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 компьюте
рам, микропроцессорам и микроконтроллерам. Раскрывается специфика приме
нения таких интерфейсов, как I2С, SPI/Microware, SMBus, RS232/485/422, токо
вая 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, эн
кодеры. Рассмотрены исполнительные устройства — двигатели, терморегуляторы
— и вопросы их управления в составе систем автоматического управления различ
ного типа (релейного, пропорционального и ПИД). Книга снабжена иллюстраци
ями, наглядно представляющими аппаратные и программные особенности при
менения элементов аналоговой и цифровой техники.
Заинтересует не только начинающих радиолюбителей, но и специалистов,
имеющих стаж работы с аналоговой и цифровой техникой, а также студентов тех
нических 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, ксероко
пирование или иные средства копирования или сохранения информации, без письменного разреше
ния издательства.
договору с Elsevier Inc., 200 Wheeler Road, 6th Floor, Burlington, MA01803, USA.
© Elsevier Science (USA)
ISBN 0750677236 (англ.)
ISBN 9785941201426 (Додэка)
ISBN 9785970605264 (ДМКПресс)
©Макет, Издательский дом «ДодэкаXXI»
©Издание, ДМК Пресс, 2017
Настоящее издание «Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров» Стюарта Болла Р. выполнено по
Стр.5
Оглавление IJ 5
ОГЛАВЛЕНИЕ
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
Стр.6
6 IJ 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
Стр.7
Оглавление IJ 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
Стр.8
8 IJ 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
Стр.9
Оглавление IJ 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
Стр.10
10 IJ 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
Стр.11
Оглавление IJ 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
Стр.12