Гл2_06 (1031651), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru91В. Аналого-цифровые преобразователиАналого-цифровые преобразователи АЦП (ADC) служат для преобразования сигнала, представленного в аналоговой форме в цифровое представление, обычно, для последующей обработки его в вычислительном ядре САУ.Прежде всего, характеризуются разрядностью и точностью преобразования.Точность обычно соответствует младшему разряду, хотя у многоразрядных АЦП погрешность может быть и больше. Так же, как у ЦАП, помимо внутренних характеристик, точность напрямую определяется точностью задания опорного напряжения.По времени преобразования АЦП делятся на сверхбыстрые, они обычно реализуютпараллельное преобразование и преобразуют за один такт, быстрые – реализуют методпоразрядного взвешивания и преобразуют за число тактов, равное разрядности преобразования и медленные.
В медленных АЦП преобразование выполняется методом двойного интегрирования.АЦП параллельного преобразования состоят из резистивного делителя, задающего уровни напряжения, соответствующие двоичному n-разрядному числу и набора компараторов, сравнивающих преобразуемую величину Ain с этими уровнями. В простейшемслучае, когда преобразование одноразрядное, достаточно одноUrefго уровня и одного компаратора (рис. 2.47).
На выходе компаратора установится дискретный сигнал Do, указывающий, чтоAinвходной сигнал Ain меньше (0) или больше (1) половины опорDoногонапряжения Uref, т.е. одноразрядный двоичный код преобUref2разуемой величины.Если разрядность больше, придется еще добавить компараторов и ввести схему преобразования их выходов в двоичныйРис. 2.47код. При восьмиразрядном преобразовании потребуется уже 255компараторов и дешифратор на 8 входов и выходов, т.е сложность схемы растет быстрее,чем 2n, где «n» - разрядность преобразователя. ИС АЦП параллельного преобразованиявыполняют обычно восьмиразрядными, при этом типовое время преобразования составляет порядка 100 нс.АЦП поразрядного взвешивания содержат формирователь кода, его обычно называют регистр последовательного приближения РПП , цифро-аналоговый преобразовательЦАП и компаратор К (рис.2.48).
Получив сигнал на начало преобразования Start, преобразователь начинает его осуществлять.Подумаем, как бы мы сами делали эту операцию, пользуясь предоставленными ресурсами, а именно, регистром, содержимое которого мы можем изменять, цифроаналоговым преобразователем и компаратором.Самый простой способ:РПП:=0; {обнуляем содержимое РПП}Пока К=0 делай РПП:=РПП+1;Компаратор сравнивает входнойUrefAin с выходом ЦАП Odac (покасигналAin Cячейку Т/Н во внимание не принимаем).T/HНа выходе компаратора будет ноль, еслиStartK Ain<Odac и единица в противном случае.РППЦАПReadyDiТак что, последовательно увеличивая содержимое РПП, пока выход компаратораRDв нуле, мы получим регистре тот первыйDnкод, аналоговый эквивалент которогоРис.
2.48.превысит значение Ain. Поставленная задача решена, правда весьма неэффективно. При двенадцати разрядном преобразовании нам в среднем придется считать до 2048Рябов Владимир Тимофеевич. Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru92(это если сигнал на среднем уровне). Микросекунда на виток в цикле – итого 2 миллисекунды – многовато будет.Вспомним старую притчу о поиске фальшивой монеты, которая чуть легче остальных.
Поделим кучу на две части и сравним их вес, затем более легкую кучу снова пополами так далее. Воспользуемся методом половинного деления для нахождения дискретногочисла, чей аналоговый эквивалент наиболее близок к Ain. Для простоты допустим, что унас преобразование восьмиразрядное.
Наибольшее число, размещаемое в байте – 255 или11111111, его половина 128 или 1000000. Если выход компаратора окажется в нуле, ищемчисло в верхней половине и устанавливаем на ЦАП 128+64=192 или 1100000, если в единице – ищем в нижней половине: ЦАП:=64 или 01000000. Снова наблюдаем выход компаратора и т.д. до самого младшего разряда.Вы, очевидно, уловили закономерность при обработке каждого разряда: устанавливаем разряд в единицу, если выход компаратора в нуле, обнуляем разряд и переходим кмладшему, иначе – переходим к младшему. Запишите этот алгоритм как процедуру наПаскале.Как видите алгоритм весьма прост и он реализован аппаратно в специальном регистре – регистре последовательных приближений РПП (рис. 2.47) и реализуется при подачесигнала Start.Но если в процессе преобразования цифруемый сигнал Ain заметно изменится,процесс может не сойтись, поэтому на входе АЦП поразрядного взвешивания предусматривают специальную ячейку аналоговой памяти Т/Н (Track end Hold).
