Вариант 1
Разработайте блок-схему алгоритма работы передатчика UART c учетом состояний разрядов управляющих регистров USR, UCR, UDR.
Вариант 2
Разработайте блок-схему алгоритма работы приемника UART с учетом состояний разрядов управляющих регистров USR, UCR, UDR.
Вариант 3
Разработайте функциональную схему подключения микроконтроллера AT90S4434 через UART к COM порту компьютера. Схема предназначена для ввода данных с восьми аналоговых входов микроконтроллера и является базой для измерительной системы.
Вариант 4
Разработайте функциональную схему подключения микроконтроллера AT90S2313 к USB порту компьютера. Схема предназначена для ввода данных с восьми дискретных входов микроконтроллера и является базой для системы управления.
Вариант 5
Разработайте принципиальную схему трехпроцессорной системы с использованием микроконтроллеров AT90S2333. Связь процессоров организовать через UART.
Вариант 6
Разработайте принципиальную схему организации дуплексного канала связи RS-422 для микроконтроллера AT90S4434. Схема должна использовать UART микроконтроллера.
Вариант 7
Разработайте функциональную схему, которая содержит три микроконтроллера AT90S4414, связанных по UART по системе один ведущий и два ведомых. Ведущий микроконтроллер связать с СОМ портом компьютера. Микроконтроллеры предполагается использовать для сбора информации через порты, а ведущий микроконтроллер предполагается использовать как буфер для передачи данных в компьютер.
Вариант 8
Разработайте алгоритм программы управления UART (передатчиком и приемником). Предусмотреть размер буфера в оперативной памяти размером 10 байт для передачи и 10 байт для приема данных.
Вариант 9
Разработайте функциональную схему подключения двух микроконтроллеров AT90S4434 по схеме ведущий - ведомый. Предложите схему подключения ведущего микроконтроллера к COM порту компьютера.
Вариант 10
Разработайте функциональную схему подключения трех микроконтроллеров AT90S2333 по схеме ведущий – два ведомых, через UART. Предложите схему подключения ведущего микроконтроллера к COM порту компьютера. Разработайте алгоритм взаимодействия элементов устройства.
Вариант 11
Разработайте принципиальную схему устройства, на базе микроконтроллера АТ90S4414, которое позволяет подключиться с сети Ethernet через модуль UART Дополнительные микросхемы выбрать самостоятельно.
Вариант 12
Разработайте функциональную схему четырех процессорной системы на базе микроконтроллеров Atmel. ATS902313. Для соединения процессоров используйте модуль UART. Разработайте алгоритм функционирования устройства. Поясните, существуют ли альтернативные схемы взаимодействия процессоров и, если да, то какие.
Контрольные вопросы
1. Может ли модуль UART работать в синхронном режиме?
2. Поясните, с какой целью передатчик и приемник UART формируют сигналы прерываний?
3. Как приемник UART идентифицирует информационный сигнал от сигнала помехи?
4. С какой целью применяется бод рейд генератор?
5. Поясните, если через модуль UART реализовать интерфейс RS-485, надо ли менять драйвер UART при смене протоколов обмена информацией по RS-485.
6. Можно ли с использованием модуля UART создавать многопроцессорные системы без дополнительных микросхем?
7. Почему применяют в микроконтроллерах два последовательных интерфейса UART и SPI?
Содержание отчета
7. Структурная, функциональная схема устройства при необходимости пояснения работы устройства. Краткие справочные данные о микросхемах выбираемых студентом самостоятельно и необходимых для решения задания.
8. Принципиальная схема устройства в заданном или выбранном элементном базисе.
9. Временная диаграмма или иная информация необходимая для пояснения работы схемы.
10. Алгоритм работы устройства на уровне блок схемы.
11. Для подготовки функциональных и принципиальных схем использовать программу Microsoft Visio.
12. Выполнение некоторых заданий лабораторной работы требует самостоятельного информационного поиска.
Лабораторная работа №8
Цифроаналоговые преобразователи
Цель работы:
Изучение принципа работы, характеристик, типов цифроаналоговых преобразователей и применение их применения.
Приобретение навыков применения цифроаналоговых преобразователей при проектирование специальных схем.
Теоретическая часть
Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) - устройство для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал. На рисунке 4.1 показаны идеальная (1) и реальная (2) характеристики ЦАП.
Рисунок 4.1 – Характеристики ЦАП
При последовательном увеличении цифрового сигнала D(t) от 0 до 2N-1 через единицу младшего разряда (ЕМР) выходной сигнал Uвых(t) образует ступенчатую кривую. Это и есть характеристика преобразования ЦАП. Если погрешностей преобразования нет, то средние точки ступенек расположены на идеальной прямой (1).
