Т 1.4 теория 2 часть ЦАП, АЦП. Учебное пособие Омск 2006
 Скачать 0.88 Mb.
|
|
1.5. Преобразователи напряжение-частота (ПЧН). На базе ПНЧ могут быть построены интегрирующие АЦП, обеспечивающие относительно высо- кую точность преобразования (например, 1108ПП1). Наибольшее применение нашли ПНЧ с заданной длительностью выходного импульса. Структурная схе- ма ПНЧ приведена на рис. 1.11. Работа ПНЧ заключается в следующим. Под действием положительного входного сигнала U вх напряжение U и на выходе интегратора И уменьшается. При этом ключ S разомкнут. Когда напряжение U и уменьшится до нуля, компа- ратор К переключается, запуская тем самым одновибратор. Одновибратор фор- мирует импульс стабильной длительности Т и , который управляет ключом. По- следовательность этих импульсов является выходным сигналом ПНЧ. Ключ за- мыкается и ток I оп в течение Т и поступает на вход интегратора, вызывая увели- чение выходного напряжения интегратора. Далее описанный процесс снова по- вторяется. 14 Рис. 1.11 Импульсы тока I оп уравновешивают ток, вызываемый входным напряже- нием U вх . В установившемся режиме , отсюда , где U вх.ср - среднее значение входного напряжения за период Т. Структурная схема интегрирующего АЦП на базе ПЧН приведена на рис. 1.12. Рис. 1.12 В схеме АЦП ПНЧ преобразует входное напряжение в унитарный код. Для его преобразования в двоичный позиционный код используется счетчик. Счетчик подсчитывает число импульсов, поступивших от ПНЧ за период Т отсч =1/f отсч , задаваемый отсчетными импульсами, которыми содержимое счет- чика заносится в выходной регистр-защелку. Вслед за этим происходит обну- ление счетчика. Число импульсов n, подсчитанных счетчиком за время Т отсч , , где U вх.ср - среднее значение входного напряжения за весь период Т отсч 15 2. Системы сбора данных и микроконверторы Однокристальные системы сбора данных, обеспечивают преобразование в цифровой код сигналов, поступающих от датчиков, и передачу их на ЭВМ. Структурная схема системы сбора данных приведена на рис. 2.1. На рис. 2.1 обозначены: УПК - усилитель с программируемым коэффициентом усиления; УВХ - устройство выборки-хранения; ИОН - источник опорного напряжения; ШД – шина данных. Рис. 2.1 Чтобы сократить частоту прерываний главного процессора системы сбора данных снабжаются оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) FIFО. Схема управления может включать ОЗУ, в которое загружается от главного процессора блок рабочих команд. Эти команды содержат сведения о том, какие операционные режимы использовать, какие из входных каналов должны быть однопроводными, а какие - объединяться с образованием дифференциальных пар, насколько часто и в каком порядке следует производить выборку для каж- дого канала. Встроенный в систему сбора данных цифровой таймер определяет темп преобразования АЦП. Примером системы сбора данных является БИС 572ПВ4, содержащая 8-входовый аналоговый мультиплексор, 8-разрядный АЦП последовательного приближения, и запоминающее устройство FIFO с ор- ганизацией 8х8 бит. Особый класс устройств с АЦП представляют собой микроконверторы. Программируемые устройства для преобразования аналоговых сигналов, например фирмы Analog Devices, включают многоканальный АЦП, микро- контроллер и одно- или двухканальный ЦАП. Такой микроконвертор принима- ет аналоговые сигналы, преобразует их в цифровые коды, по программе, запи- санной в ПЗУ микроконтроллера, обрабатывает эти коды и с помощью ЦАП вновь преобразует результаты в аналоговые сигналы. Уступая чисто аналоговой только в быстродействии, такая схема отличается большой функциональной гибкостью и точностью. В частности, микроконвертор ADuC812 содержит 8- 16 канальный мультиплексор, УВХ, 12-разрядный АЦП последовательного при- ближения, два 12-разрядных ЦАП и микроконтроллер. 