1.9. Сбор данных

Существует множество приложений, в которых аналоговые данные должны быть оцифрованы (т.е. преобразованы в цифровой вид) и переданы в память компьютера. Процесс, с помощью которого информация в цифровой форме поступает на компью­тер, называется сбором данных. Запись значения одной точки данных называется выборкой, а сама точка называется отсчетом. Компьютер может осуществлять над данными разнообразные операции, зависящие от области применения информации. Сохраняя данные (например, при цифровой записи аудио- или видеоинформации) либо отображая сигналы на цифровом осциллографе, встроенный микрокомпьютер может запоминать данные и передавать их на ЦАП, чтобы позднее воспроизвести ис­ходный аналоговый сигнал. Управляя этим процессом, компьютер может также об­рабатывать информацию, например, осуществлять над ней какие-то арифметические действия, чтобы определить, какой выход следует возбудить.

На рис.9, показано, как подключается микропроцессор к интегрирующему АЦП для сбора данных. Для того чтобы начать очередной процесс преобразования, компьютер формирует импульсы запуска (START). Сигнал окончания преобразова­ния с выхода АЦП поступает на компьютер, который отслеживает состояние этого сигнала для того, чтобы обнаружить момент, когда цикл аналого-цифрового преобразования будет завершен; затем уже в цифровой форме компьютер передает данные с выхода АЦП в память.Полный цикл преобразования, в ходе которого компьютер формирует импульсы запуска, отслеживает логические уровни сигнала окончания преобразования и загружает данные из АЦП в память, выполняется под управлением программы, запускаемой перед началом работы. В частности, такая программа сбора данных определяет, сколько точек данных аналогового сигнала будет сохранено в памяти.

V_А

МИКРО-КОМПЬЮТЕР

8-РАЗРЯДНЫЙ

ИНТЕГРИРУЮЩИЙ

АЦП CLOC

START

Цифровой выходной сигнал

1.10. Аналого-цифровые преобразователи поразрядного уравновешивания

Аналого-цифровые преобразователи поразрядного уравновешивания представляют один из наиболее распространенных типов АЦП. Они имеют более сложную структуру, чем интегрирующие АЦП, но зато и намного более короткое время преобразования. К тому же для преобразователя поразрядного уравновешивания интервал преобразования входного сигнала фиксирован и не зависит от самого сигнала.

Упрощенная функциональная схема устройства такого АЦП показана на рис. 10 она во многом подобна схеме интегрирующего АЦП, однако для того, чтобы формировать входные сигналы на ЦАП в преобразователе поразрядного урав­новешивания, счетчик не используется, а вместо него ставится регистр. Устройство управления изменяет содержимое регистра по биту за единицу времени до тех пор, пока данные в регистре не будут соответствовать аналоговой входной величине точностью, определяемой разрядностью конкретного АЦП. Последовательный алго­ритм функционирования такого устройства приведен в виде блок-схемы на рис. 11. Этот алгоритм проаналозируем на примере, которому соответствует рис.12.В данном примере используется простейший четырехбитовый преобразователь, величина шага квантования которого составляет 1 В. Хотя обычно используемые на практике АЦП имеют большую разрядность и, следовательно, более высокую разре­шающую способность, их работа по существу остается такой же, нужно только пом­нить, что веса битов рассматриваемого регистра, подаваемых на ЦАП, будут состав­лять 8, 4, 2 и 1В соответственно.

Предположим, что на вход был подан аналоговый сигнал V_А = 10,4 В. Работа схе­мы начинается с того, что устройство управления сбрасывает все

биты регистра в О, т.е.Q₁ =Q₂ = Q₃ = Q₀ = 0 Запишем это состояние регистра иначе: [Q] = 0000. При этом с выхода АЦП снимем сигнал V_АХ = 0 В (момент t₀). При V_АХ < V_А выходной сигнал ком­паратора (СОМР) находится в состоянии с высоким уровнем.

На следующем этапе (момент t₁) устройство управления записывает 1 в триггер регистра, соответствующий старшему значащему биту, т.е. [О] = 1000. Это соответст­вует напряжению V_AX = 8 В. Так как V_AX еще меньше, чем V_A выходной сиг­нал компаратора остается в состоянии с высоким уровнем. Такой уровень сообщает устройству управления, что установка старшего значащего бита не привела к усло­вию V_AX V_A старший значащий бит следует оставить в единичном состоянии.

Теперь устройство управления записывает в регистр следующий по весу бит Q₂. Записывается значение Q₂ =1 в регистре получается [Q] = 1100, что соответст­вует напряжению V_AX = 12 В в момент t₂. Поскольку V_АХ > V_А то сигнал с выхода компаратора (на рисунке обозначен как СОМР) переходит в состояние с низким уровнем. Этот уровень оповещает устройство управления о том, что значение V_AX оказалось чересчур большим, поэтому в момент времени tз устройство управления сбрасывает бит Q₂ в ноль. Таким образом, в этот момент регистр возвращается к со­стоянию 1000, а V_AX - к значению 8 В.

Следующий шаг происходит в момент t₄ устройство управления записывает 1 в следующий бит Q₁ т.е. [Q] == 1010, а V_AX = 10 В. Так как V_АХ < V_А сигнал СОМР ос­тается в состоянии с высоким уровнем напряжения, поэтому бит Q₁ остается в еди­ничном состоянии.

И наконец, в момент времени t₅ устройство управления записывает 1 в младший бит Q₀ т.е. теперь [Q] = 1011, а V_AX = 11 В. Значение V_АХ > V_А поэтому сигнал c выхода компаратора переходит в состояние с низким уровнем напряжения, который сигнализирует о том, что значение V_AX снова слишком велико, следовательно, уст­ройство управления очищает бит Q₀

К этому моменту были проанализированы уже все биты регистра, т.е. преобразо­вание фактически завершено, поэтому устройство управления

активизирует сигнал окончания цикла (), что говорит о нахождении в регистре цифрового эквивален­та аналогового сигналаV_A. В рассматриваемом примере при значении аналогового сигнала V_A = 10.4 В получен цифровой эквивалент [Q] = 1010. Rодовая комбинация 1010 представляет значение 10 В, т.е. меньше, чем значение. сигнала на входе устройства. Это одно из свойств аналого-цифровых преобразовате­лей поразрядного уравновешивания. Стоит запомнить, что интегрирующие АЦП все­гда выдают значение, эквивалентное входному, но на один шаг больше.