Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007), страница 6

АЦП воспринимает аналоговый сигнал, напряжение или ток, и преобразует его в цифровое слово, понятное микропроцессору (Рис.2.2а). На Рис.2.26 показан простой АЦП. Этот гипотетический элемент имеет два входа: опорное напряжение, Чаев (гетегепсе), и измеряемый сигнал. АЦП имеет один выход— цифровое слово размерностью 8 бит, представляющее в цифровой форме входную величину. Пока не будем касаться методов передачи этого слова микропроцессору. Опорное напряжение, Чягя 1.0 Чявя й 0.6уяяя $0.6Чявя жж 0.4 Чяее о ят 0.2чпм 32 64 96 129 !60 192 224 255 Вьжодной уровень(десятичное значение) в) Вход Выходное слово 16 бит) Опорное напряжение б) Рис. 2.2.

Простой АЦП 2 2. Описание А ЦЛ ° 33 2.2.1. Опорное напряжение Опорное напряжение, Ч„гг — максимальная величина напряжения, которую АЦП может преобразовать. В нашем примере АЦП может преобразовать напряжения с величинами от 0 до Чагг. Этот диапазон напряжений поделен на 256 уровней или шагов. Размер одного шага задается как: — = — =0.0195 В = 19.5 мВ. "'явр 5В 256 256 Это размер шага преобразователя.

Он также определяет разрешение АЦП. 2.2.2. Выходное слово Наш 8-битный преобразователь представляет аналоговый вход цифровым словом. Старший значащий бит этого слова (бит 7) показывает, выше ли входное напряжение, чел1 Чягг/2 (2.5 В при Чяв„= 5 В). Каждый следующий бит (от бита б до бита О, который будет младшим значащим битом— !еаз1 я8п!Всапг Ь!1, 1.8В) представляет половину значения предыдущего, как показано в таблице: Бит Бит7 Бить Бит5 Бит4 Битз Бит2 Бит! БитО Наирииеиие (В) 2.5 135 0.625 0.3125 0.156 0.070 0.039 0.0195 Так цифровое слово 0010 1100 представляет следующую величину: Складывая напряжения, соответствующие каждому единичному биту, мы получаем: 0.625 + 0.156 + 0.078 = 0.859 В. 2.2.3. Разрешение Разрешение АЦПопределяется опорным напряжением и шириной слава.

Разрешение устанавливает наименьшее изменение напряжения, которое может быть измерено АЦП и определяет точность АЦ/преобразования. Как упоминалось ранее, разрешение — это то же, что и размер наименьшего шага, и может быть вычислено делением Чяег на число возможных величин преобразования. 34 ° Глава 2. Лиатого-цифровые преойразоваоаели Например, мы все еше используем 8-битный АЦП с Чявг = 5 В, разрешение равно 0.0195 В (19.5 мВ).

Это значит, что любое входное напряжение меньше 19.5 мВ даст на выходе О. Входное напряжение между 19.5 и 39 мВ приведет к 1 на выходе. Между 39 и 58.6 м — к числу 2 и т. д. Разрешение может быть улучшено уменьшением Чявг. Изменение Чив„с 5 до 2.5 В даст разрешение 2.5/256 или 9.7 мВ. Однако максимальное измеряемое напряжение теперь составит не 5, а 2.5 В.

Есть только один путь увеличения разрешения без изменения опорного напряжения — использовать АЦП с большей шириной слова. Так 1О- битный АЦП с опорным напряжением 5 В имеет 2'", или! 024, возможных выходных двоичных кодов. Разрешение составит 5 В/1024 или 4.88 м В. г.з. т Ацп Существует несколько типов АЦП, работающих с разными скоростями, имеюшие различные интерфейсы и обеспечивающие различную точность. Рассмотрим их особенности. 2.3.1. Следящий АЦП Следящий А44П состоит из компаратора, реверсивного счетчика, управляемого компаратором, и ЦАП.