3. Интерфейсы АЦП Цифровой интерфейс, это схемы, обеспечивающие связь АЦП с прием- никами цифровых сигналов, например с микропроцессором (МП). В данном случае АЦП является для МП как бы одной из ячеек памяти. При этом АЦП имеет необходимое число адресных входов, дешифратор адреса и подключает- ся непосредственно к адресной шине и шине данных МП. Для этого он обяза- тельно должен иметь выходные каскады с тремя состояниями. Другое требова- ние совместной работы АЦП с МП называется программным сопряжением. Ниже перечислены основные способы программного сопряжения АЦП с МП. Проверка сигнала преобразования. Этот способ состоит в том, что ко- манда начала преобразования "Пуск" периодически подается на АЦП от тайме- ра. Процессор находится в цикле ожидания от АЦП сигнала окончания преоб- разования "Готов", после которого выходит из цикла, считывает данные с АЦП и в соответствии с ними приступает либо к следующему преобразованию, либо к выполнению основной программы, а затем вновь входит в цикл ожидания. Здесь АЦП выступает в роли ведущего устройства (master), а процессор - ведо- мого (slave). Данный способ позволяет максимально использовать производи- тельность АЦП. Простое прерывание. Выдав команду "Пуск", МП продолжает работу по основной программе. После окончания преобразования формируется сигнал прерывания, который прерывает в процессоре вычисления и включает проце- дуру поиска периферийного прибора, пославшего сигнал прерывания. Эта про- цедура состоит в переборе всех периферийных устройств до тех пор, пока не будет найден нужный. Преимущество способа заключается в большем числе преобразований за одно и то же время, если используемый АЦП работает мед- ленно. Векторное прерывание. Этот способ отличается от предыдущего тем, что вместе с сигналом прерывания посылается и адрес программы обращения к данному АЦП. Следовательно, не нужно перебирать все периферийные прибо- ры. Прямой доступ к памяти. Здесь также используется прерывание, но управление по системе прерывания передается на специальный интерфейс, ко- торый и производит перезапись данных преобразования в память, минуя реги- стры процессора. Это позволяет сократить длительность прерывания до одного такта. Номера ячеек памяти хранятся адресном регистре интерфейса. Для этой цели выпускаются ИС контроллеров прямого доступа к памяти (ПДП). 17 В зависимости от способа пересылки выходного слова из АЦП в МП раз- личают преобразователи с последовательным и параллельным интерфейсами выходных данных. 3.1. АЦП с параллельным интерфейсом выходных данных В параллельных АЦП интерфейс осуществляется с помощью N- разрядного регистра хранения, имеющего три состояния выхода. На рис. 3.1 представлена функциональная схема такого АЦП и временные диаграммы ра- боты интерфейса. Рис. 3.1 На нарастающем фронте сигнала "Пуск" УВХ преобразователя переходит в режим хранения и инициируется процесс преобразования. Когда преобразо- вание завершено, на выходную линию "Готов" выводится импульс, что указы- вает на то, что в выходном регистре АЦП находится новый результат. Сигналы "CS" (выбор кристалла) и "RD" (Чтение) управляют выводом данных для пере- дачи приемнику. 3.2. АЦП с последовательным интерфейсом выходных данных В АЦП последовательного приближения выходная величина может быть считана в виде последовательного кода с компаратора или регистра последова- тельного приближения (РПП). На рис. 3.2 представлена функциональная схема такого интерфейса (а) и временные диаграммы его работы (б). 18 Рис. 3.2 Здесь приведена схема, реализующая SPI-интерфейс. Процессор является ведущим (master). Он инициирует начало процесса преобразования подачей среза на вход "Пуск" АЦП. С тактового выхода процессора на синхровход АЦП поступает последовательность тактовых импульсов. Начиная со второго такта после пуска на выходе данных АЦП формируется последовательный код вы- ходного слова старшими битами вперед. Этот сигнал поступает на MISO (master - input, slave - output) вход процессора. Современные модели АЦП с последовательной передачей выходных дан- ных оснащаются выходным сдвиговым регистром, в который загружается ре- зультат преобразования из РПП. Временные диаграммы такого интерфейса приведены на рис. 3.3. Рис. 3.3 По заднему фронту сигнала "Пуск" УВХ переходит в режим хранения и начинается преобразование. При этом на соответствующем выводе АЦП вы- ставляется сигнал "Занят". По окончании преобразования начинается передача данных. Процессор подает на синхровход АЦП последовательность синхроим- пульсов CLK. Если 8<N <=16, то число синхроимпульсов обычно составляет 16. 19 При N<16 вначале вместо отсутствующих старших битов передаются нули, а затем выходное слово старшими битами вперед. До и после передачи данных выходная линия АЦП находится в высокоимпедансном состоянии. 4. Параметры АЦП При последовательном возрастании значений входного аналогового сиг- нала U вх (t) от 0 до величины, соответствующей полной шкале АЦП U пш выход- ной цифровой сигнал D(t) образует ступенчатую кусочно-постоянную линию. Такую зависимость называют характеристикой преобразования АЦП. В отсут- ствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на иде- альнойпрямой 1 (рис. 4.1), которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Реальная характеристика преобразования может существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек, а также расположени- ем на плоскости координат. Для количественного описания этих различий су- ществуют следующие параметры. Рис. 4.1 4.1. Статические параметры Разрешающая способность - величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающая способность выражается в процентах, разрядах или децибелах и характеризует потенциальные возможно- сти АЦП с точки зрения достижимой точности. Например, 12-разрядный АЦП имеет разрешающую способность 1/4096, или 0,0245% от полной шкалы, или - 72,2 дБ. Разрешающей способности соответствует приращение входного напря- жения АЦП U вх при изменении D j на единицу младшего разряда (ЕМР). Это приращение является шагом квантования. Для двоичных кодов преобразования номинальное значение шага квантования h=U пш /(2 N -1), где U пш - номинальное 20 максимальное входное напряжение АЦП (напряжение полной шкалы), соответ- ствующее максимальному значению выходного кода, N - разрядность АЦП. Погрешность полной шкалы - относительная разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии сме- щения нуля Погрешность смещения нуля - значение U вх , когда входной код ЦАП равен нулю. Является аддитивной составляющей полной погрешности и опре- деляется по формуле , где U вх.01 - значение входного напряжения, при котором происходит переход выходного кода из 0 в 1. Значение погрешности смещения нуля указывается в процентах от полной шкалы: Нелинейность - максимальное отклонение реальной характеристики преобразования D(U вх ) от оптимальной (линия 2 на рис. 4.1). Нелинейность определяется в относительных единицах или в ЕМР. Для характеристики, при- веденной на рис. 4.2 . Дифференциальной нелинейностью АЦП в данной точке k характери- стики преобразования называется разность между значением кванта преобразо- вания h k и средним значением кванта преобразования h. Значения дифференци- альной нелинейности выражаются в долях ЕМР или процентах от полной шка- лы. Для характеристики, приведенной на рис. 4.2 21 Рис. 4.2 Монотонность характеристики преобразования - это неизменность знака приращения выходного кода D при монотонном изменении входного преобразуемого сигнала. Температурная нестабильность АЦП характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля. 4.2. Динамические параметры Максимальная частота дискретизации (преобразования) - это наибольшая частота, с которой происходит образование выборочных значений сигнала. При этом параметры АЦП не выходят за заданные пределы. Макси- мальная частота дискретизации измеряется числом выборок в секунду. Время преобразования (t пр ) - это время, отсчитываемое от начала им- пульса дискретизации или начала преобразования до появления на выходе устойчивого кода, соответствующего данной выборке. Для АЦП последова- тельного счета или многотактного интегрирования, эта величина является пе- ременной, зависящей от значения входного сигнала. Для параллельных или по- следовательно-параллельные АЦП, а также АЦП последовательного прибли- жения время преобразования является примерно постоянной величиной. При работе АЦП без УВХвремя преобразования является апертурным временем. Время выборки (стробирования) - время, в течение которого происходит образование одного выборочного значения. При работе без УВХ равно времени преобразования АЦП. 5. Обзор микросхем АЦП Функциональная схема АЦП последовательного прибли жения К1113ПВ1, выполненный по КМДП технологии, показана на рис. 5.1. 