Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров

Аналоговые
интерфейсы

микроконтроллеров

EMBEDDED TECHNOLOGY TM

S E R I E S

Ч. Хелибайк

Analog Interfacing

to Embedded

Microprocessors

by Stuart R. Ball

An imprint of Elsevier Science

С Е Р И Я

ПРОГРАММИРУЕМЫЕ СИСТЕМЫ

Р. Стюарт Болл

Аналоговые

интерфейсы

микроконтроллеров

Перевод с английского

Москва

ДМК Пресс, ДодэкаXXI

2017

УДК 004.32
ББК 32.973
Б79

Болл Стюарт Р.
Б79
Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров. — М.: ДМК 
Пресс, 2017.—354 с.: ил. (Серия «Программируемые системы»).

ISBN 9785970605264

Данное издание является практическим пособием по применению различных
интерфейсов для подключения аналоговых периферийных устройств к компьютерам, микропроцессорам и микроконтроллерам. Раскрывается специфика применения таких интерфейсов, как I2С, SPI/Microware, SMBus, RS232/485/422, токовая петля 420 мА и др. Дается обзор большого количества современных датчиков:
температурных, оптических, ПЗС, магнитных, тензодатчиков и т. д. Подробно
описываются контроллеры, АЦП и ЦАПы, их элементы — УВХ, ИОН, кодеки, энкодеры. Рассмотрены исполнительные устройства — двигатели, терморегуляторы
— и вопросы их управления в составе систем автоматического управления различного типа (релейного, пропорционального и ПИД). Книга снабжена иллюстрациями, наглядно представляющими аппаратные и программные особенности применения элементов аналоговой и цифровой техники.
Заинтересует не только начинающих радиолюбителей, но и специалистов,
имеющих стаж работы с аналоговой и цифровой техникой, а также студентов технических колледжей и вузов.

УДК 004.32
ББК 32.973

Все права защищены. Никакая часть этого издания не может быть воспроизведена в любой форме
или любыми средствами, электронными или механическими, включая фотографирование, ксерокопирование или иные средства копирования или сохранения информации, без письменного разрешения издательства.

Настоящее издание «Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров» Стюарта Болла Р. выполнено по
договору с Elsevier Inc., 200 Wheeler Road, 6th Floor, Burlington, MA01803, USA.

© Elsevier Science (USA)
ISBN 9785941201426 (Додэка) 
© Макет, Издательский дом «ДодэкаXXI»
ISBN 0750677236 (англ.)

© Издание, ДМК Пресс, 2017
ISBN 9785970605264 (ДМКПресс)

 Оглавление 5

Принятые сокращения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Глава 1. Параметры системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.1. Динамический диапазон. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  15
1.2. Точность измерения напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  16
1.3. Калибровка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  16
1.4. Пропускная способность шины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  19
1.5. Производительность процессора  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  20
1.5.1. Прерывания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  21
1.5.2. Интерфейсы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  21
1.5.3. Поддержка на аппаратном уровне . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  21
1.5.4. Требования к процессору  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  22
1.5.5. Требования к операционной системе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  22
1.5.6. Язык программирования и компилятор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  22
1.6. Ограничение скорости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  22
1.6.1. Затраты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  23
1.6.2. Электромагнитная совместимость. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  23
1.7. Другие системные ограничения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  24
1.7.1. Периферийные устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  24
1.7.2. Общие интерфейсы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  24
1.7.3. Приоритет задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  24
1.7.4. Системные требования  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  25
1.7.5. Разрядность цифрового слова. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  27
1.7.6. Интерфейсы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  27
1.8. Частота дискретизации и наложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  27

Глава 2. Аналогоцифровые преобразователи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.1. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  30
2.2. Описание АЦП. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  32
2.2.1. Опорное напряжение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  33
2.2.2. Выходное слово. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  33

