2. Обобщенная архитектура микроконтроллеров. Типовые периферийные устройства.

Периферийные устройства предназначены для преобразования формы представления информации в процессе передачи данных от микропроцессора к внешним устройствам. Типовые примеры — устройства преобразования сигналов (аналого-цифровые и цифро-аналоговые частотные преобразователи), устройства человеко-машинного интерфейса (клавиатура, дисплей), устройства связи с другими системами.

АЦП и ЦАП

Принцип работы АЦП состоит в измерении уровня входного сигнала и выдаче результата в цифровой форме. В результате работы АЦП непрерывный аналоговый сигнал превращается в импульсный, с одновременным измерением амплитуды каждого импульса. ЦАП получает на входе цифровое значение амплитуды и выдает на выходе импульсы напряжения или тока нужной величины, которые расположенный за ним интегратор (аналоговый фильтр) превращает в непрерывный аналоговый сигнал.

Внимание! Для правильной работы АЦП входной сигнал не должен изменяться в течение времени преобразования, для чего на его входе обычно помещается схема выборки-хранения, фиксирующая мгновенный уровень сигнала и сохраняющая его в течение всего времени преобразования.

На выходе ЦАП также может устанавливаться подобная схема, подавляющая влияние переходных процессов внутри ЦАП на параметры выходного сигнала.

Основные типы АЦП:

• параллельные — входной сигнал одновременно сравнивается с эталонными уровнями набором схем сравнения (компараторов), которые формируют на выходе двоичное значение. В таком АЦП количество компараторов равно (2 в степени N) — 1, где N — разрядность цифрового кода (для восьмиразрядного — 255), что не позволяет наращивать разрядность свыше 10-12.

• последовательного приближения — преобразователь при помощи вспомогательного ЦАП генерирует эталонный сигнал, сравниваемый с входным. Эталонный сигнал последовательно изменяется по принципу половинного деления (дихотомии), который используется во многих методах сходящегося поиска прикладной математики. Это позволяет завершить преобразование за количество тактов, равное разрядности слова, независимо от величины входного сигнала.

• с измерением временных интервалов — широкая группа АЦП, использующая для измерения входного сигнала различные принципы преобразования уровней в пропорциональные временные интервалы, длительность которых измеряется при помощи тактового генератора высокой частоты.

• последовательного счета, или однократного интегрирования (single-slope) — в каждом такте преобразования запускается генератор линейно возрастающего напряжения, которое сравнивается со входным. Обычно такое напряжение получают на вспомогательном ЦАП, подобно АЦП последовательного приближения.

• двойного интегрирования (dual-slope) — в каждом такте преобразования входной сигнал заряжает конденсатор, который затем разряжается на источник опорного напряжения с измерением длительности разряда.

• следящие — вариант АЦП последовательного счета, при котором генератор эталонного напряжения не перезапускается в каждом такте, а изменяет его от предыдущего значения до текущего. Наиболее популярным вариантом следящего АЦП является Sigma-Delta, работающий на частоте, значительно(в 64 и более раз) превышающей частоту дискретизации выходного цифрового сигнала. Компаратор такого АЦП выдает значения пониженной разрядности (обычно однобитовые —0/1), сумма которых на интервале дискретизации пропорциональна величине отсчета. Последовательность малоразрядных значений подвергается цифровой фильтрации и понижению частоты следования (decimation), в результате чего получается серия отсчетов с заданной разрядностью и частотой дискретизации.

Основные типы ЦАП:

• взвешивающие — с суммированием взвешенных токов или напряжений, когда каждый разряд входного слова вносит соответствующий своему двоичному весу вклад в общую величину получаемого аналогового сигнала; такие ЦАП называют также параллельными или многоразрядными(multibit)

• Sigma-Delta, по принципу действия обратные АЦП этого же типа. Входной цифровой сигнал подвергается значительной (64x и более) передискретизации и подается на модулятор, формирующий малоразрядные(обычно однобитовые) значения. Полученные в результате малоразрядные отсчеты управляют схемой выдачи эталонных зарядов, которые со столь же высокой частотой добавляются к выходному сигналу. Типы ЦАП, выдающих истинно одноразрядный поток, называют bitstream (поток битов) или PDM (Pulse Density Modulation — модуляция плотностью импульсов). Несколько другой тип представляют ЦАП с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ, Pulse Width Modulation, PWM), когда на схему выборки-хранения аналогового сигнала выдаются импульсы постоянной амплитуды и переменной длительности, управляя дозированием выдаваемого на выход заряда.