В начале преобразования ключ (рис. 2.48) на МОП транзисторе на короткое время (несколько десятков наносекунд) замыкается, конденсатор С заряжается до Ain и затем хранит заряд, посколькувходное сопротивление усилителя ячейки Т/Н велико. Запомнив таким образом в началепреобразуемую величину, мы в процессе преобразования удерживаем ее неизменной, гарантируя сходимость процесса.Об окончании преобразования нам сообщает сигнал Ready (готово), который в начале преобразования устанавливается в нуль, а в конце вновь восстанавливается в единицу. Теперь содержимое РПП равно коду преобразуемой величины и его можно считать,используя сигнал чтения (RD`), по которому выходы регистра переводятся из высокоимпедансного состояния в активное.Достаточно малое время преобразования (единицы микросекунд), удобное сопряжение с микропроцессорами, высокая точность и разрядность наряду с относительнойдешевизной обуславливают наибольшее применение в современных САУ АЦП поразрядного взвешивания.Друг от друга они отличаются рядом особенностей, во первых – разрядностью (от8-и до 24 разрядов).
АЦП, как и ЦАП бывают с параллельным и последовательным вводом информации, причем, многоразрядные АЦП обычно делают с последовательным вводом. Последовательный канал для ввода преобразуемого числа также выполняют по разному, это синхронная или асинхронная радиальная линия, например, RS-232, либо магистральная линия, чаще всего используют линию I2C.
Канал I2C описан в приложении кчасти 1 и Вы можете ознакомиться с его возможностями.Различаются АЦП и быстродействием, т.е. временем преобразования (от единицдо нескольких десятков микросекунд.Некоторые АЦП имеют встроенный источник опорного напряжения Uref, его наличие заметно облегчает использование ИС, тем более, он бывает должным образом согласован с точностью и разрядностью преобразования.Помимо потенциального входа, отдельные АЦП имеют токовый вход, это частобывает удобно, особенно при передаче на большие расстояния, т.к. токовый сигнал лучшезащищен от помех.Рябов Владимир Тимофеевич.
Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru93ЦАП АПомимо основного режима, режима преобразования, ИС АЦП часто имеют дополнительные режимы тестирования, с ними можно ознакомиться по технической документации на конкретную ИС.В качестве типового616примерарассмотрим проT/HVAINSSстой восьмиразрядный АЦПпоразрядного взвешивания1815ОпорноеМАХ 165 со встроеннымVDDAGNDнапряжениеисточником опорного на391,23ВREFoutDGND пряжения и параллельнымвыводом информации, вы17пускаемый фирмой Maxim.REFinВремя преобразования соРегистр5 Тактовыйпоследовательныхставляет5 мкс. ИС имеетCLK генераторприближений18-и выводной пластмассовый корпус, ее функцио14Триста1D0 нальная схема представленаCS... на рис. 2.49.бильныеУправляюшая2выходныеRDD7логикаОснову схемы со47защелкиставляетрегистр последоваBUSYтельных приближений, подРис.
2.49ключенный к цифроаналоговому преобразователю, аппаратно реализующий алгоритм последовательных приближений.Цифроаналоговый преобразователь схемы имеет вывод опорного напряжения, предназначенный для подачи его на резистивную матрицу R-2R. Для преобразования можно использоватьи встроенный термокомпенсированный источник опорного напряжения, вывод которого REFout следует снаружи соединить с REFin.
Можно проводить преобразование как униполярных сигналов, так и биполярных сигналов. Для этого на вывод Vss следует подать отрицательное напряжение питания.Схема имеет встроенный тактовый генератор с входом CLK. На этот вход можно подавать внешние тактирующие импульсы, либо подключить его к внешней RC-цепочке с рекомендуемыми в технической документации на схему параметрами. При этом будет обеспечено тактирование процесса преобразования.Микросхема активизируется низким уровнем сигнала выбор кристалла CS`. Высокийуровень на этом выводе не прекращает процесс преобразования, если он уже был начат.
Преобразование запускается сигналом чтения RD`, поданным на соответствующий вывод. Приэтом открываются тристабильные защелки, результаты прошлого преобразования появляются на выводах D0…D7 и могут быть считаны микропроцессором с шины данных.
Как толькопреобразование начато, вывод BUSY (занят) переводится в активный низкий уровень до конца преобразования. Фронт сигнала на этом выводе говорит о том, что преобразование окончено, его результаты могут быть считаны. При считывании запускается новое преобразование.Интегрирующие АЦП содержат интегратор, генератор и счетчик импульсов и компаратор, сравнивающий значение преобразуемого напряжения Ain с выходом интегратора. Приполучении сигнала на начало преобразования обнуляются интегратор и счетчик.
Интеграторначинает интегрировать сигнал опорного напряжения, а счетчик ведет счет импульсов генератора до тех пор, пока выход интегратора не превзойдет значение сигнала Ain.Полученный результат существенно зависит от долговременной стабильности генератора, поэтому в настоящее время используют в основном метод двойного интегрирования,идея которого показана на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
