2. Ацп. Основные характеристики, структурные схемы.

Устройства для связи с объектом управления:

1) Аналоговые датчики.

2) Цифровые и аналоговые коммутаторы (мультиплексоры).

3) Блок АЦП.

4) Блок ЦАП.

5) Цифровые регистрирующие устройства, средства цифрового ввода данных (кнопки, переключатели, контакты реле).

Подсистема аналогового ввода:

а) Параллельная обработка сигнала с помощью многоканальной системы.

«+»: максимальная производительность, цифровой канал передачи.

«-»: высокая стоимость из-за АЦП.

Количество каналов: , где - допустимая погрешность измерения i-го параметра, - период опроса.

б) Последовательная обработка сигналов с помощью одного АЦП.

Количество каналов: , где - допустимая погрешность измерения i-го параметра, - период опроса, - время преобразования.

Классификация АЦП делится на 3 типа:

АЦП последовательного приближения, заключается в возможности организации синхронной и циклической работы, производства уменьшения числа разрядов и вывода данных в последовательном коде. АЦП считывания, выполняет функцию параллельного преобразования входного напряжения в один из видов цифрового кода: двоичного (прямого или обратного) и с дополнением до двух (прямого или обратного). Интегрирующие АЦП, предназначены для применения в измерительной аппаратуре различного назначения.

Основными характеристиками АЦП являются: разрешающая способность, точность и быстродействие. Разрешающая способность определяется разрядностью и максимальным диапазоном входного аналогового напряжения, точность – абсолютной погрешностью полной шкалы, нелинейностью и дифференциальной нелинейностью. Быстродействие АЦП характеризуется временем преобразования tпрб т.е. интервалом времени от момента заданного изменения сигнала на входе до появления на выходе, устанавливающегося кода.

По структуре построения АЦП делятся на два типа: с применением ЦАП и без них. В настоящее время в интегральном исполнении реализованы АЦП развёртывающего типа. Развёртывающие АЦП переводят аналоговый сигнал в цифровой последовательный, начиная с младшего значащего разряда до цифрового кода на выходе, соответствующего уровню входного аналогового напряжения АЦП. К этому типу можно отнести АЦП последовательного приближения со счётчиком. К схемам АЦП без применения ЦАП относятся АЦП двойного интегрирования и параллельного действия. Способ двойного интегрирования позволяет хорошо подавлять сетевые помехи; кроме того, для построения схемы АЦП не требуется ЦАП с высокоточными резистивными матрицами.

Перейдем к принципам построения современных АЦП.

АЦП уравновешивающего типа содержат схему выборки и хранения (СВХ), компаратор, регистр последовательного приближения (РПП), ЦАП и схему управления.

При поступлении сигнала «Пуск» в СВХ запоминается напряжение входного сигнала в этот момент времени, после чего начинается процесс уравновешивания. В РПП последовательно, начиная со старшего разряда, подбирается b-разрядный код так, чтобы получить минимальную разницу напряжений на выходах ЦАП и СВХ. Процесс преобразования занимает b тактов. После его завершения формируется сигнал «Готов».

Основная проблема в АЦП уравновешивающего типа - реализация ЦАП с требуемыми числом разрядов и быстродействием. Одновременно получить значения обоих этих параметров, необходимые для оцифровки телевизионных сигналов, не удается. Но для звуковых сигналов АЦП с уравновешиванием применяются.

Высокое быстродействие достигается в АЦП параллельного типа. Чтобы получить b двоичных разрядов на выходе, устройство должно содержать 2b-1 компараторов. На одни входы компараторов подается входной сигнал UBX, a на другие - пороговые напряжения с выходов делителя напряжения, на вход которого подается опорное напряжение Uon.

АЦП уравновешивающего типа

АЦП параллельного типа

АЦП параллельно-последовательного типа

ATmega128 содержит 10-разр. АЦП последовательного приближения. АЦП связан с 8-канальным аналоговым мультиплексором, 8 однополярных входов которого связаны с линиями порта F. Общий входных сигналов должен иметь потенциал 0В (т.е. связан с GND). АЦП также поддерживает ввод 16 дифференциальных напряжений. Два дифференциальных входа (ADC1, ADC0 и ADC3, ADC2) содержат каскад со ступенчатым программируемым усилением: 0 дБ (1x), 20 дБ (10x), или 46 дБ (200x). Семь дифференциальных аналоговых каналов используют общий инвертирующий вход (ADC1), а все остальные входы АЦП выполняют функцию неинвертирующих входов. Если выбрано усиление 1x или 10x, то можно ожидать 8-разр. разрешение, а если 200x, то 7-разрядное. АЦП содержит УВХ (устройство выборки-хранения), которое поддерживает на постоянном уровне напряжение на входе АЦП во время преобразования. АЦП имеет отдельный вывод питания AVCC (аналоговое питание). AVCC не должен отличаться более чем на ± 0.3В от VCC.

В качестве внутреннего опорного напряжения может выступать напряжение от внутреннего ИОНа на 2.56В или напряжение AVCC. Если требуется использование внешнего ИОН, то он должен быть подключен к выводу AREF с подключением к этому выводу блокировочного конденсатора для улучшения шумовых характеристик.

АЦП преобразовывает входное аналоговое напряжение в 10-разр. код методом последовательных приближений. Минимальное значение соответствует уровню GND, а максимальное уровню AREF минус 1 мл. разр.

Канал аналогового ввода и каскад дифференциального усиления выбираются путем записи бит MUX в регистр ADMUX. В качестве однополярного аналогового входа АЦП может быть выбран один из входов ADC0…ADC7, а также GND и выход фиксированного источника опорного напряжения 1,22 В. В режиме дифференциального ввода предусмотрена возможность выбора инвертирующих и неинвертирующих входов к дифференциальному усилителю.

Если выбран дифференциальный режим аналогового ввода, то дифференциальный усилитель будет усиливать разность напряжений между выбранной парой входов на заданный коэффициент усиления. Усиленное таким образом значение поступает на аналоговый вход АЦП. Если выбирается однополярный режим аналогового ввода, то каскад усиления пропускается

Работа АЦП разрешается путем установки бита ADEN в ADCSRA. Выбор опорного источника и канала преобразования не возможно выполнить до установки ADEN. Если ADEN = 0, то АЦП не потребляет ток, поэтому, при переводе в экономичные режимы сна рекомендуется предварительно отключить АЦП.

АЦП генерирует 10-разрядный результат, который помещается в пару регистров данных АЦП ADCH и ADCL.

АЦП генерирует собственный запрос на прерывание по завершении преобразования. Если между чтением регистров ADCH и ADCL запрещен доступ к данным для АЦП, то прерывание возникнет, даже если результат преобразования будет потерян.

Одиночное преобразование запускается путем записи лог. 1 в бит запуска преобразования АЦП ADSC. Данный бит остается в высоком состоянии в процессе преобразования и сбрасывается по завершении преобразования. Если в процессе преобразования переключается канал аналогового ввода, то АЦП автоматически завершит текущее преобразование прежде, чем переключит канал.

В режиме автоматического перезапуска АЦП непрерывно оцифровывает аналоговый сигнал и обновляет регистр данных АЦП. Данный режим задается путем записи лог. 1 в бит ADFR регистра ADCSRA. Первое преобразование инициируется путем записи лог. 1 в бит ADSC регистра ADCSRA. В данном режиме АЦП выполняет последовательные преобразования, независимо от того сбрасывается флаг прерывания АЦП ADIF или нет.