ОГЛАВЛЕНИЕ

Оглавление

2.2.3. Разрешение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  33
2.3. Типы АЦП  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  34
2.3.1. Следящий АЦП. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  34
2.3.2. Параллельный АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  36
2.3.3. АЦП последовательных приближений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  37
2.3.4. АЦП двойного интегрирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  38
2.3.5. Сигмадельта АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  40
2.3.6. Составной АЦП  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  43
2.4. Сравнение типов АЦП по основным показателям . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  44
2.5. Устройства выборкихранения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  45
2.6. Реальные компоненты  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  48
2.6.1. Входные уровни  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  48
2.6.2. Встроенный источник опорного напряжения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  49
2.6.3. Дополнительная емкость на входе опорного напряжения  . . . . . . . . . . . . . . .  49
2.6.4. Встроенное УВХ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  49
2.7. Интерфейс микропроцессора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  49
2.7.1. Кодирование выходного слова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  49
2.7.2. Параллельный интерфейс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  50
2.7.3. Время доступа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  52
2.7.4. Выход BUSY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  54
2.7.5. Время освобождения шины  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  54
2.7.6. Связь сигналов шины управления с АЦП  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  55
2.7.7. Задержка между преобразованиями  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  55
2.7.8. Величина погрешности преобразования  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  56
2.8. Синхронные интерфейсы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  56
2.9. Последовательные интерфейсы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  58
2.9.1. Периферийный последовательный интерфейс SPI/Microwire. . . . . . . . . . . .  58
2.9.2. Шина I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  61
2.9.3. Шина SMBus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  63
2.9.4. Специализированные последовательные интерфейсы . . . . . . . . . . . . . . . . . .  64
2.10. Многоканальные АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  65
2.11. Встроенные в микроконтроллер АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  65
2.12. Кодеки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  67
2.13. Прерывания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  67
2.14. Многофункциональные выводы микроконтроллеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  68
2.15. В рабочую тетрадь разработчика. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  70

Глава 3. Датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

3.1. Температурные датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  71
3.1.1. Терморезисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  71
3.1.2. Масштабирование  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  75
3.1.3. Влияние разброса параметров компонентов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  79

 Оглавление 7

3.1.4. Резистивные температурные датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  81
3.1.5. Термопары . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  81
3.1.6. Полупроводниковые температурные датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  84
3.2. Оптические датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  85
3.2.1. Щелевой оптрон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  85
3.2.2. Отражательный оптрон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  85
3.2.3. Особенности работы в ИКдиапазоне. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  88
3.2.4. Механическая нестабильность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  90
3.2.5. Датчик защитного кожуха . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  91
3.2.6. Управление несколькими датчиками  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  92
3.2.7. Оптрон с закрытым оптическим каналом  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  94
3.2.8. Дискретные оптические датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  96
3.3. Приборы с зарядовой связью. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  99
3.3.1. Основы работы ПЗС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  99
3.3.2. Управление экспозицией  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  101
3.3.3. ПЗСлинейки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  101
3.3.4. Распознавание цвета  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  103
3.3.5. Трехлинейные ПЗС  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  104
3.3.6. Методы цветовой обработки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  106
3.3.7. Чувствительная площадь ПЗСматрицы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  106
3.3.8. Темновой заряд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  107
3.3.9. Двойная коррелированная выборка  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  107
3.3.10. Неравномерность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  108
3.3.11. Питание ПЗС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  110
3.3.12. АЦП ПЗС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  110
3.4. Датчики магнитного поля  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  110
3.4.1. Датчики Холла. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  110
3.4.2. Линейные дифференциальные трансформаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  113
3.4.3. Датчики с переменным магнитным сопротивлением  . . . . . . . . . . . . . . . . . .  114
3.5. Полупроводниковые тензодатчики движения/ускорения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  116
3.6. Металлические тензодатчики веса/силы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  117
3.7. Ключи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  119

Глава 4. Измерение временных параметров  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

4.1. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  121
4.2. Измерение периода или частоты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  125
4.3. Смешение частот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  127
4.4. Преобразователи напряжениечастота  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  129
4.4.1. Применение ПНЧ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  130
4.4.2. Фильтрация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  131
4.5. Тактовая частота и диапазон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  131
4.6. Увеличение точности при ограниченном разрешении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  133

Оглавление

Глава 5. Методы управления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139

5.1. Управление с разомкнутой петлей обратной связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  139
5.2. Отрицательная обратная связь  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  139
5.3. Микропроцессорные системы управления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  140
5.4. Система релейного управления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  141
5.5. Температурный перегрев . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  144
5.6. Система пропорционального управления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  144
5.7. Пропорциональноинтегральнодифференциальное управление . . . . . . . . . . . . . .  148
5.7.1. Вклад операции дифференцирования в алгоритм управления. . . . . . . . . . .  151
5.7.2. Вклад операции интегрирования в алгоритм управления . . . . . . . . . . . . . . .  153
5.7.3. ПИДуправление в целом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  155
5.7.4. Способы применения системы ПИДуправления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  156
5.7.5. Насыщение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  157
5.7.6. Программное обеспечение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  159
5.7.7. Временная задержка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  159
5.7.8. Резкие изменения сигнала  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  160
5.7.9. Специальные требования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  161
5.8. Управление двигателем  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  161
5.8.1. Пример постоянной скорости вращения круговой карусели . . . . . . . . . . . .  163
5.8.2. Позиционирование  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  165
5.8.3. Программное обеспечение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  167
5.9. Управление с предсказанием. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  168
5.10. Измерение и анализ реакции петли обратной связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  169
5.10.1. Логический анализатор/Цифровой осциллограф. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  170
5.10.2. Измерение параметров двигателя  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  171
5.10.3. Доступное программное обеспечение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  173
5.11. Примеры программирования ПИДсистем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  173
5.11.1. Основная петля ПИДуправления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  173
5.11.2. Функция запрета первоначального действия  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  174
5.11.3. Фильтрация входного шума  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  174
5.11.4. Предотвращения выхода управляющего параметра
за допустимые пределы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 175
5.11.5. Предотвращение выхода управляющего параметра
за пределы средней величины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 176
5.11.6. Реализация данных примеров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  177
5.12. В рабочую тетрадь разработчика. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  178

Глава 6. Соленоиды, реле и другие исполнительные устройства  . . . . . . . . . . . . . . .179

6.1. Соленоиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  179
6.1.1. Реле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  179
6.1.2. Интерфейс соленоидов и реле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  180
6.1.3. Включение/удержание реле  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  182
6.2. Нагревательные элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  185

 Оглавление 9

6.2.1. Обрыв нагревателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  186
6.2.2. Обрыв датчика. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  187
6.2.3. Нагреватель на основе термометра сопротивления  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  188
6.3. Охладители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  191
6.3.1. Охладитель Пельтье . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  191
6.3.2. Вентиляторы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  191
6.4. Светодиоды. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  193
6.4.1. Оптроны с закрытыми оптическими каналами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  195
6.4.2. Одновременное включение нескольких светодиодов  . . . . . . . . . . . . . . . . . .  196
6.5. ЦАП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  198
6.6. Цифровые потенциометры  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  199
6.7. Аналоговые ключи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  202
6.7.1. Типы аналоговых ключей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  204
6.7.2. Применение аналоговых ключей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  204
6.7.3. Мультиплексоры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  205

Глава 7. Двигатели  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

7.1. Шаговые двигатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  206
7.1.1. Биполярные и однополярные шаговые двигатели  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  208
7.1.2. Резонанс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  210
7.1.3. Полушаговый режим двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  211
7.1.4. Микрошаговый режим двигателя  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  214
7.1.5. Управление шаговым двигателем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  215
7.1.6. Сквозной ток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  216
7.1.7. Контроль тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  220
7.1.8. ИС управления двигателем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  221
7.1.9. Управление по методу прерывания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  222
7.1.10. Методы управления и резонанс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  224
7.1.11. Линейное управление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  225
7.2. Двигатели постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  226
7.2.1. Управление двигателями постоянного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  227
7.2.2. Бесколлекторные двигатели постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  230
7.2.3. Энкодеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  234
7.2.4. ИС контроллеров двигателей постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  237
7.2.5. Программируемые контроллеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  242
7.3. Достоинства и недостатки различных типов двигателей  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  244
7.4. Порядок включения питания логических цепей и двигателя  . . . . . . . . . . . . . . . . . .  246
7.5. Вращающий момент двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  248
7.5.1. Вращающий момент при заторможенном двигателе . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  248
7.5.2. Противодействующее электромагнитное поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  248
7.5.3. Вращающий момент и скорость. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  248
7.6. Реальное применение шагового двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  249

Оглавление

Глава 8. Электромагнитные помехи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

8.1. Связь по земле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  254
8.1.1. Ток двигателя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  258
8.1.2. Самонаведенные токовые ошибки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  259
8.2. Электростатический разряд. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  260
8.2.1. Самонаведенный электростатический разряд. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  260
8.2.2. Защита от электростатического разряда. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  261

