Πώς να κάνετε το ADC Current Sense: 5 Βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:33

Σε αυτό το Instructable θα περιγράψουμε πώς να εφαρμόσετε έναν μετατροπέα αναλογικού-ψηφιακού 8-bit (ADC) στο SLG46855V που μπορεί να αισθανθεί ρεύμα φόρτωσης και διασύνδεση με MCU μέσω I2C. Αυτός ο σχεδιασμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διάφορες εφαρμογές ανίχνευσης ρεύματος, όπως αμπερόμετρα, συστήματα ανίχνευσης βλαβών και μετρητές καυσίμου.

Παρακάτω περιγράψαμε τα βήματα που απαιτούνται για να κατανοήσουμε πώς έχει προγραμματιστεί η λύση για τη δημιουργία της τρέχουσας αίσθησης ADC. Ωστόσο, εάν θέλετε απλώς να λάβετε το αποτέλεσμα προγραμματισμού, κατεβάστε το λογισμικό GreenPAK για να δείτε το ήδη ολοκληρωμένο GreenPAK Design File. Συνδέστε το GreenPAK Development Kit στον υπολογιστή σας και πατήστε το πρόγραμμα για να δημιουργήσετε την τρέχουσα αίσθηση ADC.

Βήμα 1: Αρχιτεκτονική ADC

Το ADC αποτελείται ουσιαστικά από έναν αναλογικό συγκριτή και έναν ψηφιακό σε αναλογικό μετατροπέα (DAC). Ο συγκριτής ανιχνεύει την τάση εισόδου έναντι της τάσης εξόδου DAC και στη συνέχεια ελέγχει αν θα αυξήσει ή θα μειώσει τον κωδικό εισόδου DAC, έτσι ώστε η έξοδος DAC να συγκλίνει στην τάση εισόδου. Ο κωδικός εισόδου DAC που προκύπτει γίνεται ο ψηφιακός κωδικός εξόδου ADC.

Στην εφαρμογή μας, δημιουργούμε ένα DAC χρησιμοποιώντας ένα δίκτυο αντιστάσεων ελεγχόμενης διαμόρφωσης παλμού (PWM). Μπορούμε εύκολα να δημιουργήσουμε μια ακριβή ψηφιακά ελεγχόμενη έξοδο PWM χρησιμοποιώντας το GreenPAK. Το PWM όταν φιλτράρεται γίνεται η αναλογική μας τάση και έτσι χρησιμεύει ως αποτελεσματικό DAC. Ένα ξεχωριστό πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι ότι είναι εύκολο να ορίσετε τις τάσεις που αντιστοιχούν σε μηδενικό κωδικό και πλήρη κλίμακα (ισοδύναμα μετατόπιση και κέρδος) με απλή προσαρμογή των τιμών αντίστασης. Για παράδειγμα, ένας χρήστης θέλει ιδανικά να διαβάσει μηδενικό κωδικό από αισθητήρα θερμοκρασίας χωρίς ρεύμα (0 μA) που αντιστοιχεί σε 4,3 V, και κωδικό πλήρους κλίμακας στα 1000 μA που αντιστοιχεί σε 3,9 V (Πίνακας 1). Αυτό υλοποιείται εύκολα ρυθμίζοντας απλά μερικές τιμές αντίστασης. Με το εύρος ADC να ταιριάζει με το εύρος αισθητήρων που μας ενδιαφέρει, αξιοποιούμε στο έπακρο την ανάλυση ADC.

Ένας σχεδιαστικός παράγοντας για αυτήν την αρχιτεκτονική είναι ότι μια εσωτερική συχνότητα PWM πρέπει να είναι πολύ ταχύτερη από το ρυθμό ενημέρωσης ADC για να αποφευχθεί η υποτονισμένη συμπεριφορά του βρόχου ελέγχου. Τουλάχιστον θα πρέπει να είναι μεγαλύτερο από το ρολόι μετρητή δεδομένων ADC διαιρούμενο με 256. Σε αυτόν τον σχεδιασμό, η περίοδος ενημέρωσης ADC έχει οριστεί στα 1,3312 ms.

Βήμα 2: Εσωτερικό κύκλωμα

Το εύκαμπτο ADC βασίζεται στο σχέδιο που παρουσιάζεται στο Dialog Semiconductor AN-1177. Η ταχύτητα ρολογιού αυξάνεται από 1 MHz σε 12,5 MHz για να χρονομετρηθεί ο μετρητής ADC αφού το SLG46855 διαθέτει διαθέσιμο ρολόι 25 MHz. Αυτό επιτρέπει πολύ ταχύτερο ρυθμό ενημέρωσης για καλύτερη ανάλυση δείγματος. Το χρονόμετρο LUT του ρολογιού δεδομένων ADC αλλάζει έτσι ώστε να περνάει από το σήμα 12,5 MHz όταν ο PWM DFF είναι χαμηλός.

Βήμα 3: Εξωτερικό κύκλωμα

Μια εξωτερική αντίσταση και ένα πυκνωτικό δίκτυο χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή ενός PWM σε αναλογική τάση όπως φαίνεται στο σχηματικό κύκλωμα στο σχήμα 1. Οι τιμές υπολογίζονται για μέγιστη ανάλυση για το μέγιστο ρεύμα που θα αντιληφθεί η συσκευή. Για να επιτευχθεί αυτή η ευελιξία, προσθέτουμε αντιστάσεις R1 και R2 παράλληλα με VDD και γείωση. Ένας διαχωριστής αντίστασης διαιρεί το VBAT στη χαμηλή πλευρά του εύρους τάσης. Ο λόγος διαιρέτη για έναν αναμενόμενο ελάχιστο VBAT μπορεί να λυθεί χρησιμοποιώντας την εξίσωση 1.