22 Рис. 5.1 Микросхема К1113ПВ1 выполняет функцию 10-разрядного АЦП однопо- лярного или биполярного входного сигнала с представлением результатов пре- образования в параллельном двоичном коде. Для ее эксплуатации необходимы два источника питания и регулировочные резисторы. Выходные каскады с тре- мя состояниями позволяют считывать результат преобразования непосред- ственно на шину данных МП. Основные электрические параметры микросхе- мы К1113ПВ1А представлены в табл. 5.1. Таблица 5.1 Параметр Не менее Не более Число разрядов n 10 - Нелинейность L , % - 0,1 0,1 Дифференциальная нелинейность LD , % - 0,1 0,1 Абсолютная погрешность преобразования в ко- нечной точке шкалы - 20 20 Напряжение смещения нуля на входе, мВ - 30 30 Время преобразования t, мкс - 30 Напряжение питания U1, В 4,5 5,5 Напряжение питания U2, В -16,5 -13,5 Ток потребления I1 - 10 Ток потребления I2 - 20 Входное сопротивление , кОм 10 - Диапазон униполярного входного напряжения, В - 10,24 Диапазон биполярного входного напряжения, В -5,12 5,12 Предельно допустимое значение униполярного входного напряжения, В 0 10,5 Предельно допустимые значения биполярного входного напряжения, В -5,5 5,5 10 - разрядный ЦАП 10 - разрядный РПП буфер- ный усилитель схема управления сдвигом нуля компаратор ИОН ГТИ формирователь сигнала готовности 9 (СР) 18 (МР) 1 17 13 14 15 10 12 23 Схема включения АЦП показана на рис. 5.2. Рис. 5.2 Микросхема К572ПВ1 Представляет собой 12-разрядный преобразователь напряжения в дво- ичный код. В комплекте с внешним ОУ (компаратором), источником U on и генератором тактовых импульсов микросхема выполняет функции АЦП последовательного приближения с параллельным двоичным кодом на выхо- дах. Устройство управления обеспечивает следующие режимы работы микро- схемы: АЦП, ЦАП, раздельное управление старшими и младшими разрядами, хранение информации в регистре ЦАП. Основные параметры преобразователя при U и.п.1 = 5 В, U и.п.2 = 15 В, U on = 10,24 В, U 0 вых =0,4 В, U 1 вых = 2,4 B, f т = 250 кГц следующие: δ л =±0,05% (К572ПВ1А), ±0,1% (Б), ±0,2% (В); δ лд =±0,1% (К572ПВ1А), ±0,2% (Б), ±0,4% (В); δ пш =±122ед. МР; t прб = 170 мкс. Преобразователь К572ПВ1 может работать в режиме ЦАП. Микросхема переводится в режим ЦАП при подаче напряжения высокого уровня на вывод 17. Преобразователь согласуется с ТТЛ ИС при U и.п.1 = 5 В ±5% и с КМДП ИС при U и.п.2 = 15 В±5%. Микросхема может быть согласована с восьмиразрядной шиной данных микропроцессорной системы. Выходы могут иметь три устой- чивых состояния. При работе с микросхемой необходимо соблюдать последовательность включения напряжений и меры защиты. Микросхема КР572ПВ2 Микросхема представляет собой преобразователь на 3,5 десятичных раз- рядов, работающий по принципу последовательного счета с двойным интегри- рованием, с автоматической коррекцией нуля и определением полярности входного сигнала. Микросхема представляет собой электронную часть цифро- вого вольтметра, измеряющего входной сигнал до ± 1,999 В и ±199,9мВ. Циф- ровая информация отображается на светодиодном индикаторе АЛС324Б. Мик- росхема представляет собой функционально-законченное устройство. Для ра- 16 11 гашение и преобразование цифровая земля цифровые 9 выходы 18 1 - 10 11 готовность готовность 14 аналоговая земля аналоговый вход 13 питание -15В 12 К1113ПВ1 сдвиг нуля (не исп,) 15 к ЭВМ 24 боты преобразователя совместно с ИС используются только внешние конденса- торы, резисторы и источники питания. Основные параметры преобразователя при U и.п.1 =5 В, U и.п.2 =— 5 В: δ пш =±l ед. МР (КР572ПВ2А), ±3 ед. МР (Б), ±5 ед. МР (В); время цикла преобразо- вания при f т = 50кГц равно 300 мс; входное сопротивление до 20 МОм; I пот =< 1,8 мА. Микросхема имеет дифференциальные входы и высокую степень ослаб- ления синфазного сигнала (К ос.сф = 100 дБ), что позволяет использовать преоб- разователь в условиях действия сильных помех. В микросхеме предусмотрено использование внутреннего и внешнего тактовых генераторов. В первом случае частота регулируется конденсатором С1, емкость которого выбирается из условия Cl =R1 - 0,45/f T . Для повышения стабильности f T можно применять кварцевый резонатор, подключаемый между выводами 39 и 40. При работе с внешним генератором его подключают к выво- ду 40 (выводы 38 и 39 не используются). При работе с преобразователем следу- ет соблюдать правила подачи напряжения и защиты. Максимальные значения напряжений U и.п.1 =5,5 В, U и.п.2 = — 8B. |