Corectarea și optimizarea măsurărilor ADC pentru controlerele analogice cu îmbunătățire digitală

3 MAI 2018

Yiwei Xiong de la Microchip Technology prezintă modalitatea de îmbunătățire a performanțelor de măsurare în proiectele analogice utilizând firmware în loc de abordarea costisitoare a unui hardware adițional

Odată cu creșterea ponderii tehnologiei în lumea de astăzi, preciziile de măsurare a semnalelor analogice și stabilizării sunt, de asemenea, în creștere. Controlerele analogice cu microcontroler integrat pot fi utilizate pentru a îmbunătăți performanțele globale fără costuri suplimentare și suprafață ocupată mai mare. Un exemplu bun este MCP19114/5 – controler analogic sincron cu îmbunătățire digitală, cu modulare a lățimii pe nivel inferior de la Microchip Technology, cu un microcontroler PIC® integrat.
MCP19114/5 dispune de un convertor analog-digital pe 10 biți integrat (ADC). Atunci când este utilizat în practică convertorul ADC, precizia măsurării va fi afectată de câțiva factori. Aceștia includ zgomot, erori de ofset, erori de DNL și INL (neliniaritate diferențială și integrală), precum și variații în tensiunea de referință ADC. Aceste surse de erori vor avea câteva valori inițiale ale erorilor specificate la temperatura camerei (+25°C). De asemenea, erorile datorate variațiilor de tempe­ratură pentru acești parametri nu ar trebui trecute cu vederea. Asemenea erori pot fi diminuate prin aplicarea diferitelor tehnici de corecție.
Utilizarea calibrărilor din fabrică este avantajoasă atunci când se încearcă compensarea erorilor de măsurare. Totuși, imprecizia tensiunii de referință și deriva de temperatură vor afecta direct rezultatele măsurării ADC și nu pot fi corectate cu ușurință. Pentru a se adresa cerințelor de precizie ridicată ale măsurărilor ADC și problemelor legate de deriva termică, pot fi utilizate două metode – corecții rațiometrice și non-rațiometrice. Ambele necesită programare software și configurații hardware.

Figura 1: Corecția măsurării non-rațiometrice

Corecție non-rațiometrică
Măsurările non-rațiometrice sunt măsurări în care semnalul ce trebuie măsurat nu este relativ la referința ADC (în MCP19114/5, referința ADC este AVDD). Aceste măsurări non-rațiometrice pot fi realizate prin măsurarea unui semnal de precizie cunoscută, iar apoi, utilizând această măsurare, pentru corecția altor măsurători de semnale (Figura 1).

În ecuațiile 1 și 2, pentru a măsura VSIGNAL este introdus semnalul intern de precizie VBGR (1.23V). Acest VBGR este implementat în fabrică cu o precizie de 1% și are o toleranță la supratemperatură de ±2.5%. Impactul preciziei referinței ADC și deriva cu temperatura sunt anulate în schimb pentru precizia semnalului VBGR cu temperatura. Acest semnal VBGR poate fi citit intern la nivelul ADC.
Corecția non-rațiometrică este o abordare mate­matică de a elimina erorile de referință ADC.

Corecție rațiometrică
O altă cale de a reduce erorile de măsurare este de a implementa măsurări rațiometrice. Uzual, o măsurare ADC rațiometrică este realizată prin utilizarea aceleiași surse de tensiune pentru a excita circuitul țintă, precum cea utilizată pentru referința ADC. Semnalul măsurat este proporțional cu tensiunea de referință, astfel încât precizia măsurării depinde de rezistențele senzorului în loc de tensiunea de referință.

Figura 2: Corecția măsurării rațiometrice

În unele cazuri, referința ADC (AVDD) nu este aceeași sursă (VDD) pentru alimentarea circuitului țintă. Cu scopul de a face măsurări ADC rațiometrice cu ajutorul dispozitivului, trebuie introdusă o valoare de măsurare ADC stocată din fabrică pentru sursa de putere. În acest exemplu, citirea internă ADC (în numere) a VDD/2 (HFVDD) este disponibilă pentru MCP19114/5 (Figura 2). Odată ce K a fost calculat, R2 poate fi determinat. (ecuația 3).

