Учебное пособие по АЦП, страница 6

Свойства цифрового интерфейса непосредственно влияют на уровень верхнейграницы частоты преобразования АЦП.Наиболее часто применяют способ связи АЦП с процессором, при котором АЦП является для процессоракак бы одной из ячеек памяти. При этом АЦП имеет необходимое число адресных входов, дешифратор адреса иподключается непосредственно к адресной шине и шине данных процессора.

Для этого он обязательно должениметь выходные каскады с тремя состояниями.Другое требование совместной работы АЦП с микропроцессорами, называемое программнымсопряжением, является общим для любых систем, в которые входят ЭВМ и АЦП. Имеется несколько способовпрограммного сопряжения АЦП с процессорами. Рассмотрим основные.Проверка сигнала преобразования. Этот способ состоит в том, что команда начала преобразования"Пуск" периодически подается на АЦП от таймера.

Процессор находится в цикле ожидания от АЦП сигналаокончания преобразования "Готов", после которого выходит из цикла, считывает данные с АЦП и в соответствиис ними приступает либо к следующему преобразованию, либо к выполнению основной программы, а затем вновьвходит в цикл ожидания. Здесь АЦП выступает в роли ведущего устройства (master), а процессор - ведомого(slave).

Этот способ почти не требует дополнительной аппаратуры, но пригоден только в системах, где процессорне слишком загружен, т.е. длительность обработки данных от АЦП меньше времени преобразования АЦП.Указанный способ позволяет максимально использовать производительность АЦП.Если длительность обработки данных от АЦП составляет заметно больше времени преобразования АЦП,можно использовать вариант этого способа, отличающийся тем, что сигнал "Пуск" поступает от процессора.Процессор выполняет основную программу обработки данных, а затем считывает данные с АЦП и вновьзапускает его. В этом случае процессор выступает в роли ведущего устройства, а АЦП - ведомого.Простое прерывание.

Выдав команду "Пуск", процессор продолжает работу по основной программе.После окончания преобразования формируется сигнал прерывания, который прерывает в процессоре вычисленияи включает процедуру поиска периферийного прибора, пославшего сигнал прерывания. Эта процедура состоит впереборе всех периферийных устройств до тех пор, пока не будет найден нужный.

Преимущество этого способапо сравнению с предыдущим проявляется в большем числе преобразований за одно и то же время, еслииспользуемый АЦП работает медленно. Если же АЦП быстродействующий, то этот способ работы можетоказаться даже медленнее предыдущего, так как на обработку прерывания требуется значительное время.Векторное прерывание. Этот способ отличается от предыдущего тем, что вместе с сигналом прерыванияпосылается и адрес программы обращения к данному АЦП.

Следовательно, не нужно перебирать всепериферийные приборы.Прямой доступ к памяти. Здесь также используется прерывание, но в отличие от предыдущих двухспособов, управление по системе прерывания передается на специальный интерфейс, который и производитперезапись данных преобразования в память, минуя регистры процессора. Это позволяет сократить длительностьпрерывания до одного такта. Номера ячеек памяти хранятся адресном регистре интерфейса. Для этой целивыпускаются ИМС контроллеров прямого доступа к памяти.В зависимости от способа пересылки выходного слова из АЦП в цифровой приемник различаютпреобразователи с последовательным и параллельным интерфейсами выходных данных.

Последовательныйинтерфейс медленнее параллельного, однако он позволяет осуществить связь с цифровым приемникомзначительно меньшим количеством линий и в несколько раз сократить число выводов ИМС. Поэтому обычнопараллельный интерфейс используется в параллельных и последовательно-параллельных АЦП, апоследовательный - в интегрирующих. В АЦП последовательного приближения применяются как параллельный(например, 1108ПВ2), так и последовательный (например, АD7893) интерфейсы. Некоторые АЦПпоследовательного приближения (например, AD7892) имеют интерфейс обоих типов.АЦП с параллельным интерфейсом выходных данныхАЦП с параллельным интерфейсом выходных данных.

В простейших случаях, характерных дляпараллельных АЦП и преобразователей ранних моделей, интерфейс осуществляется с помощью N-разрядного18регистра хранения, имеющего три состояния выхода. Здесь N - разрядность АЦП. На рис. 20 представленафункциональная схема такого АЦП и временные диаграммы работы интерфейса.На нарастающем фронте сигнала "Пуск" УВХ преобразователя переходит в режим хранения иинициируется процесс преобразования. Когда преобразование завершено, на выходную линию "Готов"выводится импульс, что указывает на то, что в выходном регистре АЦП находится новый результат. Сигналы"CS" (выбор кристалла) и "RD" (Чтение) управляют выводом данных для передачи приемнику.Для того, чтобы упростить связь многоразрядного (N>8) АЦП с 8-разрядным микропроцессором илимикроконтроллером в некоторых ИМС (например, МАХ167) реализована побайтовая выдача выходного слова.Если сигнал HВEN, управляющий режимом вывода, имеет низкий уровень, то старшие биты выходного словапоступают на соответствующие им выводы (для 12-разрядного АЦП на выводы DO8...DO11).

