Лекция№5 «Аналого-цифровые преобразователи, цифро-аналоговые преобразователи, аналого-цифровое преобразование с помощью МП.»

План лекции:

1. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

2. Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)

3. Виды АЦП

4. Аналого-цифровое преобразование с помощью МП.

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) - 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 резисторно-ценной (лестничной) схемы.

К схеме подключаются источники, управляемый разрядами входного тока 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.

Рис 1.

Виды АЦП

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. 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.

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.

АЦП с преобразованием напряжения в частоту —используют для медленно изменяющихся сигналов.

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 2 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 2 Рис 3

На рис. 2. 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. 3). 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.

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. В этом случае испытуемые числа для всех сигналов можно преобразовы­вать с помощью одного ЦАП, подключенного к порту вывода П_выв. Сравнение выхода ЦАП с каждым из п входных аналоговых сигна­лов выполняет отдельный компаратор. Результат каждого сравне­ния поступает в МП по отдельной линии в порт ввода П_вв.

Порт вывода принимает с шины данных 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.

Контрольные вопросы:

1. Что такое аналого-цифровые преобразователи (АЦП)?

2. Что такое цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)?

3. Рассказать о видах АЦП.

4. Аналого-цифровое преобразование с помощью МП.