Punerea în acțiune a tehnicilor
Verificarea nivelului de prag de tensiune poate fi implementată utilizând măsurări non-rațiometrice. Sistemele ce necesită detecția câtorva puncte de operare sau praguri, pot implementa un tabel de comparații. VADC_SIGNAL (număr) poate fi comparat cu valorile predeterminate pentru a putea lua decizii operaționale la nivelul sistemului (ecuația 1).

Ar putea fi preferabil să se măsoare VSIGNAL direct în loc de a compara măsurarea cu un prag. Ecuația 2 este aplicată pentru a corecta valoarea de măsurare a VSINGAL.

Se definește M în ecuația 4 și se substituie în ecuația 2

Figura 3

Utilizatorii au opțiunea de a raporta valoarea M la un sistem superior pentru a evita procesarea de multiplicări locale, consumând resursele procesorului. Semnalul VSIGNAL poate fi calculat utilizând ecuația 5.

Pentru a optimiza firmware-ul, prin economisirea resurselor procesorului prin comparație cu funcțiile de multiplicare sau divizare, este utilizată metoda aproximărilor succesive. O altă cale de a elimina multiplicarea sau divizarea este de a utiliza o configurație hardware specială proiectată în sistem convențional matematic (Figura 3).
R1 și R2 au fost alese pentru a obține o valoare specială pentru R2/(R2+R1):

Deoarece se știe că VBGR(V) = 1.23V, se aplică ecuația 5 și se obține ecuația 7.
Într-un sistem digital, în special când se face o multiplicare de 2N, rezultatul poate fi obținut prin schimbarea poziției a N biți în loc de multiplicare cu 2N. În acest punct, calcularea divizării și multiplicării nu este necesară, dacă se optează pentru tehnici de deplasare mai simple.

Figura 4: Combinația diferitelor măsurători

Figura 4 prezintă combinația măsurătorilor VIN, VOUT, temperatură și BIN pentru MCP19114/5.
În efortul de optimiza spațiul de program, exemplul din figura 4 implementează numai o singură subru­tină de măsurare pentru a măsura toate semnalele.
Pentru această aplicație a fost ales termistorul NTCLE305E4103SB. Citirile de temperatură acope­ră plaja de la +50 la +125°C cu o rezoluție de +1°C.
Măsurările VIN acoperă plaja de la 0 la 23.4V, cu o rezoluție de 0.125V. Rezoluția poate fi cu ușurință configurată prin firmware.
Măsurările VOUT acoperă plaja de la 0 la 93.6V cu o rezoluție de 0.5V.
Rezoluția poate fi configurată din nou prin firmware. Atunci când este conectată una dintre rezistențele selectorului BIN, rutina de măsurare BIN va returna un număr de la 0 la 9.
Exemple de program pot fi găsite în Nota de aplicație AN1882 de la Microchip Technology.

Concluzie
Controlerul PWM cu îmbunătățire digitală MCP19114/5 și cu nucleul său de microprocesor pe cip, oferă o flexibilitate care nu este comună majorității controlerelor de putere analogice. Tehnicile descrise pot fi utilizate pentru a îi ajuta pe utilizatori să îmbunătățească precizia și performanțele proiectelor lor, fie că utilizează conversii analog-digitale rațiometrice sau non-rațiometrice. Cu exemplele oferite, utilizatorii pot crea cu ușurință firmware pentru a îmbunătăți performanțele fără un hardware suplimentar costisitor.

Notă: Numele și logo-ul Microchip sunt mărci înregistrate ale Microchip Technology Incorporated în SUA și alte țări. Toate celelalte mărci menționate aici sunt proprietatea companiilor deținătoare.

Autor: Yiwei Xiong, inginer de aplicații la Microchip Technology

Microchip Technology  |   www.microchip.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *