Multimetru digital de mare precizie

19 AUGUST 2009

Următoarele module MCU sunt utilizate în această aplicaţie.
A) Oscilatorul şi ceasul sistemului
B) Convertorul Sigma Delta SD16A
C) Interfaţa SPI pentru drive-ul LCD

A) O scurtă descriere a oscilatorului şi a ceasului sistemului
Sistemul de ceas din familia MSP430FE42x de dispozitive este suportat de modulul FLL+ care include suport pentru un oscilator cu cristal de ceas de 32768Hz, un DCO (digitally-controlled oscillator) intern şi un oscilator cu cristal de frecvenţă ridicată. Sistemul de ceas FLL+ este proiectat să îndeplinească cerinţele atât pentru cost redus al sistemului cât şi pentru consum scăzut de putere. În această aplicaţie oscilatorul este alimentat de la un cristal de 4MHz extern şi sistemul de ceas este programat să suporte 4MHz la ceasul auxiliar (ACLK) şi 8MHz la ceasul principal (MCLK). ACLK este utilizat de către modulul de convertor sigma delta, iar MCLK suportă unitatea centrală de procesare (CPU). Codul în limbaj de asamblare al aplicaţiei este localizat pe flash. Sistemul de ceas ACLK ar trebui să funcţioneze în modul de frecvenţă ridicată, acest lucru se întâmplă cu instrucţiunea registrului de control MOV #040h,&FLL_CTL0.
FLL+ furnizează 8MHz cu următoarea instrucţiune MOV #01h,&SCFQCTL.
Formula frecvenţei de ceas MCLK este exprimată prin: FDCO= (N+1) * fCristal.

B) Descrierea modulului SD16A
Modulul SD16A constă din până la trei convertoare sigma delta independente şi o referinţă internă de tensiune. Fiecare canal este echipat complet cu intrări multiplexate diferenţiale. Canalul 0 este utilizat pentru măsurători de curent, canalul 1 pentru cele de tensiune şi canalul 2 pentru cele de temperatură. PGA-ul (Programmable Gain Amplifier) embedded pentru fiecare canal de intrare este foarte important pentru un domeniu larg de măsurători. PGA este programabil de la Gain 1 până la Gain 32, fiind disponibilă şi o selecţie de OSR-uri (Over Sampling Ratios) diferite de până la 1024. Scala completă a domeniilor de tensiuni de intrare pentru fiecare pereche de intrări analogice este dependentă de configurarea câştigului PGA-ului. Scala maximă de domenii este ±VFSR.
Modulul SD16A are o referinţă de tensiune integrată de 1,2V care poate fi utilizată pentru fiecare canal şi este permisă de bitul SD16REFON. Când se utilizează referinţa internă, este recomandată utilizarea unui condensator extern de 100nF conectat de la VREF la AVSS pentru a reduce orice zgomot. O referinţă externă de tensiune de precizie foarte ridicată REF5025 (2,5V) de la Texas Instruments şi un divizor de tensiune de precizie ridicată sunt utilizate în această aplicaţie pentru a furniza 1,2V la pinul VREF. Versiunea de calitate ridicată a REF5025 oferă o precizie foarte puternică a tensiunii de ±0,05%.

C) Descrierea modulului SPI (Serial Peripheral Interface)
Matricea de pixeli 48×84 ai LCD-ului utilizat necesită o comunicaţie SPI, astfel că este programat un master de 8-biţi în configuraţie de 3-pini. Modulul SPI embedded furnizează ceasul SPI la pinul 44, iar SOMI (slave out/master in) şi SIMO (slave in/master out) la pinul 46, respectiv pinul 47. Master-ul iniţiază transferul de date către LCD prin trimiterea UCLK (ceasul SPI). Toate funcţiile DMM-ului cum sunt tensiunea, curentul şi temperatura sunt afişate pe matricea de pixeli. În plus, toate caracteristicile speciale cum sunt calibrarea, auto-scalarea şi închiderea automată îl informează de asemenea pe utilizator.

Descrierea aplicaţiei
Placa de aplicaţie este echipată cu microcontroler, şase comutatoare, o matrice de pixeli LCD, o referinţă de tensiune externă şi o interfaţă JTAG. Microcontrolerul are trei intrări complet diferenţiale. Canalul 0 al convertorului sigma delta constituie canalul curent, care împreună cu o rezistenţă de înaltă precizie (R10) cu toleranţă de 0,01% permit realizarea măsurării. Rezistenţa (R10) este localizată pe canalul analogic 0.
Canalul 1 este utilizat pentru măsurarea tensiunii şi canalul 2 este responsabil pentru determinarea temperaturii. Referinţa de tensiune necesară oferă o precizie foarte ridicată a temperaturii de ±0,05%. Conectorul JTAG este necesar pentru programarea MCU-ului MSP430FE427A. Cu ajutorul butonului T1 DMM-ul poate fi pornit sau oprit. Dacă comutatorul T2 este apăsat, atunci este activat modul de măsurare a tensiunii. În acelaşi mod, măsurarea de curent poate fi executată cu T3. Funcţia de temperatură este activată cu T4. Pot fi realizate măsurări de temperatură de precizie ridicată cu o soluţie competitivă din punct de vedere al costului. Un regulator de curent stabilizat şi un Pt1000 sunt integrate pe placă. Precizia este de ±0,5°C peste domeniul întreg de temperaturi. Căderea de tensiune de pe PT1000 este furnizată la intrarea analogică pe canalul 2 al modulului SD16A. Funcţia de offset poate fi selectată cu comutatorul T5. Acest lucru înseamnă să se ia în considerare orice lungime a cablului, atât pentru modul de măsurare a tensiunii cât şi cel pentru curent. Când apar defectări neaşteptate, butonul T6 ajută la reiniţializarea dispozitivului. O altă funcţie importantă este necesară pentru calibrarea câştigului, dar funcţia CAL pentru fiecare câştig este ascunsă intenţionat. Dacă ambele butoanele T2 şi T4 sunt apăsate simultan, atunci este activat modul de calibrare. Astfel, o sursă de înaltă precizie trebuie să fie disponibilă pentru a alimenta valori definite de curent şi tensiune pentru a calibra câştigurile. Fiecare nivel de calibrare necesar este prezentat în matricea de pixeli. Procedura CAL ar trebui realizată anual pentru a garanta o precizie ridicată. DMM-ul operează în modul de tensiune şi cel de curent cu precizii ridicate de măsurare.
Pentru a evita perturbaţiile pe parcursul întregii vieţi a conversiei analog-digitale, activitatea CPU-ului se opreşte. De ce este nevoie pentru a se obţine o precizie mare de măsurare? În primul rând, trebuie să fie disponibile: un convertor sigma delta cu liniaritate ridicată, un amplificator de intrare programabil, un OSR ridicat şi o referinţă stabilă de tensiune. Toate aceste caracteristici contribuie la dezvoltarea unui DMM de precizie ridicată.
Următoarele domenii de măsurare sunt acoperite de placa de aplicaţie DMM:
– 100µV până la 500mV, ±1LSB
– 100µA până la 500mA ,±1LSB
– -40°C până la +85°C, ±0,5°C

Exemplu de măsurare
Precizia aplicaţiei de 0,0015% este disponibilă după o scurtă perioadă de “încălzire”. OSR ridicat, funcţia de aproximare a conversiei şi determinarea referinţei de tensiune ajută la obţinerea acestei performanţe ridicate. Sunt disponibile şi alte caracteristici suplimentare. De exemplu, dacă tensiunea bateriei scade, apare informarea utilizatorului “Rugăm schimbaţi bateria”. Dacă nu are loc nici o activitate, adică dacă nici un buton nu este apăsat timp de 10 minute, sistemul intră in LPM4 (Low Power Mode) pentru a economisi bateria. Dar înainte ca sistemul să fie comutat la acest mod, referinţa externă de tensiune REF5025 şi LCD-ul sunt oprite pentru a garanta o utilizare mai bună a bateriei şi un mod de aşteptare mai îndelung. Modul LPM4 este un garant al eficienţei energetice, în acest mod consumul de curent fiind 100nA.
Notă: Schema aplicaţiei complete DMM este disponibilă pe pagina web a TI.

Concluzie
Consumul ultra-scăzut de putere, module analogice de performanţă ridicată, periferice puternice şi un sistem de ceas foarte flexibil, toate aceste caracteristici sunt foarte necesare în aplicaţiile portabile, de larg consum şi industriale. Familia MSP430 este foarte cunoscută pentru consumul de putere minimizat. Domeniul de aplicaţie al familiei MSP430FE42x poate fi uşor extins cu referinţa de tensiune de calitate ridicată REF5025 (Texas Instruments) pentru aplicaţii medicale de precizie ridicată, achiziţie de date pe 16-biţi şi instrumentaţie de precizie ridicată.

Sursa
Texas Instruments: http://www.ti.com
Fişă tehnică MSP430FE42x: http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/msp430fe427a.pdf
MSP430x4xx Family User’s Guide (Rev. G): http://focus.ti.com/lit/ug/slau056g/slau056G.pdf
Schema aplicaţiei DMM427A_V1: http://focus.ti.com/lit/appl/dmm427a.sch

Contact:
Irina Marin
irina.marin@ecas.ro
ECAS ELECTRO
Tel: 021 204 81 00
Fax: 021 204 81 30
birou.vanzari@ecas.ro

Lasă un răspuns

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

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre