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!



Особенности нового ГОСТа по качеству электроэнергии
июнь 16, 2014 4347

Особенности нового ГОСТа по качеству электроэнергии

С начала 2013 года вступил в действие обновлённый стандарт качества ГОСТ Р 54149, в…
рис. 1.141
окт 17, 2016 736

Влияние различных факторов на выходное напряжение операционного усилителя

При практическом использовании операционного усилителя необходимо учитывать, что…
dif1
апр 03, 2017 1914

Дифференциальная защита, диф реле, принцип работы, применение

Дифференциальная защита - одна из самых быстродействующих. Для нее не требуется выдержки…
Последовательный обмен
нояб 11, 2015 1611

Способы и методы последовательного обмена

Принципы обмена. Последовательный обмен (ввод–вывод данных), когда байт данных передается…