АЦПОбщие 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.

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 fBUS.

Два вывода (Umax, Umin) модуля АЦП используются для задания опорного на­пряжения: Uon = Umax Umin.

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 YN–1, ..., Yn, ..., У0, цифровой (обычно двоичный) код которых соответствует значению входного напряжения Uвх, 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.

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 UЭ для текущего кода. По сути дела UЭ является аналоговым эквива­лентом выходного кода АЦП;

    компаратор С, предназначенный для выработки сигналов сброса триггеров Т0, Т7 по результатам сравнения входного UВХ и эталонного UЭ 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, ...,T1, 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 UЭ сравни­вается в компараторе с UВХ.

Алгоритм преобразования. На первом и всех последующих тактах воз­можно два исхода сравнения:

1.    Если UВХ > UЭ, то производится установка очередного младшего разряда в 1 при сохранении всех предшествующих старших разрядов (т. е. увеличение UЭ), так как UС = 0;

2.    Если UВХ < UЭ, то установка в 1 очередного младшего разряда сопровождает­ся сбросом в 0 предшествующего старшего (т. е. уменьшение UЭ), так как UС = 1.

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

рис. 4.7.3

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 UВХ > UЭ. 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 Y7Y6..Y1Y0, соответствующий значе­нию входного напряжения UВХ.

табл. 4.7.1

Пример реализации алгоритма.

Допустим, что UВХ = 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 UВХ = 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 UВЫХ = UЭ, значение которого соот­ветствует этому числу.

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

UВЫХ  = U7m=0Ym2–m,

(4.7.1)

где Ym — 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 Ym = 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 Ym. При Ym = 1 ток источника протекает через нагрузку RH, создавая составляющую падения напряжения m–го разряда: RHI/2m. При Ym = 0 ток через нагрузку не протекает. Следовательно, для схемы на рис. 4.7.4 константа U = RHI.

рис. 4.7.4

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–2R. Операционный усилитель, ох­ваченный отрицательной обратной связью с помощью резистора ROC, 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 2R. Чтобы убедиться в этом, необходимо просуммировать все сопротивления правой части схемы, начиная с узла 7.

рис. 4.7.5

 

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.


Рекомендуйте эту статью другим!



прерываний в микропроцессорных
нояб 04, 2015 2811

Организация прерываний в микропроцессорных системах

Прерывание в микропроцессорах (interruption) — это событие, вызывающее прекращение…
нояб 17, 2012 9763

Режимы глухого заземления нейтрали в сетях низшего напряжения (0,4 кВ)

Полная реконструкция технологических установок промышленных предприятий, включающая…
Вихревые токи 1
авг 04, 2014 5935

Вихревые токи

В электрических устройствах, приборах, машинах металлические детали способны иногда…
Реклоузеры 4
авг 30, 2015 10482

Реклоузеры - применение, достоинства и недостатки, разновидности

Реклоузер - устройство автоматического управления и защиты воздушных ЛЭП на основе…
Элегазовые высоковольтные выключатели
дек 22, 2013 3140

Элегазовые высоковольтные выключатели

В элегазовых выключателях роль дугогасящей среды выполняет элегаз (гексафторид серы SF6).…