Глава 9. Системы высокой точности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264

9.1. Общие сведения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  264
9.2. Входное напряжение смещения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  266
9.3. Входное сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  267
9.4. Частотные характеристики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  268
9.5. Влияние температуры на сопротивление резисторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  269
9.6. Источник опорного напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  270
9.7. Влияние изменения температуры в целом  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  272
9.8. Заземление и шумы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  273
9.9. Печатная плата  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  275
9.9.1. Заземление на печатной плате . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  275
9.9.2. Источник питания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  277
9.10. Статистическая погрешность  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  278
9.11. Опорное напряжение от источника питания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  280
9.12. Резюме. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  280

Глава 10. Стандартные интерфейсы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .281

10.1. Интерфейс IEEE 1451.2  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  281
10.1.1. Электрические параметры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  281
10.1.2. Параметры датчиков  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  282
10.1.3. Международная система единиц измерения СИ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  282
10.2. Последовательный периферийный интерфейс токовая петля 420 мА . . . . . . . . .  283
10.3. Интерфейс Fieldbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  283

Глава 11. Аналоговая схемотехника  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .286

11.1. Питание микроконтроллера и напряжение смещения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  286
11.2. Наборы резисторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  288
11.3. Многовходовые системы управления  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  289
11.4. Управление цепями переменного тока  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  291
11.5. Схемы контроля напряжения питания  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  293
11.6. Управление биполярными транзисторами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  294
11.6.1. Преобразование логических уровней . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  296
11.6.2. Скорость переключения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  296
11.6.3. Высоковольтные ключи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  297
11.7. МОПтранзисторы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  297

 Оглавление 11

11.7.1. Управление МОПтранзистороми. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  297
11.7.2. МОПтранзистор для коммутации  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  299
11.8. Измерение параметров сигнала отрицательной полярности . . . . . . . . . . . . . . . . . .  301
11.9. Пример системы управления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  302
11.9.1. Релейное управление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  305
11.9.2. Пропорциональное управление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  305
11.9.3. ПИДрегулирование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  309
11.9.4. Пропорциональноинтегральное управление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  313
Приложение A. Операционные усилители  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314

Приложение Б. Широтноимпульсная модуляция  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326

Приложение В. Полезные сайты в Интернете  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339

Приложение Г. Программа Python для главы 11. Данные Excel для главы 4 . . . . . . . . . . 340

Словарь терминов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
Предметный указатель  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348

ISR (Interrupt Service Routine) — подпрограмма обработки прерываний.
NTC (Negative Temperature Coefficient) — отрицательный температурный
коэффициент.
АЦП — аналоговоцифровой преобразователь.
ДКВ — двойная коррелированная выборка.
ИОН — источник опорного напряжения (reference).
ИС — интегральная схема.
КД — константа диссипации (рассеивание мощности).
КМОП — комплементарная МОПструктура.
КПТ — коэффициент передачи по току (Current Transfer Ratio, CTR).
МК — микроконтроллер.
МОП — металлокиселполупроводник.
МП — микропроцессор.
ОЗУ — оперативное запоминающее устройство (Random Access Memory, RAM).
ОК — открытый коллектор.
ООС — отрицательная обратная связь.
ОС — обратная связь.
ОУ — операционный усилитель.
ПЗС — прибор с зарядовой связью.
ПЗУ — постоянное запоминающее устройство (Read Only Memory, ROM).
ПИД — пропорциональноинтегральнодифференциальный.
ПНЧ — преобразователь напряжениечастота.
ПО — программное обеспечение.
ППЗУ — программируемое ПЗУ.
РТД — резистивный температурный датчик.
УВХ — устройство выборкихранения.
ФНЧ — фильтр нижних частот.
ЦАП — цифроаналоговый преобразователь.
ЦОС — цифровая обработка сигналов.
ШИМ — широтноимпульсная модуляция.
ЭДС — электродвижущая сила.
ЭМС — электромагнитная совместимость.
ЭСППЗУ — электрически стираемое ППЗУ.