Компаратор сравнивает входное напряжение с выходным напряжением ЦАП и управляет направлением счета реверсивного счетчика (+/ — ). Если входное напряжение больше, чем напряжение ЦАП, счетчик под действием тактовых импульсов, поступающих на его вход «Такты» (в виде треугольника на схеме Рис.2.3а) считает на сложение (+), если же меньше напряжения ЦАП, счетчик считает на вычитание ( — ). Вход ЦАП соединен с выходом счетчика. Допустим Чягг = 5 В.

Это значит, что преобразователь сможет работать в диапазоне входных напряжений 0...5 В. Если старший значащий бит входного слова ЦАП равен 1, то Чцап = 2.5 В. Если следуюший бит равен 1, добавляется 1.25 В, устанавливая в результате 3.75 В. Каждый следукнций бит прибавляет половину выходного напряжения, соответствуюшего предыдушему биту. Таким образом, входные биты ЦАП соответствуют следуюшим напряжениям: Бит7 Бить Бит 5 Бит4 Бит3 Бит 2 Бит1 Бит0 Бит Напряжение(В) 2.5 1.25 0.625 0.3125 0.156 0.070 0.039 0.0195 На Рис.

2.3 показано, как следяший АЦП обрабатывает постоянный сигнал с уровнем Чв„= 0.37 В. Счетчик стартует с нуля, при этом выход компаратора находится в ВЫСОКОМ логическом уровне. Счетчик счита- 2.3, Типы АЦП ° 35 ет на сложение с каждым тактовым импульсом, ступенчато поднимая Чцдп. Когда счетчик пРоходит двоичнУю величинУ, пРедставлЯющУю Чвю то компаратор переключается, и счетчик начинает считать на вычитание. В итоге, счетчик будет колебаться вокруг величины, представляющей Чвх. Отс~ет 11 ие Тактовые импульсы Опорное ~апряжение Вход т12 ние 52 В э) Следящий АЦП Опо гапряж ыход — 1 à — 1 Г— Вмход ЦАП 58 4В ЗВ 2В 1В б) Параллельный АЦП Тактовые импульсы Опорное ~апряжение Вход а) АЦП последовательных приближений Рис.

2.3. Три типа АЦ П Выход ЦАП 0.5 В О.в В Д ОЗВ о.г в ОЛВ Время, 1 Преобразование входного сигнала О 37 В с использованием О... 5 В АЦП. Счетчик стартует с О, при атом напряженна О В на выходе ЦАП. Счетчик считает на сложение,увеличивая напряжение на выходе ЦАП до тех пар, пока компаратор не изменит свое состояние, после чего счетчик постоянно лерекяючается для поддержания выхода ЦАП на одном уровне с входной величиной. Время,т Преобразование входного сигнала 3 В с использованием О...5 В АЦП. Система последовательных приближений устанавливает бит 7, производя 2.5 В на выходе ЦАП,выходкомпаратора— высокий,так как входной сигнал больше уровня ЦАП Устанавливается бита, нв выходе ЦАП полтгаетсв 3.75 В, выход компаратора переходит в низкий уРовень, поэтому бит 6 сбрасывается, и устанавливается бит 5. Процесс продолжается до тех пор, пока не установятся все 8 бит, Зб ° Глава 2 Аниего-циффровы преобразователи Главный недостаток следящих АЦП вЂ” низкая скорость АЦ-преобразования.

Преобразование может занять до 256 тактов лля 8-битного выхода, 1024 такта для 10-битного значения и т. д. К тому же, скорость преобразования изменяется в зависимости от Чвх, Если бы напряжение в данном примере составляло 0.18 В, преобразование заняло только половину тактов по сравнению с Чвх = 0.37 В. Максииильная тактовая частота АЦП следящего типа зависит от задержки распространения сигнала в ЦАП и компараторе.

После каждого тактового импульса выход счетчика должен быть преобразован ЦАП, а результат преобразования с выхода поступить на инверсный вход компаратора. Компаратор отнимает некоторую часть времени для реакции на изменение Чцдп, производя новый управляющий сигнал на сложение или вычитание для реверсивного счетчика. Все задержки сигнала делают следящий АЦП самым медленным из всех представленных типов АЦП. Следящие АЦП широкого распространения не получили; среди интегральных схем, выпускаемыми крупными фирмами, такими как Апа!ой !геч)сея, Махни, Вцгг-Вгони (все перечисленные выпускают АЦП), невозможно найти следящих АЦП. Надо отметить, что АЦП последовательных приближений с такой шириной слова работает с большим быстродействием.

Однако встречаются такие случаи, когда следящий АЦП будет полезным. Например, если сигнал изменяется медленно по отношению к частоте дискретизации, следящий АЦП будет устанавливать выходное число за меньшее число тактов, чем АЦП последовательных приближений. Однако, поскольку следящих АЦП не выпускают и, следовательно, их нет в продаже, такой преобразователь придется собирать из дискретных элементов. 2.3.2. Параллельный АЦП Параллельный АЦП (Рис. 2 Зб) — самый быстрый из выпускаемых изготовителямии. Параллельный АЦП содержит по ком паратору на каждый шаг напряжения. На один из входов каждого компаратора подается измеряемое напряжение.

Другие входы компараторов подключаются к линейке резисторов. Если двигаться вверх по этой линейке, то можно заметить, что каждый последующий компаратор подключен к более высокому напряжению с постоянным шагом приращения напряжения. В зависимости от изменения входного напряжения будут переключены в состояние 1 только те компараторы, у которых было превышена опорное напряжение. Сигналы с выходов всех компараторов поступают в логический блок — шифратор, который и задает выходное цифровое ш-битное слово АЦП в зависимости от того, какие компараторы в состоянии О, а какие в состоянии !. Число компараторов определяется числом кодовых комбинаций 2 — 1, где ш— 2.3.

7ыиы АЦП ° 37 разрешение АЦП. Тогда для 3-битного АЦП потребуется 7 компараторов, для 4-битного — 15 компараторов и т. д. Разрешение параллельного АЦП ограничено, как правило, от б до 12 бит. Несложно подсчитать, что в АЦП на такое разрешение потребуется б3 входных компаратора. Скорость преобразования параллельного АЦП складывается из времени задержки одного компаратора и логического блока (время задержки логических цепей обычно пренебрежимо мало). Параллельные АЦП самые быстродействуюшие среди основных типов АЦП. Их бысл7родейсавие составляет десятые доли микросекунд.

К недостаткам параллельных АЦП можно отнести резкое увеличение входных компараторов вместе с увеличением разрешения. По этой причине для них недостижим барьер в 12 бит, лаже с увеличением степени интеграции микросхем. Такие огромные объемы интегральных элементов (компараторов и кодируюшей логики шифраторов) в одной микросхеме реально влияют на рабочие характеристики. Использование большого числа компараторов ведет к увеличению потребляемого тока.

Так, например, 10-битный параллельный АЦП может потреблять ток до 0.5 А. В свою очередь ток потребления определяет рассеиваемую мощыосп76 корпусом микросхемы. 8-12-битные АЦП должны иметь на плате эффективный теплоотвод от корпуса АЦП. 2.3.3. АЦП последовательных приближений АЦП последовательных лрибяилгений (Рис.2.3в) подобен следяшему АЦП в том, что система ЦАП/счетчик формирует напряжение, которое поступает на один вход компаратора, а входной сигнал поступает на другой вход.

Различие состоит в том, что регистр последовательных приближений выполняет двоичный поиск, вместо счета вверх или вниз по единице. Возьмем для примера, что начальное входное напряжение составляет 3 В, а опорное 5 В (Рис. 2.3). Регистр последовательных приближений исполнит преобразование следуюшим образом: Установить ИВВ, напряжение ыа выходе ЦАГ равно 2.5 В Выход кампаратора — высокий догическмй уровень, нзв остается установпеныым.