Параметры АЦП

При последовательном возрастании значений входного аналогового сигнала Uвх(t) от 0 до величины, соответствующей полной шкале АЦП Uпш выходной цифровой сигнал D(t) образует ступенчатую кусочно-постоянную линию. Такую зависимость по аналогии с ЦАП называют обычно характеристикой преобразования АЦП. В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой 1 (рис. 24), которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Для количественной оценки отличий реальной характеристики от идеальной используются следующие параметры:

Статические параметры

• Разрешающая способность — величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающая способность выражается в процентах, разрядах или децибелах. Например, 12-разрядный АЦП имеет разрешающую способность 1/4096, или 0,0245% от полной шкалы, или -72,2 дБ. Разрешающей способности соответствует шаг квантования, номинальное значение шага квантования h=Uпш/(2N-1), где Uпш — номинальное максимальное входное напряжение АЦП(опорное напряжение), соответствующее максимальному значению выходного кода, N — разрядность АЦП.

• Погрешность полной шкалы — относительная разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля.

• Погрешность смещения нуля — значение выходного кода, когда входной сигнал АЦП равен нулю. Является аддитивной составляющей полной погрешности.

• Нелинейность — максимальное отклонение реальной характеристики преобразования D(Uвх) от оптимальной (линия 2 на рис. 24). Оптимальная характеристика находится эмпирически так, чтобы минимизировать значение погрешности нелинейности.

• Дифференциальной нелинейностью АЦП в данной точке k характеристики преобразования называется разность между значением кванта преобразования hk и средним значением кванта преобразования h. В спецификациях на конкретные АЦП значения дифференциальной нелинейности выражаются в долях ЕМР или процентах от полной шкалы.

• Погрешность дифференциальной линейности определяет два важных свойства АЦП: непропадание кодов и монотонность характеристики преобразования. Непропадание кодов — свойство АЦП выдавать все возможные выходные коды при изменении входного напряжения от начальной до конечной точки диапазона преобразования. Пример пропадания кода i+1 приведен на рис. 25. При нормировании непропадания кодов указывается эквивалентная разрядность АЦП — максимальное количество разрядов АЦП, для которых не пропадают соответствующие им кодовые комбинации.

• Монотонность характеристики преобразования — это неизменность знака приращения выходного кода D при монотонном изменении входного преобразуемого сигнала.

• Температурная нестабильность АЦ-преобразователя характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.

Динамические параметры

Возникновение динамических погрешностей связано с дискретизацией сигналов, изменяющихся во времени.

• Максимальная частота дискретизации (преобразования) — это наибольшая частота, с которой происходит образование выборочных значений сигнала, при которой выбранный параметр АЦП не выходит за заданные пределы. Измеряется числом выборок в секунду. Выбранным параметром может быть, например, монотонность характеристики преобразования или погрешность линейности.

• Время преобразования (tпр) — это время, отсчитываемое от начала импульса дискретизации или начала преобразования до появления на выходе устойчивого кода, соответствующего данной выборке. Для одних АЦП, например, последовательного счета или многотактного интегрирования, эта величина является переменной, зависящей от значения входного сигнала, для других, таких как параллельные или последовательно-параллельные АЦП, а также АЦП последовательного приближения, примерно постоянной. При работе АЦП без УВХ время преобразования является апертуным временем.

• Время выборки (стробирования) — время, в течение которого происходит образование одного выборочного значения. При работе без УВХ равно времени преобразования АЦП.

Параметры ЦАП

При последовательном возрастании значений входного цифрового сигнала D(t) от 0 до 2N-1 через единицу младшего разряда (ЕМР) выходной сигнал Uвых(t) образует ступенчатую кривую. Такую зависимость называют обычно характеристикой преобразования ЦАП. В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой 1 (рис. 22), которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Реальная характеристика преобразования может существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек, а также расположением на плоскости координат. Большинство параметров аналогично рассмотренным выше параметрам для АЦП, ниже рассмотрены специфические:

Динамические параметры ЦАП определяются по изменению выходного сигнала при скачкообразном изменении входного кода, обычно от величины "все нули" до "все единицы" .