Реальная характеристика преобразования может отличаться от идеальной формой ступенек и расположением относительно плоскости координат. Для количественного описания различий между идеальной характеристикой и реальной существуют статические и динамические параметры.
К статическим параметрам относят: разрешающую способность; погрешность полной шкалы; погрешность смещения нуля; нелинейность; дифференциальную нелинейность; монотонность характеристики; температурная нестабильность.
К динамическим параметрам ЦАП относят: время установления; скорость нарастания. Рассмотрим эти параметры отдельно.
Статические параметры
Разрешающая способность – это приращение Uвых при преобразовании смежных значений кода D, отличающегося на ЕМР. Это приращение называют шагом квантования. Для двоичных кодов номинальное значение шага квантования определяется формулой 1.
, (1)
Где U пш – номинальное максимальное выходное напряжение ЦАП, а N – разрядность преобразователя. Очевидно, чем выше разрядность ЦАП, тем выше его разрешающая способность.
Погрешность полной шкалы – это разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля. Рассчитывается по формуле (2)
(2)
Погрешность смещения нуля – это значение Uвых., если входной код ЦАП равен нулю. Указывается в милливольтах или процентах от полной шкалы. Рассчитывается по формуле (3).
(3)
Нелинейность – это максимальное отклонение реальной характеристики от идеальной, как показано на рисунке 1 и вычисляется по формуле (4).
(4)
Дифференциальная нелинейность – максимальное изменение отклонения реальной характеристики от оптимальной при переходе от одного значения входного кода к другому смежному значению. Вычисляется по формуле (5).
(5)
Монотонность характеристики преобразования – это возрастание (уменьшение) выходного напряжения ЦАП при возрастании (уменьшении) входного кода. Если дифференциальная нелинейность больше относительного шага квантования h/Uпш, то характеристика преобразователя немонотонна.
Температурная нестабильность ЦАП характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.
Погрешности полной шкалы и смещения нуля могут быть устранены калибровкой.
Динамические параметры
Динамические параметры ЦАП определяются по изменению выходного сигнала при скачкообразном изменении входного кода. Например, от величины D – все нули, до D – все единицы, как показано на рисунке 4.2.
Рисунок 4.2 – Переходная характеристика ЦАП
Время установления – интервал времени от момента изменения входного кода до момента, когда в последний раз выполняется равенство
Uвых.-Uпш.=d/2.
Скорость нарастания – это максимальная скорость изменения Uвых.(t) во время переходного процесса. Определяется как отношение приращения
Uвых. к времени, за которое произошло приращение.
Максимальная частота преобразования – наибольшая частота дискретизации, при которой сохраняются заданные параметры преобразования.
ЦАП с суммированием весовых токов
Большинство схем ЦАП основано на суммировании токов, величина которых пропорциональна весу цифрового разряда. При этом используются две разновидности ЦАП: построенные на матрице с весовыми сопротивлениями и построенные на матрице R-2R с двумя номиналами сопротивлений. Пример первой схемы показан на рисунке 3, а второй на рисунке 4. S – разряды цифрового кода, замыкание ключа соответствует логической единице.
Рисунок 4.3 – ЦАП с суммированием весовых токов
Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда кода. Выходной ток определяется следующим соотношением (6).
, где (6)
D – цифровой код, R0 – номинал резистора для младшего разряда кода.
При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть высокой точности. Надо заметить, что точные резисторы обладают высокой ценой. ЦАП построенные на матрице R-2R с двумя номиналами показан на рисунке 4.4. Способ весовых резисторов неудобен, если преобразование многоразрядное. Для двенадцати разрядного ЦАП потребуется соотношение величин резисторов 2000:1 с соответствующей точностью самого меньшего резистора по номиналу. Поэтому схема R-2R приводит к простому решению указанной проблемы.
Рисунок 4.4 – ЦАП с матрицей R-2R
В этой схеме задание весовых коэффициентов ступеней преобразователя осуществляются путем последовательного деления опорного напряжения с помощью резистивной матрицы постоянного величины. Выходные токи схемы определяются соотношениями.
(6)
Поскольку нижние выводы резисторов 2R матрицы при любом состоянии переключателей (состоянии цифрового кода) S соединены с общей шиной схемы через низкое сопротивление замкнутых ключей, напряжения на ключах всегда в пределах нескольких милливольт. Точность этой схемы снижает то обстоятельство, что для ЦАП, имеющих высокую разрядность, необходимо согласовывать сопротивления R ключей с разрядными токами. Особенно это важно для старших разрядов.
ЦАП на источниках тока
Цап на источниках тока обладают более высокой точностью, чем
предыдущие схемы. Это объясняется тем, что весовые токи формируются резисторами небольшого сопротивления и поэтому зависят от номиналов сопротивлений ключей и нагрузки. В ЦАП на источниках тока, весовые токи формируются транзисторными источниками тока, которые имеют высокое динамическое сопротивление. Схема ЦАП на источниках тока приведена на рисунке 4.5. Весовые токи формируются с помощью матрицы транзисторных источников тока с масштабирующими эмиттерными резисторами. В преобразователях этого типа источники тока включены постоянно, и их выходной ток подключается к выходному контакту под управлением цифрового кода.
Рисунок 4.5 – ЦАП на источниках тока
Выходной ток для n- разрядного ЦАП на источниках тока рассчитывается по формуле (7).
(7)
В ЦАП с токовым выходом необходимо принимать во внимание ограничение по диапазону изменения выходного напряжения. Оно может составлять всего до одного вольта. Поэтому существует задача формирования выходного сигнала напряжения.
Формирование выходного сигнала напряжения
Если емкость нагрузки невелика, то возможно применение схемы на резисторе как показано на рисунке 4 6. Время установления выходного сигнала с точностью 1\1048 для 10-разрядного преобразователя составит 7.6 постоянных времени R-S-цепочки.
Рисунок 4.6 – Выходная схема ЦАП на резисторе
Если необходимо сформировать большой диапазон изменения выходного напряжения или согласовать выход с низко омной нагрузкой и большой емкостной нагрузкой, применяется схема с операционным усилителем, которая показана на рисунке 4.7.
Рисунок 4.7 – Выходная схема ЦАП на операционном усилителе
ЦАП с суммированием напряжений
Схема восьмиразрядного преобразователя с суммированием напряжений показана на рисунке 4.8. Основу преобразователя составляют 256 резисторов равного сопротивления, соединенных последовательно. Вывод W может подключаться через ключи S0-S256 к любой точке делителя напряжения на резисторах, в зависимости от входного двоичного кода DI. Входной двоичный код преобразуется дешифратором 8 на 256 в унитарный код, непосредственно управляющий ключами. Если к точке А приложить опорное напряжение, то напряжение на выходе W будет определять формулой (8).
(8)
Достоинством схемы является малая дифференциальная нелинейность и монотонность характеристики преобразования. Выпускаются ЦАП 8, 10, 12 разрядные по данной схеме. Например AD53012, AD5311, AD5321.
Рисунок 4.8 – ЦАП с суммированием напряжений
Интерфейсы цифро-аналоговых преобразователей
Важным элементом любой схемы ЦАП является цифровой интерфейс, обеспечивающий подключение к источнику цифровых сигналов. При управлении ЦАП от цифровых устройств с жесткой логикой, ЦАП могут быть непосредственно подключены к выходам цифровых устройств. Если ЦАП используется в составе микропроцессорной системы и получают код от шины данных, то он должен иметь интерфейсную часть, которая будет обеспечивать условия соблюдения протокола шины. В качестве примера можно рассмотреть ЦАП с последовательным и параллельным интерфейсом, которые показаны на рисунке 4.9 и 4.10. ЦАП с последовательным интерфейсом кроме собственно схемы ЦАП, содержат дополнительный регистр хранения и регистр сдвига. Эти регистры работают по протоколу управляющих сигналов, которые показаны на рисунке 9.
Рисунок 4.9 - ЦАП с последовательным интерфейсом
При активном уровне сигнала CS входное слово длины N загружается по линии DI в регистр сдвига под управлением тактовой частоты CLK. После окончания загрузки, и установки сигнала LD, выходное слово записывается в регистр хранения, выходы которого непосредственно управляют ключами ЦАП. Для обеспечения возможности загрузки данных по одной линии нескольких последовательных ЦАП, используется выход DO, который подключается к входу DI следующего ЦАП.
ЦАП с параллельным интерфейсом, показанный на рисунке 10, обладает двумя регистрами хранения и схемой управляющей логики. Регистр хранения 1 и регистр хранения 2 работают в режиме конвейера. Цифровой код регистра 1 преобразуется в аналоговый сигнал. А в регистр 2 записывается цифровой код для следующего цикла преобразования.
Рисунок 4.10 – ЦАП с параллельным интерфейсом