Mikroprocesor MSP430F47193 od Texas Instruments je ideální pro novou generaci digitálních elektroměrů. Jeho součástí jsou tři samostatné, 16bitové analogově-digitální převodníky (SD16) typu Sigma-Delta s diferenciálními vstupy a integrovaným zesilovačem. Jedná se tedy o speciální obvod, určený pro použití v aplikacích jako jsou například zmíněné inteligentní elektroměry.
F47193 vychází z rodiny mikrokontrolérů MSP430F471xx, která obsahuje celkem 14 zástupců. Jednotlivé obvody se liší jak velikostí paměti Flash a RAM, tak i počtem dostupných převodníků SD16. Mikrokontroléry této řady mají také velmi nízkou spotřebu v aktivním stavu, která nepřekračuje hodnotu 250 µA/MHz. V pohotovostním režimu pak statický odběr obvodů klesá na 1,1 µA a v režimu spánku dokonce až na 0,2 µA.
Na obr. 1 vidíme blokové schéma F47193.
Analogově-digitální převodník SD16
Mikrokontrolér MSP430F47193 klade velký důraz na styk s analogovým okolím. Jeho součástí jsou tři samostatné analogově-digitální převodníky s diferenciálními vstupy a konfigurovatelnými zesilovači (PGA). Pro zvýšení amplitudy příliš nízkého napětí nebo proudu je k dispozici celkem šest stupňů zesílení (1, 2, 4, 8, 16 a 32). Jedině tak je možné měřit například proud v rozmezí od 0,1 až do 80 A v plném rozlišení integrovaného převodníku. Pro malé hodnoty lze nastavit maximální dostupné zesílení (32) a při měření vyšších úrovní pak volit naopak nižní zesílení. Samotná volba zisku se přitom provádí automaticky.
Na obr. 2 jsme zachytili blokové schéma převodníků SD16.
Rogowského cívka
Pro bezkontaktní a zároveň velmi přesné měření střídavého proudu se dnes nejčastěji využívá tzv. Rogowského cívka (více viz také článek Co je, k čemu je a jak funguje Rogowského cívka? zveřejněný na stránkách automatizace.hw.cz). S její pomocí se silový proud převádí na lineární hodnotu napětí. Jde tedy o bezkontaktní měření proudu proudovým transformátorem, viz. obr. 3.
Rogowského cívka patří do skupiny proudových transformátorů s rozsahem od 0,1 do 80 A. Vzhledem k tomu, že velikost indukovaného napětí je při malých proudech velice nízká, musí se pro měření použít speciální technologie. Nejjednodušší řešení představují již zmíněné Sigma-Delta převodníky – SD16. Díky tomu, že na jediném čipu integrují zároveň převodník i zesilovač, umožňují snadné získání velice přesné hodnoty proudu na primární straně transformátoru (proudu tekoucího do zátěže). Z toho plyne, že nové mikrokontroléry z nabídky společnosti Texas Instruments tvoří přímo ideální obvody pro použití v aplikacích digitálních elektroměrů.
Výstupní napětí Rogowského cívky je přímo úměrné primárnímu proudu. Na obr. 4 vidíme závislost výstupního napětí a měřeného proudu na proudovém transformátoru (CT) při zatížení odporem RB = 10 kOhmů.
Jak je vidět, proudy nad 1 A je možné měřit prakticky libovolným analogově-digitálním převodníkem. Problém však nastane v případě proudů pod 1 A. Například při měření 100 mA je na výstupu Rogowského cívky dostupné napětí pouze 125 µV!
Následující vzorec znázorňuje proporcionální vztah výstupního napětí:
VOUT = N*di/dt
kde N je počet závitů sekundárního vinutí a poměr di/dt představuje diferenciální závislost proudu na čase (možná vhodněji jako přímá úměra bez rovnítka - pozn. red.). Při měření proudu v rozmezí od 0,1 do 1,0 A musíme ale navíc počítat s nelineární závislostí Rogowského cívky. Tato vlastnost bývá zohledňována při měření a s pomocí konstant, dodaných výrobcem, korigována. Jinak je v aplikaci s výhodou využívána funkce automatické změny rozsahu. Měření sekundárního napětí transformátoru začíná vždy při nastavení nejvyššího zisku vstupního zesilovače (32). Jakmile získaná hodnota přesáhne 80 % celého rozsahu analogově-digitálního převodníku (tedy hodnoty FSR), dojde k automatickému přepnutí na nižší stupeň zesílení.
VFSR=[(VREF/2)/GAIN (PGA)]
Pokud se hodnota napětí nachází i nadále na horním okraji rozsahu analogového převodníku, zvolí se další nižší hodnota. Tento postup se opakuje tak dlouho, dokud se pro vstupní zesilovač nepodaří nalézt vhodný zisk. Celý proces obvykle trvá jen několik milisekund.
Popis aplikace AC-F47193
Na obr. 8 je uvedené blokové schéma elektroměru s obvodem F47193. Pro napájení celého zařízení nám postačí malá baterie typu CR2032, přičemž analogové a digitální napájecí napětí (AVCC + DVCC) se tak získává z jediného zdroje. Analogové napájecí napětí se přivádí na piny 7 (AVSS) a 8 (AVCC), digitální napájecí napětí pak na piny 95 (DVSS) a 92 (DVCC).