Βήμα 4: Οδηγίες ανάγνωσης I2C

Ο Πίνακας 1 περιγράφει τη δομή εντολών I2C για ανάγνωση των δεδομένων που είναι αποθηκευμένα στο CNT0. Οι εντολές I2C απαιτούν ένα bit έναρξης, byte ελέγχου, διεύθυνση λέξης, bit ανάγνωσης και bit διακοπής.

Ένα παράδειγμα εντολής I2C για ανάγνωση της καταμετρημένης τιμής CNT0 γράφεται παρακάτω:

[0x10 0xA5] [0x11 R]

Η καταμετρημένη τιμή που διαβάζεται θα είναι η τιμή κωδικού ADC. Για παράδειγμα, ένας κωδικός Arduino περιλαμβάνεται στο αρχείο ZIP αυτής της σημείωσης εφαρμογής στον ιστότοπο του Dialog.

Βήμα 5: Αποτελέσματα

Για να ελεγχθεί η ακρίβεια του σχεδιασμού ρεύματος ADC, οι μετρημένες τιμές σε ένα δεδομένο ρεύμα φορτίου και επίπεδο VDD συγκρίθηκαν με μια θεωρητική τιμή. Οι θεωρητικές τιμές ADC υπολογίστηκαν με την εξίσωση 2.

Το ILOAD που συσχετίζεται με μια τιμή ADC βρίσκεται με την εξίσωση 3.

Για τα ακόλουθα αποτελέσματα χρησιμοποίησα αυτές τις τιμές συστατικών που εμφανίζονται στον Πίνακα 3.

Η ανάλυση της τιμής ADC σε μετατροπή ILOAD μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας την εξίσωση 3 με τις μετρημένες τιμές στον Πίνακα 2 και την τιμή ADC να οριστεί σε 1. Με VBAT 3,9 V η ανάλυση είναι 4,96 μA/div.

Προκειμένου να βελτιστοποιηθεί το κύκλωμα αίσθησης ADC ρεύματος σε ελάχιστο επίπεδο VDD 3,6 V με μέγιστο ρεύμα 1100 μA και αντίσταση αίσθησης 381 Ω, ο ιδανικός συντελεστής διαίρεσης θα είναι 0,884, με βάση την εξίσωση 1. Με τις τιμές που δίνονται στον πίνακα 2, ο πραγματικός διαιρέτης έχει συντελεστή διαίρεσης 0,876. Δεδομένου ότι αυτό είναι ελαφρώς μικρότερο, θα επιτρέψει ένα ελαφρώς μεγαλύτερο εύρος ρεύματος φορτίου, έτσι ώστε οι τιμές ADC να πλησιάζουν το πλήρες εύρος, αλλά δεν θα υπερχειλίζουν. Η πραγματική τιμή του διαιρέτη υπολογίζεται με την εξίσωση 4.

Πάνω (Εικόνες 2-6, Πίνακες 4-6) είναι οι μετρήσεις του κυκλώματος σε τρία επίπεδα τάσης: 4,3 V, 3,9 V και 3,6 V. Κάθε επίπεδο εμφανίζει ένα γράφημα που εμφανίζει τη διαφορά μεταξύ των μετρημένων και θεωρητικών τιμών ADC. Οι θεωρητικές τιμές στρογγυλοποιούνται στον πλησιέστερο ακέραιο ακέραιο. Υπάρχει ένα συνοπτικό γράφημα για τη σύγκριση των διαφορών στα τρία επίπεδα τάσης. Στη συνέχεια, υπάρχει ένα γράφημα που δείχνει τη συσχέτιση μεταξύ των θεωρητικών τιμών ADC και του ρεύματος φορτίου στα διαφορετικά επίπεδα τάσης.

συμπέρασμα

Η συσκευή δοκιμάστηκε σε τρία επίπεδα τάσης: 3,6 V, 3,9 V και 4,3 V. Το εύρος αυτών των τάσεων διαμορφώνει μια πλήρη μπαταρία ιόντων λιθίου που αποφορτίζεται στο ονομαστικό της επίπεδο. Από τα τρία επίπεδα τάσης, παρατηρείται ότι η συσκευή ήταν τυπικά πιο ακριβής στα 3,9 V για το επιλεγμένο εξωτερικό κύκλωμα. Η διαφορά μεταξύ των μετρημένων και θεωρητικών τιμών ADC ήταν μόνο 1 δεκαδική τιμή μακριά στα ρεύματα φορτίου 700 - 1000 μA. Στη δεδομένη περιοχή τάσης, οι μετρημένες τιμές ADC ήταν 3 δεκαδικά ψηφία πάνω από τις ονομαστικές συνθήκες στη χειρότερη περίπτωση. Περαιτέρω προσαρμογές στο διαχωριστή αντίστασης μπορούν να γίνουν για τη βελτιστοποίηση διαφορετικών επιπέδων τάσης VDD.