В противномслучае они подаются на выводы, соответствующие младшему байту (для 12-разрядного АЦП на выводыDO0...DO3).АЦП с последовательным интерфейсом выходных данныхАЦП с последовательным интерфейсом выходных данных. В АЦП последовательного приближения,оснащенных простейшей цифровой частью, таких как 12-битный МАХ176 или 14-битный МАХ121 выходнаявеличина может быть считана в виде последовательного кода прямо с компаратора или регистрапоследовательного приближения (РПП), как это указано в п.

4.1. На рис. 21 представлена функциональная схематакого интерфейса (а) и временные диаграммы его работы (б).Здесь приведена схема, реализующая SPI-интерфейс. Процессор является ведущим (master). Онинициирует начало процесса преобразования подачей среза на вход "Пуск" АЦП. С тактового выхода процессорана синхровход АЦП поступает последовательность тактовых импульсов. Начиная со второго такта после пускана выходе данных АЦП формируется последовательный код выходного слова старшими битами вперед.

Этотсигнал поступает на MISO (master - input, slave - output) вход процессора.19Простейший интерфейс обеспечивает наименьшее время цикла "преобразование - передача данных".Однако он обладает двумя существенными недостатками. Во-первых, переключение выходных каскадов АЦП вовремя преобразования привносит импульсную помеху в аналоговую часть преобразователя, что вызываетуменьшение соотношение сигнал/шум (например, для АЦП AD7893 среднеквадратическое значение шума припередаче данных во время преобразования почти в три раза больше, чем при считывании данных послепреобразования).

Во-вторых, если АЦП имеет большое время преобразования, то процессор будет занят приемоминформации от него существенную часть вычислительного цикла. По этим причинам современные модели АЦПс последовательной передачей выходных данных оснащаются выходным сдвиговым регистром, в которыйзагружается результат преобразования из РПП. Временные диаграммы такого интерфейса приведены на рис. 22.По заднему фронту сигнала "Пуск" УВХ переходит в режим хранения и начинается преобразование.

Приэтом на соответствующем выводе АЦП выставляется сигнал "Занят". По окончании преобразования начинаетсяпередача данных. Процессор подает на синхровход АЦП последовательность синхроимпульсов CLK. Если 8 < N< =16, то число синхроимпульсов обычно составляет 16.

При N < 16 вначале вместо отсутствующих старшихбитов передаются нули, а затем выходное слово старшими битами вперед. До и после передачи данных выходнаялиния АЦП находится в высокоимпедансном состоянии.Увеличение длительности цикла "преобразование - передача данных" по сравнению с простейшиминтерфейсом обычно несущественно, так как синхроимпульсы могут иметь большую частоту.

Например, для 12разрядного АЦП последовательного приближения AD7896 минимальный интервал между отсчетами составляет10 мкс. Из них последовательное чтение данных занимает только 1,6 мкс при частоте синхросигнала 10 МГц.Последовательный интерфейс сигма-дельта АЦППоследовательный интерфейс сигма-дельта АЦП с процессорами аппаратно реализуется очень просто.Например, для связи 24-разрядного трехканального АЦП AD7714 с микроконтроллером 80С51 в простейшемслучае требуется всего две линии (рис. 23).АЦП управляется при помощи нескольких внутренних регистров. Это: регистр обмена, регистр режима,два регистра фильтра, три регистра калибровки нуля шкалы, три регистра калибровки полной шкалы и регистрданных. Данные в эти регистры записываются через последовательный интерфейс; этот же интерфейс позволяеттакже считывать данные из указанных регистров.

Любое обращение к любому регистру должно начинаться с20операции записи в регистр обмена. После включения питания или сброса АЦП ожидает записи в регистр обмена.Данные, записываемые в этот регистр, определяют тип следующей операции (чтение или запись), а также ккакому регистру будет идти обращение. Программа взаимодействия микроконтроллера с АЦП включаетследующую последовательность операций:1.2.3.4.5.6.7.Запись в регистр обмена: задается входной канал.Запись в верхний регистр фильтра: устанавливаются 4 старших бита слова фильтра, а такжеустанавливается биполярный/униполярный режим и длина выходного слова.Запись в нижний регистр фильтра: устанавливаются 8 младших битов слова фильтра.Запись в регистр режима: устанавливается коэффициент усиления, инициируется автокалибровка.Опрашивается сигнал, указывающий на наличие в регистре данных нового результатапреобразования.Чтение результата из регистра данных.Циклический повтор действий 5 и 6, пока не будет считано заданное число отсчетов.Параметры АЦППри последовательном возрастании значений входного аналогового сигнала U вх(t) от 0 до величины,соответствующей полной шкале АЦП Uпш выходной цифровой сигнал D(t) образует ступенчатую кусочнопостоянную линию.