12.4. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ И ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

МПАС должна работать с различными, в том числе с непрерывными, физическими параметрами, которые представляются значениями электрических величин, формируемых соответствующими датчиками. МП по своей природе устройство цифровое, поэтому необходимы средства преобразования цифровых величин в аналоговые (непрерывные) и обратно.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) преобразуют входные данные в аналоговой форме (обычно в виде значений тока или напряжения) в цифровую форму. Процесс преобразования включает в общем случае дискретизацию по времени, квантование по уровню и кодирование непрерывной входной величины. Необходимое быстродействие АЦП определяется в основном скоростью изменения входной величины.

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) реализуют обратный процесс преобразования цифровых данных в аналоговые сигналы; их построение основано на генерации в соответствующих цепях напряжений или токов, пропорциональных весам разрядов. Эти устройства обычно состоят из схемы со взвешенными величинами сопротивлений резисторов или резисторноценной (лестничной) схемы.

АЦП и ЦАП изготовляют в различных модификациях. В одних входные сигналы могут быть только положительными, в других — как положительные, так и отрицательные. В ряде устройств могут быть использованы обычный двоичный, дополнительный двоичный и двоично-десятичный коды. В других — обратный код, рефлексные коды и коды с обнаружением ошибок, такие, как код Грея и код Хемминга.

ЦАП является одним из элементов АЦП, поэтому целесообразно сначала рассмотреть способы и устройства цифроаналогового преобразования.

Цифровое двоичное представление величины N, например положительной, — это -разрядное машинное слово: . Значение N определяется следующим полиномом (с учетом позиционного характера двоичной системы): т. е. необходимо перемножить отдельные разряды слова с соответствующими коэффициентами, являющимися степенями двойки, и осуществить суммирование. Такие операции легко реализуются схемами из резисторов или на базе операционных усилителей.

Преобразование чисел, которые могут принимать как положительные, так и отрицательные значения и представлены в дополнительном коде, можно получить, несколько видоизменив схему для положительных чисел.

Необходимо сформировать вес старшего (знакового) разряда с отрицательным знаком, тогда

На рис. 12.7 иллюстрируется способ построения ЦАП на резисторах. К схеме подключаются источники тока управляемые разрядами входного кода. Число источников определяет разрядность входного двоичного кода. Каждый истоник формирует напряжение, численно равное значению соответствующего разряда, т. е. либо 1, либо 0. Выходное напряжение (аналоговое) пропорционально сумме значений напряжений на источниках, взвешенных по степеням числа 2.

Рис. 12.7

Схема проста и может обеспечить хорошую точность преобразования, так как используются только два номинала сопротивлений резисторов.

На рис. 12.8 приведена схема построения ЦАП на базе операционного усилителя. На входы схемы подаются напряжения и т. д., соответствующие разрядам кода. На выходе операционного усилителя напряжение (аналоговое) пропорционально значению числа N. Схема более сложна в реализации, так как используется большое число номиналов резисторов, причем они существенно отличаются друг от друга по величине (диапазон изменения от до ).

В целом, процесс АЦП заключается в следующем. Для АЦП с -разрядным двоичным выходом входной сигнал квантуется на уровней так, что действительное значение аналогового сигнала, соответствующее некоторой входной кодовой комбинации, находится между двумя логическими уровнями. Всего имеется ненулевых логических уровней аналогового сигнала, а шаг квантования определяется путем деления значения диапазона изменений аналоговой переменной на . равен величине наименьшего значащего разряда АЦП, а максимальная погрешность преобразования равна .

По принципам построения и способам реализации можно выделить несколько типов АЦП.

АЦП с поразрядным уравновешиванием (использует ЦАП) — наиболее распространен, так как обеспечивает высокое разрешение при большой скорости преобразования. В его основе лежит сравнение выходного сигнала внутреннего ЦАП с аналоговым входным сигналом; результатом каждого сравнения является установление очередного разряда на выходе АЦП. Таким образом, выдача -разрядного двоичного слова занймает фиксированных тактов, т. е.

АЦП такого типа имеет постоянное время преобразования. Точность преобразования зависит от стабильности опорного напряжения ЦАП, резисторной схемы и компаратора. Такие АЦП применяются обычно в системах обработки данных, мультиплексно сопряженных с МПС, т. е. когда особо важны скорость преобразования и высокое быстродействие.

Рис. 12.8

Интегрирующий АЦП — используется косвенный метод преобразования, при котором напряжение сначала преобразуется в длительность импульса, а затем эта длительность измеряется при помощи счетчика. Одно-, двух- и трехступенчатые интегрирующие преобразователи — все это варианты АЦП, в основе работы которых лежит указанный принцип.

Наиболее распространен двухступенчатый АЦП (прецизионные системы).

Однако тот факт, что его время преобразования занимает миллисекундный диапазон, ограничивает применение таких устройств преобразованием медленно изменяющихся сигналов.

Одноступенчатый АЦП представляет собой очень простое устройство, но требует периодической калибровки.

АЦП с преобразованием напряжения в частоту — используют для медленно изменяющихся сигналов. Простота схемы и сравнимое с другими типами АЦП подавление шумов. Такие АЦП обеспечивают (например, однополярный АЦП) точность преобразования до 0,01 % и частоту выходного сигнала до 1 МГц, что соответствует изменению аналогового сигнала в диапазоне 6 декад.

АЦП со ступенчато-нарастающим опорным напряжением — отслеживает изменяющийся входной сигнал; иногда его называют АЦП со следящим преобразованием. Такой АЦП имеет переменное время преобразования.

Вариантом такого АЦП является реверсивный следящий преобразователь (на реверсивном счетчике), который может отслеживать малые изменения сигнала быстрее, чем АЦП с суммирующим счетчиком.

АЦП параллельного действия — требуется входное квантующее устройство, содержащее компараторов, на которые подается смещение от опорного источника. Процесс квантования завершается за время переключения компараторов; однако для получения двоичного выходного кода требуется шифратор.

Комбинированный АЦП — эффективно сочетаются достоинства параллельного преобразования и метода поразрядного уравновешивания; при этом уменьшение скорости преобразования по сравнению с параллельным АЦП компенсируется повышенной точностью. Кроме того, преодолен недостаток параллельного метода, заключающейся в росте числа компараторов по геометрической прогрессии при увеличении разрядности.

Рис. 12.9

Рис. 12.10

На рис. 12.9 иллюстрируется способ построения АЦП с использованием ЦАП и суммирующего счетчика Сч. Заданное входное напряжение и аналоговый выход ЦАП подаются на компаратор (схему сравнения), на выходе которого появляется логическая 1, если входное напряжение превышает напряжение, полученное с ЦАП. Процесс АЦ-преобразования начинается со сброса счетчика в 0. После сброса содержимое счетчика увеличивается до тех пор, пока на выходе компаратора не появится логический 0, т. е. когда содержимое счетчика с заданной точностью станет равным выходу ЦАП. Достигнутое к этому моменту содержимое счетчика и берется в качестве выходного цифрового значения. На схеме ГТИ — генератор тактовых импульсов.

При использовании реверсивного счетчика РСч схема АЦП видоизменяется (рис. 12.10). Предыдущий способ существенно улучшается, так как для корректировки испытуемого числа можно либо увеличивать, либо уменьшать содержимое счетчика. Используется компаратор с двумя выходами. Логическая 1 на выходе 2 означает, что напряжение с выхода ЦАП превышает входное. Логическая 1 на выходе 1 означает, что выход ЦАП ниже входного аналогового напряжения. Каждый выход управляет своей схемой И, формирующей сигналы соответственно увеличению и уменьшению содержимого счетчика.

Процесс преобразования может начинаться с произвольного значения счетчика. Если это значение велико по сравнению с входным напряжением, логическая 1 на выходе 2 компаратора приведет к тому, что его содержимое при очередном импульсе генераторов тактовых импульсов (ГТИ) уменьшится на 1. Если же значение на счетчике мало по сравнению с входным напряжением, логическая 1 на выходе 1 компаратора приведет к его увеличению. Когда значение счетчика попадет в диапазон относительно входного напряжения, оба выхода компаратора примут нулевые значения, и счетчик перестанет изменяться.

Рис. 12.11

Значение должно выбираться таким образом, чтобы в зону попадало только одно значение счетчика, т. е. эта зона должна быть больше изменения аналогового напряжения на выходе ЦАП при переходе к соседнему числу, что соответствует аналоговому весу младшего разряда счетчика, но не должна превышать двух весов младшего разряда счетчика.

Время срабатывания такого АЦП зависит от того, насколько далеки друг от друга начальное и результирующее значения счетчика.

Аналого-цифровое преобразование с помощью МП. Если аналоговая величина преобразуется в цифровую форму для использования в МПАС, то логично и выгодно, чтобы один из МП, входящих в ее состав, взял на себя эти функции по преобразованию.

За счет этого можно упростить внешние схемы и связи. Особенно это эффективно, если преобразуется много сигналов (рис. 12.11). В этом случае испытуемые числа для всех сигналов можно преобразовывать с помощью одного ЦАП, подключенного к порту вывода Сравнение выхода ЦАП с каждым из входных аналоговых сигналов выполняет отдельный компаратор. Результат каждого сравнения поступает в МП по отдельной линии в порт ввода .

Номер (адрес) портов ввода и вывода один и тот же, отличаются они друг от друга управляющими сигналами «ввод» и «вывод».

Порт вывода принимает с шины данных (Д) испытуемое число и подает его на входы ЦАП. Выходы компараторов подаются на три - стабильные формирователи, образующие порт ввода.

Приведенных на схеме внешних компонентов и связей достаточно для того, чтобы можно было программно выполнить АЦ-преобразование для всех каналов. В общем случае программа начинает преобразование для некоторого канала, выводя соответствующее испытуемое число. Это число преобразуется в аналоговое напряжение и сравнивается с входными напряжениями во всех каналах. Результаты всех сравнений программа получает через порт ввода. Далее выделяется и тестируется бит. который соответствует конкретному каналу и определяется новое пробное значение числа. Подобрав число для одного канала. МП переходит к другому каналу и т. д. Таким образом, преобразование ведется в режиме временного мультиплексирования.

Следует отметить, что между МП и внешними схемами не требуется передавать информацию о состоянии, так как преобразование выполняет МП, и он же контролирует как начало, так и конец преобразования. Если же преобразование выполняется полностью внешними компонентами, то для информации о состоянии нужно выделять специальные порты.

В целом, метод преобразования, используемый в программе, может быть любым, включая метод последовательных приближений, методы со счетчиками и др.