Время установления — интервал времени от момента изменения входного кода (на рис. 23 t=0) до момента, когда в последний раз выполняется равенство |Uвых-Uпш|=d/2

Скорость нарастания — максимальная скорость изменения Uвых(t) во время переходного процесса. Определяется как отношение приращения Uвых ко времени, за которое произошло это приращение. Обычно указывается в технических характеристиках ЦАП с выходным сигналом в виде напряжения. У ЦАП с токовым выходом этот параметр в большой степени зависит от типа выходного ОУ. Для перемножающих ЦАП с выходом в виде напряжения часто указываются частота единичного усиления и мощностная полоса пропускания, которые в основном определяются свойствами выходного усилителя.

Интерфейсы

Объединение модулей микропроцессорного устройства в единую систему и взаимодействие микропроцессора с внешними устройствами происходит с помощью интерфейса (от англ. «interface» — сопрягать, согласовывать).

Интерфейс должен обеспечивать:

• простое и быстрое соединение данного устройства с любым другим, имеющим такой же интерфейс;

• совместную работу устройств без ухудшения их технических характеристик;

• высокую надежность.

Под стандартным интерфейсом понимается совокупность аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных компонентов в системах и направленных на обеспечение информационной, электрической и

конструктивной совместимости компонентов.

Основными элементами интерфейса являются:

• совокупность правил обмена информацией (временные диаграммы и диаграммы состояний сигналов интерфейса)

• аппаратная реализация (контроллеры)

• программное обеспечение интерфейса (драйверы)

Для любого интерфейса, соединяющего (физически или логически) два устройства, различают три возможных режима обмена — дуплексный, полудуплексный и симплексный:

• Дуплексный режим позволяет по одному каналу связи одновременно передавать информацию в обоих направлениях. Он может быть асимметричным, если пропускная способность в направлениях «туда» и «обратно» имеет существенно различающиеся значения, или симметричным.

• Полудуплексный режим позволяет передавать информацию «туда» и «обратно» поочередно, при этом интерфейс имеет средства переключения направления канала.

• Симплексный (односторонний) режим предусматривает только одно направление передачи информации (во встречном направлении передаются только вспомогательные сигналы интерфейса). В зависимости от способа передачи данных различают два вида интерфейса: последовательный и параллельный.

В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно байта) выставляются и передаются по соответствующим параллельно идущим проводам одновременно (за один квант времени), то есть информация разворачивается в пространстве. Параллельный способ применяют в тех случаях, когда необходимо получить наивысшую пропускную способность канала передачи информации. Так как между отдельными проводниками шины для параллельной передачи данных существует электрическая емкость, то при изменении сигнала, передаваемого по одному из проводников, возникает помеха (короткий выброс напряжения) на других проводниках. С увеличением длины шины (увеличением емкости проводников) помехи возрастают и могут восприниматься приемником как сигналы. Поэтому рабочее расстояние для шины параллельной передачи данных ограничивается длиной 1-2 м, и только за счет существенного удорожания шины или снижения скорости передачи длину шины можно увеличить до 10-20 м

Последовательный интерфейс для передачи данных использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно, на каждый из них отводится свой квант времени (битовый интервал). При последовательной передачи информации разворачивается во времени. Последовательная передача позволяет сократить количество сигнальных линий и увеличить дальность связи. В последовательном канале асинхронный режим работы соответствует передаче всего массива информации без специальных сигналов синхронизации и пауз между словами, синхронный — с синхронизацией после передачи каждого слова, при этом возможна пауза любой длительности между моментами передачи. Пример стандартного последовательного интерфейса — RS-232 (COM-порты в IBM PC совместимых компьютерах). Последовательный интерфейс подразделяют на синхронный и асинхронный.

В синхронном интерфейсе каждый передаваемый бит данных сопровождается импульсом синхронизации информирующим приемник о наличии на линии информационного бита. Следовательно, между передатчиком и приемником должны быть протянуты минимум три провода: два для передачи импульсов синхронизации и бит данных, а также общий заземленный проводник. Если же передатчик (например, микропроцессор) и приемник (например, персональный компьютер) разнесены на несколько метров, то каждый из сигналов (информационный и синхронизирующий) придется посылать либо по экранированному кабелю, либо с помощью витой пары проводов, один из которых заземлен или передает сигнал, инверсный основному.

В асинхронном интерфейсе у передатчикаи приемника нет общего генератора синхроимпульсов и синхронизирующий сигнал не посылается вместе с данными. А для синхронизации процесса передачи данных используются внутренние встроенные генераторы, настроенные на одну частоту, и некий оговоренный двумя взаимодействующими сторонами формат передачи данных. Данный формат разработан еще в 70-х годах прошлого столетия поддерживается практически всеми микропроцессорными устройствами.