Принятые сокращения

Иногда создается впечатление, что между аналоговой и цифровой схемотехникой лежит огромная пропасть. Разработчики цифровой техники
не любят погружаться в дебри аналогового мира, а разработчики аналоговых схем — связываться с цифровыми системами. Отличаются даже термины для обозначения одних и тех же понятий.
Несмотря на то что скорость и производительность микропроцессоров
стремительно возрастает, а c ней возрастает «цифровизация» аппаратуры
различного назначения, окружающий мир остается аналоговым по своей
природе. Для измерения процессов в окружающем мире и управления различными устройствами, разработчикам микропроцессорных систем, так
или иначе, приходится применять аналоговую технику. Причем существует техническая литература отдельно по аналоговой схемотехнике и отдельно по цифровой. В данной книге предпринята попытка соединить эти
разделы радиоэлектроники.

Предисловие

В основном современные электронные системы — микропроцессоры,
логические устройства, интерфейсы — являются цифровыми. Цифровые
вычислительные системы в настоящее время проще создать, чем аналоговые с теми же функциями. К примеру, представьте современный аналоговый персональный компьютер, который должен управлять работой многих программ, выполнять сложные вычисления, обеспечивать выход в Интернет… Хотя на заре компьютерной эры встречались и аналоговые
вычислительные машины.
Сегодня электронный мир, в основном, цифровой, реальный же мир и
цифровой, и аналоговый. Температура в вашем офисе не просто горячая
или холодная, а изменяется в широком диапазоне. Вы можете использовать термометр для определения температуры, но как преобразовать эту
величину в цифровой вид для передачи информации в микропроцессор?
Микроконтроллер управления зажиганием в автомобиле должен измерять
скорость вращения вала двигателя для формирования искры в нужное время. Микропроцессорная система управления станка должна точно позиционировать резец для обработки детали.
В этой книге описаны многие практические методы управления внешними устройствами и некоторые схемы на операционных усилителях
(ОУ). Но главной задачей книги не является ни описание теории управления, ни описание теории работы операционных усилителей. В основном,
книга посвящена измерению аналоговых величин и управлению аналоговыми устройствами с помощью микропроцессорных систем. Измеряете ли
вы сигнал со спутника или температуру в тостере, микропроцессорная
система должна измерять, анализировать и управлять аналоговыми величинами. В двух словах можно сказать, что эта книга о соединении входных
и выходных аналоговых устройств с микропроцессорной системой для выполнения прикладных задач.

Введение

1.1. Динамический диапазон 15

Большинство встроенных микропроцессорных систем содержат узлы
обработки входных сигналов и формирования выходных сигналов. При
этом как входные, так и выходные сигналы могут быть аналоговыми. Цифровые узлы аналоговых систем, такие, например, как интерфейс микропроцессора (МП) с памятью, в данной книге не представлены. Однако в
этой книге рассматриваются компоненты, присущие любой встроенной
системе и осуществляющие связь этой системы с внешним миром.

1.1. Динамический диапазон

Прежде чем создавать систему, необходимо уточнить требуемый динамический диапазон входных и выходных сигналов. Динамический диапазон
определяет, с какой точностью должны быть измерены входные сигналы
или сформированы выходные. Точность измерения, в свою очередь, влияет на такие параметры, как допустимый уровень шума и точность применяемых компонентов. Допустим, что микропроцессорная система измеряет входной аналоговый сигнал и преобразует его в цифровой код (как это
делается, будет показано в главе 2). Динамический диапазон традиционно
выражается в децибелах (дБ), как принято при измерении отношений напряжения или мощности. Проще говоря, динамический диапазон можно
представить как отношение наибольшей величины к наименьшей. Но этих
отношений недостаточно, если речь идет о микропроцессорной системе.
Так, в большинстве случаев следует также знать число бит для обеспечения
требуемой точности при измерении или управлении.
Так, например, если температура должна измеряться в диапазоне
0…100C и точность измерения должна составлять 1C, понадобится 100
дискретных величин. Поскольку 8битный аналогоцифровой преобразователь (АЦП) может разбить величину входного напряжения на 28, или
256, значений, для данной системы вполне допустимо применение 8битГЛАВА 1.
Параметры системы

Глава 1. Параметры системы

ного АЦП. Но если точность измерения температуры повышается и должна составлять 0.1C, понадобится уже 100/0.1 дискретных величин, т. е.
1000 величин, и, следовательно, — 10битный АЦП (который производит
210, или 1024 величины).

