości napięcia, okresu, szerokości impulsu i czasu narastania.
Dla przykładu, używając zewnętrznego zasilania, wzmacniacz AD797 na płytce ewaluacyjnej układu AD7656-1, ustawiony na wzmocnienie równe 5, może generować napięcia z zakresu od 0 do 12,5V celem zasilania szyny VDD przetwornika A/D. Wysoka sprawność wyjścia wzmacniacza AD797 umożliwia dostarczanie prądów rzędu 50 mA do każdej z szyn zasilania. Na Rys. 1. pokazano schemat połączeń przetwornika A/D.
Rys. 1. Schemat połączeń układu AD7656-1
Rejestr DAC procesora ADuC7026 może być odświeżany z częstotliwością 7 MHz przy taktowaniu rdzenia 41,78 MHz, co znacznie zwiększa szybkość zmian napięcia. W następnej części zostanie opisany proces przygotowania urządzenia i wyniki pomiarów napięć uzyskanych za jego pomocą.
Część sprzętowa i konfiguracja
Część sprzętowa i konfiguracja testowa zostały pokazane na Rys. 2. 4 wyjścia przetwornika D/A i masy analogowej AGND układu ADuC7026 zostały połączone odpowiednio do 4 wzmacniaczy AD797 na płytce ewaluacyjnej AD7656-1. Zewnętrzny zasilacz Agilent E3631A dostarcza napięć ±15V dla układów AD797. Komputer połączony przez port USB do płytki procesora ADuC7026 umożliwia komunikację szeregową z układem i dostarcza napięcia 5V.
Rys. 2. Układ testowy i sposób połączeń
Schemat
Jedyne zmiany sprzętowe są niezbędne na płytce ewaluacyjnej AD7656-1 wzmacniacza AD797. W zależności od potrzebnego wzmocnienia i pasma można dobrać różne wartości R1 i R2. Rys. 3. pokazuje wzmacniacz ustawiony na wzmocnienie równe 4, dostarczający napięć od 0 do 10 V przy napięciach wejściowych (pochodzących z przetwornika D/A procesora ADuC7026) w zakresie od 0 do 2,5V. Elementy R3 i C1 stanowią filtr dolnoprzepustowy redukujący szumy o wysokiej częstotliwości. CL jest używany jako kondensator obciążający daną szynę zasilania.
Rys. 3. Schemat wzmacniacza z układem AD797, wzmocnienie równe 4
Rys. 4. przestawia charakterystykę częstotliwościową wzmacniacza AD797 ze wzmocnieniem równym 4, uzyskaną poprzez symulację w programie NI Multisim™. 1-megahertzowe pasmo i zapas fazy wynoszący 73° zapewniają stabilną pracę i niską charakterystykę czasową.
Rys. 4. Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza AD797 ze wzmocnieniem równym 4
AD979 – wskazówki konstrukcyjne
Ultraniskoszumy wzmacniacz o niskich zniekształceniach AD797 cechuje się maksymalną wartością napięcia niezrównoważenia wynoszącą 80 µV, doskonałą precyzją, czasem regulacji 800 ns (do 16 bitów), 50 mA obciążalnością wyjścia, zakresem napięć wyjściowych ±13V przy zasilaniu symetrycznym ±15V, co czyni ten układ doskonałym do generowania napięć zasilających.
Wzmacniacz nie jest wewnętrznie skompensowany do pracy ze znacznymi obciążeniami pojemnościowymi, więc niezbędne jest zastosowanie kompensacji zewnętrznej celem uzyskania optymalnej pracy urządzenia. Rys. 5. przedstawia oscylacje napięcia na wyjściu układu AD797 spowodowane dużymi obciążeniami pojemnościowymi.
Rys. 5. Oscylacje bez kompensacji
Dla zapewnienia stabilnej pracy z obciążeniami pojemnościowymi na szynach zasilania, rezystor R4 został włączony pomiędzy wyjście wzmacniacza a obciążenie. Rezystor izoluje wyjście wzmacniacza i pętlę sprzężenia zwrotnego od wpływu obciążenia pojemnościowego i zeruje funkcję przejścia toru sprzężenia zwrotnego, ograniczając przesunięcia fazowe dla wyższych częstości. Kondensator sprzęgający C2 kompensuje obciążenia pojemnościowe (w tym to spowodowane obecnością kondensatora C1) na wejściu wzmacniacza operacyjnego.
Używanie przetworników D/A
Precyzyjny mikrokontroler ADuC7026 zawiera cztery 12-bitowe przetworniki D/A z wyjściami typu rail-to-rail, trzema definiowalnymi zakresami i 10 µs czasem regulacji.
Każdy przetwornik D/A posiada trzy wybieralne zakresy: od 0 V do VREF (wewnętrzne źródło napięcia odniesienia 2,5 V), 0 V do DACREF (0 V do AVDD) i od 0 V do AVDD. Zakres jest ustawiany poprzez zapis do rejestru DACxCON. Przetwornik może współpracować z zewnętrznym źródłem napięcia odniesienia (od 0 V do AVDD). Kiedy używane jest wewnętrzne źródło napięcia odniesienia, kondensator 0,47 µF musi być podłączony pomiędzy piny VREF i AGND, aby zapewnić większą stabilność pracy przetwornika.
