Аналого–цифровые и цифро–аналоговые преобразователи

Общие сведения.

Современные 8–разрядных контроллеры, как правило, со­держат модуль многоканального аналого–цифрового преобразователя (АЦП), предназначенный для ввода аналоговых сигналов с датчиков управляемых уст­ройств и их преобразования в двоичный код для последующей программной об­работки. Цифро–аналоговые преобразователи (ЦАП) входят в состав АЦП, однако в качестве самостоятельных модулей используются редко, например, в микро­контроллерах

Mitsubishi

и

Hitachi

. Обычно для получения выходного аналого­вого напряжения используются внешние средства (ЦАП или широтно–модулиро­ванные импульсные сигналы, отфильтрованные при помощи

RC

–цепи), которые обеспечивают высокую точность выходного напряжения.

Рассмотрим типовой модуль АЦП, структурная схема которого представлена на рис. 4.7.1.

В состав модуля входят:

● собственно АЦП;

● коммутатор каналов, предназначенный для подключения одного из источни­ков аналоговых сигналов (РТх0 – РТх7) к входу АЦП. В модулях АЦП 8–разряд­ных МК предусмотрена только программная установка номера канала;

● источник тактовых импульсов ТИ, которым может служить встроенный

RC

–генератор или программируемый делитель частоты

f_BUS

.

Два вывода (

U_max

,

U_min

) модуля АЦП используются для задания опорного на­пряжения:

U_on

=

U_max

–

U_min

.

Большинство моделей АЦП имеет только режим программного запуска: уста­новка одного из битов регистра режима запускает очередное преобразование.

Схема и принцип действия АЦП.

С помощью АЦП осуществляется переход от информации в аналоговой форме к информации в цифровой форме. Входным сигналом АЦП в течение некоторого промежутка времени является постоянное напряжение.

Основная функция АЦП состоит в том, чтобы за это время сформировать на выходе совокупность сигналов

Y_N

–1

, …,

Y_n

, …, У₀, цифровой (обычно двоичный) код которых соответствует значению входного напряжения

U

вх

, т. е. АЦП осуществля­ет кодирование двоичным числом значения входного напряжения. Рассмотрим АЦП поразрядного кодирования, или последовательного приближения, схема ко­торого приведена на рис. 4.7.2.

В состав АЦП входят:

● кодовый регистр,

составленный из

RS

–триггеров Т₀, …, Т₇. Он предназначен для хранения 8–разрядного кода, отображающего текущее состояние АЦП;

● цифро–аналоговый преобразователь (ЦАП), формирующий эталонные напря­жения

U

Э

для текущего кода. По сути дела

U

Э

является аналоговым эквива­лентом выходного кода АЦП;

● компаратор С, предназначенный для выработки сигналов сброса триггеров Т₀, Т₇ по результатам сравнения входного

U

ВХ

и эталонного

U

Э

напряжений;

● сдвигающий регистр

RG

, единичный сигнал которого, продвигаясь по выхо­дам регистра, обеспечивает поочередно установку триггеров Т6, …, Т₁, Т₀ в единичное состояние и подключение выхода компаратора С к

R

–входам триггеров Т₇, Т₆, …,

T

1

, Т₀;

● логические элементы и триггер Т для координации работы АЦП.

В исходном состоянии триггер Т находится в нулевом состоянии, сигнал сбро­са

R

# = 0, поэтому выходные сигналы сдвигающего регистра равны нулю и все схемы совпадения закрыты.

Начало работы АЦП инициируется положительным импульсом «Пуск», подава­емым на

S

–вход триггера Т, после чего:

● триггер Т переводится в единичное состояние, запуская сдвигающий регистр

RG

и открывая через схему совпадения доступ тактовым импульсам на С–вход. Так как на

D

–вход поступает запускающий импульс (его длительность превышает длительность тактового импульса), то с приходом первого такто­вого импульса на выходе «1» сдвигающего регистра появляется единичный сигнал;

● происходит установка Т₇ в единичное состояние и сброс Т₆, …., Т₀ в нулевое состояние, т.е. в кодовый регистр заносится код 1000 0000. Сформирован­ное в соответствии с кодом на выходе ЦАП эталонное напряжение

U

Э

сравни­вается в компараторе с

U

ВХ

.

Алгоритм преобразования.

На первом и всех последующих тактах воз­можно два исхода сравнения:

1. Если

U

ВХ

>

U

Э

, то производится установка очередного младшего разряда в 1 при сохранении всех предшествующих старших разрядов (т. е. увеличение

U

Э

), так как

U

С

= 0;

2. Если

U

ВХ

<

U

Э

, то установка в 1 очередного младшего разряда сопровождает­ся сбросом в 0 предшествующего старшего (т. е. уменьшение

U

Э

), так как

U

С

= 1.

Оба случая помечены цифрами 1 и 2 на ветвях графа переходов (рис. 4.7.3), иллюстрирующего принцип поразрядного кодирования.

Принцип работы.

На первом такте с выхода «1» сдвигающего регистра

RG

снимается единичный сигнал. Поэтому при любых исходах сравнения (как и тре­буется) происходит установка Т₆ в единичное состояние, а сброс триггера Т₇ старшего разряда в нулевое состояние произойдет только при

U

ВХ

>

U

Э

. Аналогич­ным образом протекают процессы на последующих тактах.

На восьмом такте происходит сброс триггера Т, после чего прекращается до­ступ тактовых импульсов и сдвигающий регистр переводится в нулевое состоя­ние. С

R

–выхода триггера снимается готовности данных «Конец», а с выходов ко­дового регистра — 8–разрядный двоичный код

Y

7

Y

6

..

Y

1

Y

0

,

соответствующий значе­нию входного напряжения

U

ВХ

.

Пример реализации алгоритма.

Допустим, что

U

ВХ

= 52,5 условных; единиц. Для этого случая в табл. 4.7.1 приведены состояния АЦП после пускового импульса и каждого тактового импульса, которые можно установить на основа­нии графа переходов (рис. 4.7.3). В графе условия указаны ветви графа (1 или 2) перехода к следую­щему разряду. Для значения

U

ВХ

= 53,5 на 8–м такте сохраняется значение 53 (показано в скобках), так как отсутствует младший разряд для установки 1.

Цифро–аналоговые преобразователи.

Точность АЦП определяется раз­решающей способностью блока ЦАП, которая обычно составляет 8 двоичных разрядов. Как показано выше, с помощью ЦАП осуществляется переход от ин­формации в цифровой форме к информации в аналоговой форме. На вход ЦАП в течение некоторого фиксированного интервала времени поступает двоичное число (код), а с выхода снимается напряжение

U

ВЫХ

=

U

Э

, значение которого соот­ветствует этому числу.

Принцип построения ЦАП базируется на известной записи двоичных чисел, которая для 8–разрядного двоичного числа имеет следующий вид:

U

ВЫХ

=

U

∑⁷

m

=0

Y_m

2–

m

,

(4.7.1)

где

Y_m

— значения разрядов на выходе кодового регистра (рис. 4.7.2);

U

=

const

.

Из (4.7.1) следует, что в формировании выходного напряжения участвуют только члены суммы, коэффициенты которых

Y_m

= 1. На рис. 4.7.4 проиллюстри­рован принцип цифро–аналогового преобразования, основанный на суммирова­нии токов. Состояние управляемых ключей в цепи источников тока задается вход­ными сигналами

Y_m

. При

Y_m

= 1 ток источника протекает через нагрузку

R_H

, создавая составляющую падения напряжения

m

–го разряда:

R_HI

/2

m

. При

Y_m

= 0 ток через нагрузку не протекает. Следовательно, для схемы на рис. 4.7.4 константа

U

=

R_HI

.

Для реализации источников тока используются резистивные матрицы, опера­ционные усилители и источники опорного напряжения. На рис. 4.7.5 изображена схема ЦАП, в которой используется матрица

R

–2

R

. Операционный усилитель, ох­ваченный отрицательной обратной связью с помощью резистора

R_OC

, обладает весьма малым входным сопротивлением, что сопутствует построению источников тока с помощью источника напряжения Е и резисторов напряжение на входе операционного усилителя практически равно нулю. Поэтому независимо от со­стояния управляемых ключей значение тока

m

–го разряда, протекающего через резисторы матрицы, остается неизменным. В каждом

i

–м узле матрицы втека­ющий ток делится пополам, так как сопротивление правой части схемы, подклю­ченной к

i

–у узлу, равно 2

R

. Чтобы убедиться в этом, необходимо просуммировать все сопротивления правой части схемы, начиная с узла 7.

Цифро–аналоговое преобразование с дискретностью порядка 8 разрядов мож­но реализовать с помощью программируемого таймера и фильтра нижних частот. Таймер формирует периодическую последовательность импульсов с широтно–импульсной модуляцией (ШИМ), длительность которых определяется цифровым кодом. Аналоговый сигнал снимается с выхода фильтра нижних частот. При боль­шей разрядности применяются внешние интегральные схемы ЦАП.