1.2. Точность измерения напряжения

Число бит, необходимое для измерения температуры в нашем случае,
зависит от диапазона измеряемой величины (температуры, напряжения,
интенсивности света, давления и т. п.), а не от диапазона входного напряжения АЦП. Действительно, диапазон температур 0…100C может быть
приведен к разным величинам размаха входного сигнала: 0…5 В или
0…1 В. В обоих случаях динамический диапазон остается тем же. Однако в
диапазоне 0…5 В для обеспечения точности 1C каждый шаг составляет
19.5 мВ, который получается делением 5 В/256, а для обеспечения точности 0.1C — 4.8 мВ (5 В/1024). В случае диапазона 0…1 В каждый шаг уменьшается соответственно до 3.9 мВ и 976 мкВ. Это повлияет на выбор типов
АЦП и операционных усилителей (ОУ) и т. п. (Более детальное изучение
этих соотношений будет произведено в последующих разделах.) При этом
динамический диапазон системы определяет, сколько бит необходимо для
измерения с требуемой точностью величин сигналов. То, как преобразуется динамический диапазон аналогового и затем цифрового сигнала в целом, накладывает определенные ограничения на систему.

1.3. Калибровка

Определение параметров, связанных с динамическим диапазоном,
поднимает вопросы калибровки. Измеряемая величина, заключенная в
определенном динамическом диапазоне, подразумевает определенное
число бит для достижения требуемой точности. Однако реальные компоненты, применяемые для измерения реальных величин, сами обладают
собственными погрешностями. Резистор номиналом 10 кОм может иметь
сопротивление в пределах 9900…10100 Ом, если погрешность составляет
1%, или — 9990…10010 Ом, если погрешность составляет всего лишь 0.1%.
К тому же, сопротивление изменяется при изменении температуры. Все
компоненты системы, включая датчики, имеют погрешности. Более детально этот вопрос будет изучен в главе 9, а сейчас рассмотрим, как достигается требуемая точность.
Возьмем вновь пример с измерением температуры в диапазоне
0…100C. Измерение с точностью 1C может быть достигнуто без дополни

1.3. Калибровка 17

тельных подстроек. Однако надо заметить, что точность 0.1C потребует
введения дополнительной калибровки, поскольку трудно найти соответствующий температурный датчик по приемлемой цене. Выйти из положения можно, включив в конструкцию подстроечный элемент для компенсации погрешности.
Необходимость этапа калибровки подразумевает и другие технические
требования к системе. Например, будет ли часть системы, содержащая
датчик, находиться на плате рядом с подстроечным элементом? Если нет,
то, как связать эти компоненты после того, как калибровка выполнена? И
что, если инженер должен заменить датчик в производственных условиях?
Сделает ли инженер калибровку? Будет ли реально дешевле добавлять этап
калибровки при процедуре сборки, чем купить более дорогой датчик? На
данном этапе технические и экономические вопросы калибровки идут рядом и должны учитываться разработчиком. Решить все эти вопросы и сделать калибровку технологичной, независимой от образца к образцу поможет замена аналоговых высокоточных элементов и датчиков на стандартные цифровые компоненты.
Например, во многих случаях, когда без калибровки не обойтись, полученные параметры могут быть вычислены программно и записаны в память системы. Как этого добиться? Можно поместить датчик в среду с известной температурой и измерять выходной сигнал. Известно, что идеальный датчик должен произвести напряжение X при температуре T, однако
реальный датчик при температуре T производит напряжение Y. Измеряя
выходной сигнал при различных температурах, можно получить таблицу
соответствия напряжение/температура в виде констант. Данная таблица
констант может быть сохранена в памяти микропроцессорной системы.
Когда микропроцессор будет считывать показания датчика, он обратится к
данной таблице констант и произведет необходимые вычисления для определения действительной температуры. 
Допустим, вам понадобилось хранить калибровочные константы датчика, который физически размещается на некотором удалении от микропроцессора. На Рис. 1.1 показаны три варианта хранения калибровочных
констант. На Рис. 1.1а удаленный датчик соединен кабелем с микропроцессором. Тогда датчик можно было бы заменить другим без дополнительной калибровки, так как микропроцессор хранит калибровочные данные
во внешнем электрически стираемом ППЗУ (ЭСППЗУ — Electrically
Erasable Programmable ReadOnly Memory, EEPROM) или флэшпамяти
(flash memory). Особенности использования данной схемы подключения
следующие: