Аналогово-цифрові перетворювачі.

Если необходимо получить значение аналогового сигнала, то используют аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП воспринимает аналоговый сигнал, напряжение или ток, и преобразует его в цифровой код понятный микропроцессору (рис. 5.2).

Рисунок 5.2

Это гипотетическое устройство имеет два входа: опорное напряжение (reference, VREF), и измеряемый сигнал, а так же один выход (зачастую многоразрядный) представляющий в цифровой форме входную величину. Опорное напряжение - максимальная величина напряжения, которую АЦП может преобразовать. В примере АЦП на рис. 5.3 может преобразовать напряжения с величинами от 0 до VREF.

Рисунок 5.3

Этот диапазон напряжений поделен в случае 8-разрядного АЦП на 2⁸=256 уровней или шагов. Размер одного шага если VREF = 5В задается как:

Размер шага преобразователя определяет разрешение АЦП. Для 8-битного преобразователя аналоговый входной сигнал представляется цифровым кодом длинной 1 байт. Старший значащий бит (бит 7, MSB) показывает, выше ли входное напряжение, чем VREF/2 (2.5 В при VREF = 5 В). Каждый следующий от бита 6 до 0 - младшего значащего бита (least significant bit, LSB) представляет половину значения предыдущего, как показано в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Бит	Бит 7	Бит 6	Бит 5	Бит 4	Бит 3	Бит 2	Бит 1	Бит 0
Напряжение, В	2,5	1,25	0,625	0,3125	0,156	0,078	0,039	0,0195

В табл. 5.2 показан пример, в котором, если сложить напряжения, соответствующие каждому единичному биту, то можно получить значение аналоговой величины:

0,625 + 0,156 + 0,078 = 0,859 В.

Бит	Бит 7	Бит 6	Бит 5	Бит 4	Бит 3	Бит 2	Бит 1	Бит 0
Напряжение, В	2,5	1,25	0,625	0,3125	0,156	0,078	0,039	0,0195
Выходная величина	0	0	1	0	1	1	0	0

Разрешение АЦП определяется опорным напряжением и разрядностью выходного кода, и устанавливает наименьшее изменение напряжения, которое может быть измерено АЦП. Разрешение может быть улучшено уменьшением V_REF. Изменение V_REF с 5 до 2,5В даст разрешение 2,5/256 или 9,7 мВ, но при этом максимальное измеряемое напряжение не 5, а 2,5 В. Для увеличения разрешения без изменения опорного напряжения необходимо использовать АЦП с большей шириной выходного кода. Так 10-битный АЦП с опорным напряжением 5В имеет 210, или 1024, возможных выходных двоичных кодов. Разрешение составит 5В/1024 или 4,88 мВ.

Существует несколько типов АЦП, работающих с разными скоростями и обеспечивающие различную точность.

Один из самых простых – следящий АЦП, он состоит из компаратора, реверсивного счетчика, управляемого компаратором, и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Компаратор сравнивает входное напряжение с выходным напряжением ЦАП и управляет направлением счета реверсивного счетчика (+/-). Если входное напряжение больше, чем напряжение ЦАП, счетчик считает на сложение (+), если же меньше напряжения ЦАП, счетчик считает на вычитание (-). Вход ЦАП соединен с выходом счетчика. Счетчик стартует с нуля, при этом выход компаратора находится в ВЫСОКОМ логическом уровне. Счетчик считает на сложение с каждым тактовым импульсом, ступенчато поднимая выходное напряжение ЦАП. Когда счетчик проходит двоичную величину, представляющую входное напряжение, то компаратор переключается, и счетчик начинает считать на вычитание. В итоге, счетчик будет колебаться вокруг величины, представляющей входное напряжение. Структурная схема показана на рис. 5.3, принцип работы на рис.5.4.

Рисунок 5.3

Рисунок 5.4

Главный недостаток следящих АЦП - низкая скорость преобразования, которое может занять до 256 тактов для 8-битного выхода, 1024 такта для 10-битного значения и т.д., к тому же, скорость преобразования изменяется в зависимости от входного напряжения. Максимальная тактовая частота АЦП следящего типа зависит от задержки распространения сигнала в ЦАП и компараторе. После каждого тактового импульса выход счетчика должен быть преобразован ЦАП, а результат преобразования с выхода поступить на инверсный вход компаратора. Компаратор отнимает некоторую часть времени для реакции на изменение выходного напряжения ЦАП, производя новый управляющий сигнал на сложение или вычитание для реверсивного счетчика.

Однако имея МПУ с компаратором и таймером с генератором ШИМ (или программно генерируемый) можно легко построить следящий АЦП, а если сигнал изменяется медленно по отношению к частоте дискретизации, то такой АЦП будет устанавливать выходной код быстрее, чем АЦП последовательных приближений.

Самый быстрый АЦП - параллельный, содержащий по компаратору на каждый шаг напряжения. На один из входов каждого компаратора подается измеряемое напряжение, а другие входы компараторов подключаются к линейке резисторов. В зависимости от изменения входного напряжения будут переключены в состояние 1 только те компараторы, у которых было превышено опорное напряжение. Сигналы с выходов всех компараторов поступают шифратор, который и задает выходной двоичный код. Число компараторов определяется числом кодовых комбинаций Разрешение параллельного АЦП ограничено, как правило, от 6 до 12 бит. В составе МПУ такой АЦП обычно не встраивается. Исключением могут служить системы на кристалле работающие с высокочастотными радиосигналами.

