Связь цифровой и аналоговой схем
Предположим, вы собираетесь разработать аналого-цифровое устройство, блок-схема которого показана на Рис. 13.5.
Рис. 13.5. Блок-схема устройства, которое мы рассматривали, с источниками шумов. В цепях аналогового интерфейса с помощью тензодатчика измеряется вес, затем данные передаются в микроконтроллер, который после обработки передаёт результат измерения на ЖК-дисплей и в интерфейс последовательной передачи данных R.S-232. В этой системе имеется блок контроля температуры платы. При превышении определённого значения температуры платы микроконтроллер включает привод электродвигателя вентилятора.
На Рис. 13.6 показана принципиальная схема аналоговой части устройства.
В предыдущих главах книги мы уже рассматривали аналоговую часть этой блок-схемы с различных точек зрения, что помогло нам в изучении принципов хорошего проектирования аналоговых схем, поэтому практическую реализацию схемы выполнить несложно. На Рис. 13.7 показана окончательная разводка данной схемы.
Рис. 13.6. Аналоговая часть устройства, блок-схема которого дана на Рис. 13.5. Усилители и источник опорного напряжения связаны с микроконтроллером PIC16F624 компании Microchip. Питание на эту часть схемы подаётся от сети переменного тока 110 В с использованием сетевого адаптера, дающего постоянное напряжение 9 В. Линейный стабилизатор LM7805 преобразует напряжение 9 В в напряжение 5 В. В схеме используется микросхема источника опорного напряжения МСР1525 и АЦП последовательного приближения МСР3201 компании Microchip.
Рис. 13.7. Разводка платы для схемы, приведённой на Рис. 13.6. Сплошной земляной слой расположен на обратной стороне платы.
Выбранная реализация схемы с тензодатчиком (Рис. 13.7) обеспечивает получение точных 12-битных данных на выходе схемы. Теперь в эту схему нужно включить цифровую часть, принципиальная схема которой показана на Рис. 13.8, а функциональные модули приведены в блок-схеме всего устройства на Рис. 13.5.
Рис. 13.8. Схема цифровой части устройства, блок-схема которого показана на Рис. 13.5, В эту схему включён микроконтроллер, интерфейс RS-232, матрица 7-сегментных светодиодных индикаторов, схема управления частотой вращения вентилятора и источник питания цифровых компонентов.
Микроконтроллер является центральным устройством этой схемы (Рис. 13.8), а подключённый к нему передатчик интерфейса RS-232 позволяет напрямую связываться с ноутбуком. Вам нужно тщательно выполнить требования по разводке платы, поскольку все напряжения, а, следовательно, и уровень шумов в цифровой части схемы будут высокими. Наибольший ток здесь потребляет матрица 7-сегментных индикаторов. Если дорожки цифровых сигналов будут проходить рядом с чувствительными аналоговыми дорожками, то вполне вероятно появление электромагнитных помех. Схема управления приводом вентилятора также является потенциальным источником электромагнитных помех.
Когда вы планируете добавить цифровые схемы к аналоговым, первым делом проверьте способ подключения питания и земли, и, если этот вопрос хорошо продуман, переходите к проверке трассировки аналоговых сигналов. Набросайте схему питания и заземления всех устройств схемы, как показано на Рис. 13.9, что даст возможность (при необходимости) внести соответствующие коррективы в схему разводки питания на плате.
Оптимальный вариант предполагает разделение цифровых и аналоговых дорожек питания и земли; то же самое следует сделать и по отношению к дорожкам цифровых и аналоговых сигналов.
Рис. 13.9. Возможны несколько вариантов разводки цепей питания схемы на Рис. 13.5. В первом варианте для подавления шумов источника питания (о) предполагается подключить питание всех цепей с напряжением 5 В к общей точке, а напряжение питания 12 В схемы управления электроприводом вентилятора, создающей шум, подвести отдельной шиной. Подключение цифровой и аналоговой части к единому источнику питания 5 В может привести к значительному возрастанию уровня шумов. Разделение аналоговой и цифровой цепей питания 5 В (б) обеспечит снижение шумов в системе.
На Рис. 13.10 показана удачная реализация печатной платы для системы, показанной на Рис. 13.5. Можно заметить, что разводка аналоговой части платы выполнена так, как показано на Рис. 13.7. Тестирование схемы показало, что она стабильно обеспечивает точность 12 бит, что возможно благодаря разделению аналоговых и цифровых цепей, наличию земляного слоя под аналоговой частью схемы на плате, использованию малошумящих аналоговых устройств и применению развязывающих конденсаторов.
Рис. 13.10. Комбинация в одной схеме аналоговых и цифровых цепей не вызывает затруднений, если известны возможные источники шумов. Основная идея при реализации такой схемы состоит в том, чтобы располагать дорожки цифровых сигналов с более высоким уровнем шумов подальше от чувствительных аналоговых цепей и устройств.
Заключение
В последние годы я стала лучше воспринимать новые идеи, и помогли мне в этом инженеры цифровой техники, с которыми я работала. У них сейчас такие перспективы, которые я не могла себе представить. Это можно выразить фразой: «Весь мир становится цифровым». Несколько раз во время совместной работы я ловила себя на мысли: «Да вы что? Вы с ума сошли, это же не будет работать!» Но вскоре эти инженеры делали так, что это начинало работать. Так я научилась слушать, держать рот на замке и учиться. И это срабатывает.
