4. Цап и ацп

4.1. ЦАП - устройства, преобразующие код (двоичное число) в аналоговый сигнал (напряжение или ток). Примерами использования ЦАП могут служить высококачественные звуковоспроизводящие устройства, в которых в качестве источника выступают массивы цифровых данных - компакт-диски, цифровые каналы телефонной связи, звуковые платы в ПК и т.д. Для нас ЦАП будут представлять интерес в основном от того, что они являются частью АЦП.

Для преобразования двоичного кода в аналоговый сигнал обычно формируют токи, пропорциональные величинам разрядов, затем суммируют те из токов, которые соответствуют единичным разрядам входного кода.

Основу ЦАП обычно составляет резисторная сетка R-2R/4 с.49/.

Токи резисторов 2Rпри 1 уровне соответствующих разрядов посылаются в сумматор токов, при 0 уровне - закорачиваются на землю, чтобы не искажать общую картину разветвления токов. Коду 11111111 (все 1) будет соответствовать ток I_S =I₀ - I₀/2ⁿ . Здесь I₀ = U_ОП/R – суммарный ток от источника U_ОП.

Следует убедиться, что токи в соседних резисторах 2Rотличаются в 2 раза (чтобы каждый из разрядов имел вдвое больший вес от младшего). Справа от каждого из резисторов2Rэквивалентное сопротивление всей схемы также равно2R. Таким образом, ток от источника опорного напряжения в каждом узле делится пополам:I₀/2¹, I₀/2², I₀/2⁴ и т.д.

4.2. АЦП - устройства, преобразующие аналоговый сигнал (напряжение) в код (двоичное или десятичное число). Важнейшей характеристикой АЦП является разрядность (6, 8,10, 12, 14, 16, 18 двоичных р.), определяющая предельно достижимую точность (погрешность дискретизации). Типы АЦП - параллельные, последовательного приближения, интегрирующие и сигма-дельта.

Последние два способа рассматривать не будем, т.к. несмотря на высокую точность, эти методы обладают низким быстродействием и применяются в измерительных приборах. Заметим лишь, что интегрирующий АЦП состоит из преобразователя напряжения в частоту или длительность и преобразователя полученной частоты или длительности в код.

4.2.1. Основу параллельных АЦП составляют компараторы (compare – сравнивать, к. - устройство сравнения).

Компаратор(аналоговый) - устройство сравнения двух аналоговых сигналов с представлением результата в виде логических уровней 0/1. При положительной разнице уровней - сигнал на выходе - 1, наоборот - 0. К. доступны в виде отдельных м/с (от 1 до 4 компараторов в 1 корпусе).

Соберем простейший параллельный АЦП на один двоичный разряд. По существу требуется разделить диапазон от 0 до U_опна две части. Нижняя часть (половина) будет соответствовать 0, верхняя – 1. Схема будет состоять из двух резисторовRи одного компаратора (подключенного к делителю инверсным входом, а неинверсный - к входному сигналу). На практике такие схемы находят применение, когда надо сравнить уровень сигнала с неким заданным уровнем, поэтому резисторы необязательно одинаковые.

Усложним задачу. Требуется пар. АЦП на два двоичных разряда. Вместо двух зон имеем 4 зоны, соответствующие всем комбинациям 2-разрядного двоичного числа (00, 01, 10, 11). С помощью 4 резисторов несложно определить границы этих зон. Подключаем аналогично компараторы и смотрим, что получилось. На выходах компараторов имеем не двоичный, а некий позиционный код (с заполнением). Т.е. требуется преобразователь этого кода в двоичный.

Параллельные АЦП состоят из многоуровнего делителя напряжения, задающего все уровни напряжений, соответствующие заданной дискретизации - (2ⁿ - 1),столько же компараторов и преобразователя позиционного кода в двоичный.

Параллельные АЦП выдают код сразу (требуется время на срабатывание компараторов и преобразователя кода), дОроги (требуется прецизионное изготовление огромного числа резисторов и почти стольких же компараторов), обладают наивысшим быстродействием, имеют небольшое число разрядов преобразования (для 6 разрядов требуется 64 резистора и 63 компаратора).

4.2.2. В автомобильных БУ используются АЦП последовательного приближения.

Нарисовать картинку устройства АЦП: регистр последовательного приближения (РПП) + ЦАП, компаратор (входы - с ЦАП (-) и входной сигнал +). РПП имеет входы: S (Start), DI - сигнал с компаратора (записывается в опрашиваемый разряд), СLK– синхронизация (часы), СС – Conversion Complete – конец преобразования.

Отдельно РПП работает так. После старта все разряды сбрасываются в 0, выходной сигнал СС – в исходное состояние. С каждым импульсом CLKв каждом из разрядов выходного регистра (начиная со старшегоDn) по очереди происходят аналогичные события. По нарастаниюCLKвыставляется 1 в текущем разряде, по спадуCLKсостояние DI записывается в текущий разряд и сохраняется до конца преобразования. Далее в следующем разряде устанавливается 1 (нарастание), по спаду записывается состояние DI и потом выдается на выход. И так до последнего разрядаD0.

Принцип работы АЦП последовательного приближения - последовательное уравновешивание разрядов от старшего к младшему /5 с. 114-118/. Код в Регистре Последовательного Приближения меняется так, чтобы обеспечить уравновешивание входного напряжения напряжением, получаемым с выхода ЦАП. Уравновешивание начинается со старшего разряда (половина шкалы диапазона преобразования). В этом разряде вначале устанавливается 1 (в остальных разрядах - нули) и оценивается знак разности между входным и уравновешивающим сигналами с помощью компаратора. Если уравновешивающий сигнал с ЦАП меньше входного, то 1 в старшем разряде сохраняется, если нет - то сбрасывается (сигнал с компаратора записывается в опрашиваемый разряд). Далее, аналогичным образом, проверяется, нужна ли 1 в соседнем младшем разряде и т.д. до самого младшего разряда.

Из сказанного делаем такие выводы: 1. АЦП послед. приближения - тактируемые устройства - им нужны "часы" - тактовые импульсы. 2. Процесс преобразования должен начинаться с команды запуска. 3. Время преобразования (получение результата) составляет некоторое число тактовых импульсов и зависит от частоты тактовых импульсов и разрядности АЦП.

Рассмотрим типичный АЦП.

Входы: AIN,VRH, VRL, (задают верхний (конечный - все единицы) и нижний (начальный - все нули) уровни входного сигнала), CLK, A0, -CS, -RD, -WR.

Выходы - INT (READY) - сигнал готовности преобразования

Выходы – DATA (Z- состояние при невыборке м/с).

Зачем сигнал -WR?

Для программиста АЦП является портом ввода/вывода. Требуется периодический запуск преобразования и чтение результата. Обычно перед входом АЦП имеется мультиплексор, позволяющий по очереди производить опрос нескольких каналов.