Наиболее распространенный, среди встроенных в микропроцессорные устройства, аналого-цифровой преобразователь последовательных приближений (Successive Approximation Register, SAR). Он подобен следящему АЦП в том, что система ЦАП/счетчик формирует напряжение, которое поступает на один вход компаратора, а входной сигнал поступает на другой вход (рис. 5.5).

Рисунок 5.5

Различие состоит в том, что регистр последовательных приближений выполняет двоичный поиск, вместо счета вверх или вниз по единице. Так 8-битный АЦП последовательного приближения может завершить преобразование за 8 тактов, независимо от входного напряжения, но требуется больше логических цепей, чем для следящего АЦП, но зато скорость преобразования будет выше.

Поскольку АЦП имеет конечную разрядность, то преобразование непрерывного аналогового сигнала невозможно. Выходной диапазон может быть представлен в виде множества интервалов, каждому из которых соответствует собственное цифровое значение. Это означает, что одно выходное значение соответствует не конкретному уровню входного напряжения, а небольшому диапазону входных значений. Передаточная функция такого преобразования имеет лестничную форму. Максимальная погрешность совершенного АЦП составляет ±1/2 одной ступени (интервала дискретизации), т.е. максимальная погрешность квантования всегда ±1/2 младшего разряда, но в реальном АЦП возникают и другие источники погрешностей.

В большинстве случаев нет необходимости выполнять калибровку АЦП, та как типичная погрешность в 1-2 LSB зачастую удовлетворяет техническим требованиям. Однако при использовании усилительного каскада с большим усилением незначительные отклонения умножаются на коэффициент усиления, и может наблюдаться некомпенсированная погрешность до 20 младших разрядов и выше. Но данные отклонения могут быть определены, а затем компенсированы программно.

Абсолютная погрешность - максимальное отклонение между идеальной прямолинейной и реальной передаточными функциями, в том числе внутри интервалов квантования. Минимальная абсолютная погрешность равна погрешности квантования 1/2 младшего разряда. Она может быть измерена, но не может быть компенсирована непосредственно, без использования таблиц преобразования или полиноминальной аппроксимации. Абсолютная погрешность включает в себя погрешность квантования, смещения, коэффициента передачи и нелинейность. Наиболее весомые - передаточная погрешность и погрешность смещения так же могут быть скомпенсированы программно. Абсолютная погрешность сокращает диапазон АЦП что требует учитывать запас по входным минимальным и максимальным напряжениям.

Погрешность смещения – это отклонение фактической передаточной функции АЦП от прямолинейной передаточной функции идеального АЦП при нулевом входном напряжении. Ошибка смещения положительная, если выходное значение будет больше 0, когда входное напряжение приближается к 1/2 мл.разр. снизу и наоборот. Отрицательные и положительные смещения показаны на рис. 5.6.

Рисунок 5.6

Передаточная погрешность – это отклонение в средней точке последнего интервала дискретизации от идеальной прямой линии после компенсации погрешности смещения. Под влиянием передаточных погрешностей изменяется наклон фактической передаточной функции относительно идеального наклона. Пример передаточной функции 3-разрядного АЦП с передаточной погрешностью показан на рис. 5.7.

Рисунок 5.7

Нелинейность АЦП выражается в том, что фактическая передаточная функция может слегка отклоняться от совершенной прямой, даже если обе кривые совпадают в районе 0 и в точке измерения передаточной погрешности. На рис. 5.8 показаны примеры для обоих методов измерения.

Рисунок 5.8

Управление АЦП в микропроцессорном устройстве происходит при помощи регистров.

Очень часто в микропроцессорных устройствах, предназначенных для работы в прецизионных системах, встраиваются АЦП повышенной разрядности, построенные на принципе сигма-дельта модуляции.

Самый простой сигма-дельта модулятор первого порядка состоит из однобитного АЦП (компаратор) подключенного к выходу интегратора. Входной сигнал суммируется с сигналом однобитного ЦАП и подается на вход интегратора. Структурная схема сигма-дельта АЦП первого порядка показана на рис. 5.9 Цифровой фильтр на выходе сигма-дельта модулятора подавляет высокочастотный шум дискретизации и это обеспечивает дополнительное увеличение числа эффективного числа разрядов. Дециматор на выходе фильтра позволяет перейти от однобитного потока с частотой к многоразрядному с частотой .

Рисунок 5.9

Работает сигма-дельта модулятор следующим образом. Входной сигнал через сумматор поступает на вход интегратора. На его выходе (А) сигнал увеличивается или уменьшается с постоянной скоростью. Выходной сигнал компаратора через однобитный ЦАП (В) поступает на вычитающий вход сумматора. Петля отрицательной обратной связи между компаратором через однобитный ЦАП и сумматором следит за тем, чтобы среднее значение напряжения на выходе ЦАП был равен . Среднее значение напряжение на выходе задается плотностью единиц и нулей на входе ЦАП. Сигнал на выходе ЦАП при поступлении 1 устанавливается на уровне , а при поступлении 0 - . Если рассматривать эти изменения на некотором интервале, то можно заметить, что среднее значение изменяется согласно данным однобитового потока. Любое произвольное значение входного напряжения усредняется сигма-дельта АЦП на некотором интервале выборки. Принцип работы АЦП поясняется диаграммами на рис. 5.10.

Рисунок 5.10

Сигма-дельта АЦП можно считать синхронным преобразователем напряжение-частота, поэтому если подсчитать количество единиц на выходе компаратора, то это будет соответствовать аналоговой величине на входе. Такой метод подсчета может применяться для постоянного напряжения или медленно меняющихся сигналов.