Применение аналого-цифрового преобразователя

Микросхемы аналого-цифрового преобразователя выполняют функцию преобразования входного аналогового сигнала в последовательность цифровых кодов. Микросхему АЦП можно представить в виде блока, имеющего один аналоговый вход, один или два входа для подачи опорного (образцового) напряжения, а также цифровые выходы для выдачи кода, соответствующего текущему значению аналогового сигнала (рис. 7.11).

Рис. 7.11. Микросхема АЦП

Часто микросхема АЦП имеет также вход для подачи тактового сигнала CLK, сигнал разрешения работы CS и сигнал, говорящий о готовности выходного цифрового кода RDY. На микросхему подается одно или два питающих напряжения и общий провод. В целом микросхемы АЦП сложнее, чем микросхемы ЦАП, их разнообразие заметно больше, и поэтому сформулировать для них общие принципы применения сложнее.

Опорное напряжение АЦП задает диапазон входного напряжения, в котором производится преобразование. Оно может быть постоянным или же допускать изменение в некоторых пределах. Иногда предусматривается подача на АЦП двух опорных напряжений с разными знаками, тогда АЦП способен работать как с положительными, так и с отрицательными входными напряжениями.

Выходной цифровой код N (n -разрядный) однозначно соответствует уровню входного напряжения. Код может принимать 2 ⁿ значений, то есть АЦП может различать 2 ⁿ уровней входного напряжения. Количество разрядов выходного кода n представляет собой важнейшую характеристику АЦП. В момент готовности выходного кода выдается сигнал окончания преобразования RDY, по которому внешнее устройство может читать код N.

Управляется работа АЦП тактовым сигналом CLK, который задает частоту преобразования, то есть частоту выдачи выходных кодов. Предельная тактовая частота – второй важнейший параметр АЦП. В некоторых микросхемах имеется встроенный генератор тактовых сигналов, поэтому к их выводам подключается кварцевый резонатор или конденсатор, задающий частоту преобразования. Сигнал CS разрешает работу микросхемы. Выпускается множество самых разнообразных микросхем АЦП, различающихся скоростью работы (частота преобразования от сотен килогерц до сотен мегагерц), разрядностью (от 6 до 24), допустимыми диапазонами входного сигнала, величинами погрешностей, уровнями питающих напряжений, методами выдачи выходного кода (параллельный или последовательный), другими параметрами.

В качестве базового элемента любого АЦП используется компаратор напряжения (рис. 7.12), который сравнивает два входных аналоговых напряжения и, в зависимости от результата сравнения, выдает выходной цифровой сигнал – нуль или единицу. Компаратор работает с большим диапазоном входных напряжений и имеет высокое быстродействие (задержка порядка единиц наносекунд).

Рис. 7.12. Компаратор напряжения

Существует два основных принципа построения АЦП: последовательный и параллельный.

В последовательном АЦП входное напряжение последовательно сравнивается одним единственным компаратором с несколькими эталонными уровнями напряжения, и по результатам сравнения формируется выходной код. Наибольшее распространение получили АЦП последовательного приближения (рис. 7.13). Входное напряжение подается на вход компаратора, на другой вход которого подается эталонное напряжение, ступенчато изменяющееся во времени. Выходной сигнал компаратора подается на регистр последовательных приближений, тактируемого внешним тактовым сигналом. Выходной код регистра последовательных приближений поступает на ЦАП, которое из опорного напряжения формирует меняющееся эталонное напряжение.

Рис. 7.13. АЦП последовательного типа

Регистр последовательных приближений работает так, что в зависимости от результата предыдущего сравнения выбирается следующий уровень эталонного напряжения по следующему алгоритму:

· в первом такте входной сигнал сравнивается с половиной опорного напряжения;

· если входной сигнал меньше половины опорного напряжения, то на следующем такте он сравнивается с четвертью опорного напряжения (то есть половина опорного напряжения уменьшается на четверть). Одновременно в регистр последовательных приближений записывается старший разряд выходного кода, равный нулю;

· если же входной сигнал больше половины опорного напряжения, то на втором такте он сравнивается с 3/4 опорного напряжения (то есть половина увеличивается на четверть). Одновременно в регистр последовательных приближений записывается старший разряд выходного кода, равный единице;

· затем эта последовательность сравнений повторяется нужное число раз с уменьшением на каждом такте вдвое ступени изменения эталонного напряжения (на третьем такте – 1/8 опорного напряжения, на четвертом – 1/16 и т.д.). В результате опорное напряжение в каждом такте приближается к входному напряжению. Всего преобразование занимает n тактов. В последнем такте вычисляется младший разряд.

Процесс этот требует нескольких тактов, причем в течение каждого такта должны успеть сработать компаратор, регистр последовательных приближений и ЦАП с выходом по напряжению. Поэтому последовательные АЦП довольно медленные, имеют сравнительно большое время преобразования и малую частоту преобразования.

Второй тип АЦП – АЦП параллельного типа – работает по более простому принципу. Все разряды выходного кода вычисляются в них одновременно (параллельно), поэтому они гораздо быстрее, чем последовательные АЦП. Правда, они требуют применения большого количества компараторов (2 ⁿ –1), что вызывает чисто технологические трудности при большом количестве разрядов (например, при 12-разрядном АЦП требуется 4095 компараторов). Схема такого АЦП (рис. 7.14) включает в себя резистивный делитель из 2 ⁿ одинаковых резисторов, который делит опорное напряжение на (2 ^{n –1}) уровней.

Рис. 7.14. 3-разрядный АЦП параллельного типа

Входное напряжение сравнивается с помощью компараторов с уровнями, формируемыми делителем напряжения. Выходные сигналы компараторов с помощью шифратора преобразуются в n -разрядный двоичный код. Шифратор выдает на выход номер последнего из сработавших (то есть выдавших сигнал логической единицы) компараторов. Например, в случае 3-разрядного АЦП (на рисунке) при величине входного напряжения от 0 до 1/8 опорного напряжения выходной код будет 000, при входном напряжении от 1/8 до 2/8 опорного напряжения сработает первый компаратор, что даст выходной код 001, при входном напряжении от 2/8 до 3/8 опорного напряжения сработают компараторы 1 и 2, что даст выходной код 010, и т.д. Процесс преобразования происходит в параллельном АЦП очень быстро, поэтому частота преобразования может достигать сотен мегагерц.

Для повышения быстродействия в параллельном АЦП иногда применяется конвейерный принцип: выходной код компараторов записывается в (2 ⁿ –1)-разрядный параллельный регистр, показанный на рис. 7.14. Выходной код шифратора также записывается в n -разрядный параллельный регистр. Оба регистра в этом случае тактируются одним и тем же тактовым сигналом. Это снижает требования к быстродействию компараторов и шифратора. Правда, выходной код АЦП задерживается из-за таких регистров на два периода тактовой частоты.

Громоздкость структуры параллельного АЦП приводит к тому, что в некоторых АЦП применяется смешанный параллельно-последовательный принцип. Это несколько снижает быстродействие подобного АЦП по сравнению с обычным параллельным АЦП, но зато позволяет получить большое число разрядов, не увеличивая количество компараторов до (2 ⁿ –1).

Для того чтобы АЦП любого типа работал с использованием всех своих возможностей, необходимо обеспечить согласование диапазона изменения входного аналогового сигнала с допустимым диапазоном (динамическим диапазоном) входного напряжения АЦП.

На рис. 7.15 показано четыре возможных случая соотношения динамического диапазона АЦП (от 0 до U_REF или от U_{REF 1} до U_{REF 2}) и входного сигнала. В случаях а) и б) входной сигнал меньше динамического диапазона, поэтому АЦП будет работать правильно, но не будет использовать всех своих возможностей. В случае в) входной сигнал слишком большой, поэтому часть его значений не будет преобразована. Только в случае г) АЦП действительно будет работать как n -разрядный и будет преобразовывать все значения входного сигнала. Для согласования входного сигнала с динамическим диапазоном АЦП применяют усилители, аттенюаторы, схемы сдвига либо выбирая величину опорных напряжений.

Рис. 7.15. Соотношение входного сигнала и динамического диапазона АЦП

Иногда необходимо уменьшить количество разрядов АЦП. На рис. 7.16 показано использование 10-разрядного АЦПв качестве 8-разрядного. Существует ряд типовых решений по объединению нескольких микросхем АЦП для решения обратной задачи – увеличения количества разрядов выходного кода, но это требует сложных расчетов результирующих погрешностей преобразования и применения аналоговых узлов. При возникновении задачи увеличения разрядности ищется микросхема с нужным количеством разрядов и потом рассматриваются возможности объединения нескольких АЦП.

Рис. 7.16. Уменьшение количества разрядов выходного кода АЦП

Рассмотрим несколько типичных схем включения АЦП, используемых в аналого-цифровых системах.

Первая схема (рис. 7.17) предназначена для фиксации момента превышения входным аналоговым сигналом заданного порогового напряжения. Схема вырабатывает выходной сигнал (положительный фронт) тогда, когда входной аналоговый сигнал становится больше установленного уровня, причем уровень этот задается цифровым кодом порога. Код порога сравнивается с выходными кодами АЦП с помощью микросхемы компаратора кодов. Выходной сигнал компаратора кодов записывается в триггер по сигналу RDY с АЦП, что позволяет исключить влияние коротких импульсов, возникающих на выходе компаратора в момент изменения входных кодов. Применение этого триггера задерживает выходной сигнал на один такт.

Рис. 7.17. Фиксатор превышения входным сигналом установленного порога

Часто встречающееся использование АЦП – это преобразование входного сигнала в поток кодов с записью в буферную память. Наиболее подходящим является однонаправленный буфер с периодическим режимом работы. То есть сначала в буферную память по сигналу RDY заносится массив кодов выборок входного сигнала, а затем этот массив читается для дальнейшей обработки. Схема включения АЦПв этом случае показана на рис. 7.18.

Рис. 7.18. Включение буферной памяти для запоминания кодов с выходов АЦП

В реальных аналого-цифровых устройствах требуются схемы синхронизации процесса записи со входным сигналом, схемы предварительной обработки аналогового сигнала, но суть остается той же – буферная память, записывающая последовательность кодов с выхода АЦП. Чем больше объем памяти, тем больший фрагмент входного аналогового сигнала она может запомнить, так если память имеет организацию 64К´8 и работает с 8-разрядным АЦП, то при частоте преобразования АЦП 10 МГц буфер сможет хранить в себе фрагмент аналогового сигнала длительностью 6,5536 мс.

Схема, приведенная на рис. 7.19, позволяет вдвое повысить частоту записи кодов выборок входного сигнала АЦП в буферную память. При этом используют два АЦП и два буфера, которые работают по очереди, например, четные выборки входного сигнала обрабатывает один АЦП со своим буфером, а нечетные – другой АЦП со своим буфером. В результате запоминание кодов входного сигнала осуществляется с частотой вдвое больше частоты преобразования каждого из АЦП. Например, если каждый АЦП и каждый буфер работают с частотой 10 МГц, то результирующая частота преобразования составит 20 МГц.

Рис. 7.19. Увеличение вдвое частоты преобразования входного сигнала с помощью двух АЦП с буферами

Тактовые сигналы АЦП и сигналы RDY на выходах АЦП должны быть сдвинуты один относительно другого на половину периода тактового сигнала. Чтение зарегистрированных кодов из обоих буферов также должно быть организовано по очереди: первый код читается из первого буфера, второй – из второго, третий – опять из первого, четвертый – из второго и т.д. Объем обоих буферов в данном случае складывается. Например, при организации каждого буфера 64К´8 результирующий буфер будет иметь организацию 128К´8.

Помимо АЦП последовательного и параллельного типов существуют еще и АЦП с промежуточным преобразованием. В них входной аналоговый сигнал с помощью аналогового интегратора преобразуется во временной интервал между цифровыми импульсами или в частоту цифровых импульсов. Выходной цифровой код, соответствующий входному аналоговому сигналу, формируется в результате измерения длительности временного интервала или частоты следования импульсов (рис. 7.20). Если используется выходная частота, то такой АЦП называется "преобразователем напряжение–частота".

Рис. 7.20. АЦП с промежуточным преобразованием

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные функции устройства ввода/вывода информации.

2. Перечислите номенклатуру операционных модулей устройства ввода/вывода информации.

3. Определите понятие аналоговые устройства ввода/вывода информации.

4. Определите понятие дискретные устройства ввода/вывода информации.

5. Определите назначение цифро-аналоговых преобразователей.

6. Определите назначение аналого-цифровых преобразователей.

7. Какие типы аналого-цифрового преобразователя вы знаете?

8. Приведите примеры применения цифроаналоговых преобразователей.

9. Приведите примеры применения аналого-цифровых преобразователей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сегодняшние системы реального времени намного более сложны, чем их вчерашние предшественники. Разработка этих систем стала сложным и дорогим делом. И вместе с увеличением количества выпуска этих систем реального времени необходимость уменьшить стоимость окончательного продукта становится все более важной. Основная задача системы реального масштаба времени – получение правильных результатов за определенный крайний срок.

В пособии рассмотрены многие аппаратно–технические решения в разработке систем реального времени, которые должны удовлетворять основным особенностям систем реального времени в целом и управляющих систем реального времени в частности. Но выполнение этого требования еще недостаточно для эффективной работы системы, поскольку система реального времени как система управления должна быть безопасной при ее эксплуатации, что возможно лишь в условиях достоверной экспериментальной информации при выработке управляющих воздействий в системе.

Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту. Реализация этой предпосылки в значительной мере определялась возможностями устройств для получения информации о регулируемом параметре или процессе, т.е. возможностями датчиков. Датчики, преобразуя измерительный параметр в выходной сигнал, который можно измерить и оценить количественно, являются органами чувств современной техники.

Техника конструирования и применения датчиков систем реального времени или сенсорика, за последние годы развилась в самостоятельную ветвь измерительной техники. С ростом автоматизации к датчикам физических параметров стали предъявляться все более высокие требования. При этом особое значение придается следующим показателям:

· миниатюрность (возможность встраивания);

· дешевизна (серийное производство);

· механическая прочность.

В пособии сформулированы принципиальные требования реального времени к коммуникационной инфраструктуре (а именно: задержка доступа к каналу связи, задержка сообщений связи). Важнейшими характеристиками коммуникационного механизма при этом являются: процент потери сообщений, скорость передачи сообщений, процент потери экстренных сообщений, эффективность использования канала передачи данных и масштабируемость механизма. Наконец, рассмотрена задача диспетчеризации в системах реального времени и ее реализация в SCADA -системах, выявлены важнейшие влияющие факторы: обработка обращения к недоступным ресурсам, среднее время ответа на запрос, гарантированный процент вовремя обработанных запросов.

Дата добавления: 2014-12-16