Учебное пособие по АЦП (1014648), страница 6
Текст из файла (страница 6)
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.
Такую зависимость по аналогии с ЦАП называют обычно характеристикой преобразованияАЦП. В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой 1 (рис.24), которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Реальная характеристика преобразованияможет существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек, а также расположением наплоскости координат. Для количественного описания этих различий существует целый ряд параметров.Статические параметрыРазрешающая способность - величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходеАЦП.
Разрешающая способность выражается в процентах, разрядах или децибелах и характеризуетпотенциальные возможности АЦП с точки зрения достижимой точности. Например, 12-разрядный АЦП имеетразрешающую способность 1/4096, или 0,0245% от полной шкалы, или -72,2 дБ.Разрешающей способности соответствует приращение входного напряжения АЦП U вх при изменении Dj наединицу младшего разряда (ЕМР).
Это приращение является шагом квантования. Для двоичных кодовпреобразования номинальное значение шага квантования h=Uпш/(2N-1), где Uпш - номинальное максимальноевходное напряжение АЦП (напряжение полной шкалы), соответствующее максимальному значению выходногокода, N - разрядность АЦП. Чем больше разрядность преобразователя, тем выше его разрешающая способность.Погрешность полной шкалы - относительная разность между реальным и идеальным значениями пределашкалы преобразования при отсутствии смещения нуля.Эта погрешность является мультипликативной составляющей полной погрешности.
Иногда указываетсясоответствующим числом ЕМР.21Погрешность смещения нуля - значение Uвх, когда входной код ЦАП равен нулю. Является аддитивнойсоставляющей полной погрешности. Обычно определяется по формулегде Uвх.01 - значение входного напряжения, при котором происходит переход выходного кода из О в 1.Часто указывается в милливольтах или в процентах от полной шкалы:Погрешности полной шкалы и смещения нуля АЦП могут быть уменьшены либо подстройкой аналоговойчасти схемы, либо коррекцией вычислительного алгоритма цифровой части устройства.Погрешности линейности характеристики преобразования не могут быть устранены такими простымисредствами, поэтому они являются важнейшими метрологическими характеристиками АЦП.Нелинейность - максимальное отклонение реальной характеристики преобразования D(U вх) отоптимальной (линия 2 на рис.
24). Оптимальная характеристика находится эмпирически так, чтобыминимизировать значение погрешности нелинейности. Нелинейность обычно определяется в относительныхединицах, но в справочных данных приводится также и в ЕМР. Для характеристики, приведенной на рис. 25Дифференциальной нелинейностью АЦП в данной точке k характеристики преобразования называетсяразность между значением кванта преобразования hk и средним значением кванта преобразования h.
Вспецификациях на конкретные АЦП значения дифференциальной нелинейности выражаются в долях ЕМР илипроцентах от полной шкалы. Для характеристики, приведенной на рис. 25,Погрешность дифференциальной линейности определяет два важных свойства АЦП: непропадание кодови монотонность характеристики преобразования. Непропадание кодов - свойство АЦП выдавать все возможныевыходные коды при изменении входного напряжения от начальной до конечной точки диапазонапреобразования.
Пример пропадания кода i+1 приведен на рис. 25. При нормировании непропадания кодовуказывается эквивалентная разрядность АЦП - максимальное количество разрядов АЦП, для которых непропадают соответствующие им кодовые комбинации.Монотонность характеристики преобразования - это неизменность знака приращения выходного кода Dпри монотонном изменении входного преобразуемого сигнала. Монотонность не гарантирует малых значенийдифференциальной нелинейности и непропадания кодов.Температурная нестабильность АЦ-преобразователя характеризуется температурнымикоэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.22Динамические параметрыВозникновение динамических погрешностей связано с дискретизацией сигналов, изменяющихся вовремени.
Можно выделить следующие параметры АЦП, определяющие его динамическую точность.Максимальная частота дискретизации (преобразования) - это наибольшая частота, с которой происходитобразование выборочных значений сигнала, при которой выбранный параметр АЦП не выходит за заданныепределы. Измеряется числом выборок в секунду. Выбранным параметром может быть, например, монотонностьхарактеристики преобразования или погрешность линейности.Время преобразования (tпр) - это время, отсчитываемое от начала импульса дискретизации или началапреобразования до появления на выходе устойчивого кода, соответствующего данной выборке.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