Każdy z czterech przetworników D/A jest niezależnie konfigurowalny przez rejestr kontrolny DACxCON i rejestr danych DACxDAT. Kiedy przetwornik jest skonfigurowany przez rejestr DACxCON, dane mogą być zapisywane do rejestru DACxDAT celem ustalenia żądanego poziomu napięcia wyjściowego.
Każdy z czterech przetworników może być łatwo oprogramowany w języku C lub w assemblerze. Przykład kodu w C pokazuje jak wybrać wewnętrzne, 2,5-woltowe źródło napięcia odniesienia:
Code: c
Log in, to see the code
Przykład w assemblerze:
Code: armasm
Log in, to see the code
Wykonanie tych dwu instrukcji zajmuje 6 cykli zegarowych, przy taktowaniu rdzenia 41,78 MHz i częstotliwości odświeżania 7 MHz – przez co czas między kolejnymi zmianami napięcia wyjściowego może zostać oszacowany na 144 ns.
Wyniki pomiarów
Cztery przetworniki D/A procesora ADuC7026 generują cztery napięcia zasilania dla układu AD7656-1, aby zbadać jego zachowanie podczas zaników zasilania lub sekwencyjnego podawania napięć. Tab. 2. pokazuje sposoby zasilania i napięcia podawane na układ przetwornika A/D.
Tab. 2. Sposoby zasilania układu AD7656-1
Przebiegi napięcia z 4 przetworników D/A, tak jak opisano je w Tab. 2., zostały przedstawione na oscylogramie (Rys. 6.). Poziom napięcia, okres, szerokość impulsu i czas narastania każdego kanału jest łatwo ustawialny i kontrolowalny. Szczególne parametry zostały zmierzone i opisane w następujących sekcjach.
Rys. 6. Przebiegi napięć
Aby uzyskać dokładne poziomy napięć każdej szyny zasilania, w miejsce R1 można zastosować potencjometr (Rys. 3.). Poziom napięcia był kalibrowany przy pomocy potencjometru R1 z użyciem cyfrowego multimetru Agilent 34401A.
Czas narastania i opadania impulsu napięcia został zmierzony, aby określić możliwą osiągalną częstotliwość zmian napięcia. Czas narastania jest związany z wartością rezystora R4 i obciążenia pojemnościowego CL. Dla uzyskania wolniejszych czasów narastania, mogą zostać zastosowane większe wartości elementów R4 i CL. Czasy narastania i opadania napięcia AVCC i DVCC były mierzone dla różnych wartości obciążeń pojemnościowych – rezultaty pokazano w Tab. 3. Przebieg narastania napięcia z użyciem kondensatora 1 µF został pokazany na Rys. 7. Czas narastania mierzony jest pomiędzy 10% a 90% napięcia 10V.
Tab. 3. Czasy narastania przy obciążeniu pojemnościowym
Rys. 7. Czas narastania przy obciążeniu pojemnościowym 1 µF
Tętnienia napięcia
Doskonała precyzja wzmacniacza AD797 powoduje, iż dostarczane są dokładne napięci zasilania dla układu AD7656-1, kalibrowane rezystorem R1 w pętli sprzężenia zwrotnego. Wartość międzyszczytowe tętnień napięć zasilania była określana dla napięć nominalnych z użyciem pasma 200 MHz i 20 MHz i obciążeniem pojemnościowym 0,1 µF przy użyciu oscyloskopu DS1204B. Tab. 4. ukazuje, iż tętnienia są mniejsze niż 1% nominalnej wartości napięcia, więc wszystkie cztery źródła zasilania okazują się sprawne.
Tab. 4. Tętnienia dla każdej z szyn zasilania
Rys. 8. Tętnienia zasilania +5V na szynach AVCC i DVCC
Generowanie przebiegów
Poprzez proste modyfikacje kodu procesora ADuC7026, można wygenerować wiele różnych przebiegów napięcia, które przysłużą się do badania pracy różnorakich urządzeń pod zmieniającymi się napięciami zasilania. Typowe przebiegi, które mogą zostać wygenerowane, pokazano na Rys. 9. oraz Rys. 10.
Rys. 9. Przebieg prostokątny 22,32 kHz
Rys. 10. Impulsy o częstości 13,16 kHz
LabVIEW GUI (pokazany na Rys. 11.) może być użyty do obsługi generowania przebiegów napięcia. Poziom napięcia, czas narastania, okres i czas pomiędzy sekwencjami dla każdego z czterech kanałów może być łatwo ustalony. Do komunikacji oprogramowania z procesorem ADuC7026 używany jest port szeregowy.
Rys. 10. Konfiguracja napięć za pomocą LabVIEW GUI
Podsumowanie
Prosty i niedrogi zestaw do badania wpływu sekwencjonowania napięć zasilania układów został przygotowany i sprawdzony przy użyciu płytek ewaluacyjnych dla układów AD7656-1 i ADuC7026. Płytka ewaluacyjna procesora ADuC7026 posłużyła do generowania kontrolowalnych sekwencji napięć zasilających, aby zbadać warunki pracy przetwornika A/D pod wpływem różnych sekwencji i czasów narastania napięć zasilania. 3-fazowy, 16-bitowy generator PWN mikrokontrolera może dostarczać w sumie 7 różnych napięć.
Używając typowego zasilacza DC o napięciu ±15V, przenośny system zasilania pozwoli projektantom ewaluować systemy z przetwornikami A/D, zwłaszcza tymi wymagającymi wielu różnych napięć zasilania.
Źródło
Cool? Ranking DIY