Oscilátor (systémové CLK)
Mikroprocesor je v obvodu taktován 1 MHz krystalem, který je připojen na piny 65/66 (Xin/Xout). Modul oscilátoru (obr. 5), který je součástí mikroprocesoru, je konfigurován tak, aby do systému dodával hodinový signál ACLK = 1 MHz a MCLK = 4 MHz. Zapnutí režimu „vysoké taktovací frekvence“ se provede nastavením bitu XTS_FLL v kontrolním registru FLL_CTL0 na hodnotu 1.
Proud do zátěže, která je na blokovém schématu označená jako LOAD, protéká přímo přes Rogowského cívku. V ní se primární proud (proud to zátěže) přeměňuje na úměrnou velikost sekundárního napětí, které je dále přivedeno na piny 1 a 2 analogově-digitálního převodníku (kanál 0). Ten je v mikroprocesoru integrován i včetně zdroje referenčního napětí. Příslušné blokové schéma vidíme na obr 2.
Nyní, jakmile je rozdíl vstupního napětí na kanálu 0 menší než 1 mV, jsou získané hodnoty softwarově korigovány pomocí výše zmíněných kalibračních hodnot. Jakmile pak měřený proud překročí hodnotu 1 A, je převodní charakteristika proudového transformátoru lineární a získané hodnoty nevyžadují žádnou další korekci. Výsledek softwarové kalibrace vidíme na následujících dvou grafech. Vlevo je výsledek pro zatěžovací proudy od 0,1 A do 1,0 A, vpravo pak pro proudy od 1,0 A do 16,0 A.
Jak můžeme vidět, oba proudové rozsahy jsou nyní dostatečně lineární. Maximální odchylka při proudu 0,1 až 1,0 A nepřekračuje hodnotu ±0,55 %. Ve druhém rozsahu je přesnost měření závislá především na modulu převodníku a je tak dokonce lepší než ±0,2 %.
Měření velikosti napětí zajišťuje druhý kanál analogově-digitálního převodníku. Síťové napětí je pro diferenciální vstupy kanálu CH2 snížené pomocí odporového děliče R1/R2 a zesílení vstupního zesilovače je nastavené na hodnotu 1. Případné rušení ze sítě se potlačuje tzv. anti - aliasingovým filtrem (AAF).
Zobrazení naměřených hodnot
LCD Rozhraní (Port2: Pin 80 ... Pin 82)
Pro naši aplikaci byl vybrán barevný displej s rozlišením 48 x 84 pixelů, přičemž jeho řízení zajišťuje sériové rozhraní SPI (Serial Peripheral Interface). Rozhraní pracuje v tzv. „3-pinovém režimu“, kde se procesor chová jako Master a LCD displej jako Slave. Pro rozhraní je na mikrokontroléru MSP430F47193 využit Port 2 s následujícími piny: Port 2.7 (pin 76) představuje volbu obvodu - Chip Select (CS), který má v klidovém stavu vysokou úroveň a povoluje komunikaci s LCD displejem. Hodinový signál o frekvenci 1 MHz je dostupný na pinu LCD_CLK – Port 2.3 (pin 80), atd. Dále bych ještě zmínil Port 2.0 s funkcí RESET nebo řízení podsvětlení LCD displeje, které máme na Portu 2.6 (pin 77).
Ovládání
Ovládání aplikace je velice jednoduché. Jak jsem již zmínil dříve, jednotlivé rozsahy se volí zcela automaticky. Dostupné ovládací prvky slouží pouze k zapnutí a vypnutí přístroje.
Pro zajištění bezpečného provozu je kanál CH5 integrovaného analogově-digitálního převodníku využíván k hlídání napětí napájecí baterie. Díky integrovanému napěťovému děliči na AVCC může být taková funkce realizována i bez dalšího hardwaru. Pravidelné hlídání AVCC umožňuje včasné spuštění alarmu a zobrazení varovné zprávy „Low BAT“ na displeji přístroje.
Na obr. 8 zachycujeme blokové schéma elektroměru.
Obr. 8: Blokové schéma aplikace AC-F47193
Závěr:
Uvedený obvod umožňuje přesné bezkontaktní měření střídaného proudu a to i v případě mobilního provedení. Mikroprocesor MSP430F47193 od Texas Instruments je navržen speciálně pro použití v celé řadě přesných měřicích, průmyslových a lékařských přístrojů. Díky jeho integrovaným funkcím můžeme vždy udržet velmi nízký počet externích komponent.
Aplikace:
Elektroměry, měřiče napětí a proudu, lékařské aplikace
Odkazy:
- Texas Instruments: www.ti.com
- Datasheet MSP430F471x3: http://www-s.ti.com/sc/ds/msp430f47193.pdf
- Uživatelská příručka rodiny mikrokontrolérů MSP430x471xx: SLAU056.pdf
Komentáře
Proč pokládat 16-bit Sigma Delta A/D Converter za něco extra?
TI je montuje i do mnohem levnějších mcu, teď zrovna se dívám na pár kusů MSP430F2013 na stole před sebou. Takže obdivovatelům přesných převodů opravdu stačí pár šupů na pořízení mcu s tímto ADC.
Mard