Глава7. Аналого-цифровой

Преобразователь

7.1 Общие сведения

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя, DAC).Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Простейшим двоичным АЦП является компаратор

Разрешение

Разрешение АЦП — минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП — связано с его разрядностью. В случае единичного измерения определяется разрядностью АЦП.

Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. В двоичных АЦП измеряется в битах. Например, двоичный 8-ми разрядный АЦП, способен выдать 256 дискретных значений (0…255), поскольку , Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, делённой на количество выходных дискретных значений. Например:

• Пример 1

  • Диапазон входных значений = от 0 до 10 вольт

  • Разрядность двоичного АЦП 12 бит: 2¹² = 4096 уровней квантования

  • Разрешение двоичного АЦП по напряжению: (10-0)/4096 = 0,00244 вольт = 2,44 мВ

• Пример 2

  • Диапазон входных значений = от −10 до +10 вольт

  • Разрядность двоичного АЦП 14 бит: 2¹⁴ = 16384 уровней квантования

  • Разрешение двоичного АЦП по напряжению: (10-(-10))/16384 = 20/16384 = 0,00122 вольт = 1,22 мВ

Существует множество типов АЦП, однако в рамках данного учебника мы ограничимся рассмотрением только АЦП, используемого в микроконтроллере Atmega128:

В состав ATmega128 входит модуль 10_разрядного АЦП последовательного приближения. Рис 7.1показывает упрощенную блок-схему АЦП последовательного приближения. В основе АЦП данного типа лежит специальный регистр последовательного приближения. В начале цикла преобразования все разряды этого регистра устанавливаются в логический 0, за исключением первого (старшего) разряда. Это формирует на выходе внутреннего цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) сигнал, значение которого равно половине входного диапазона АЦП. А выход компаратора переключается в состояние, определяющее разницу между сигналом на выходе ЦАП и измеряемым входным напряжением.

компаратор

MUX

MUX0-MUX4

Внутреннее ИОН 2,56 в

ADC7

ADC6

ADC5

ADC4

ADC3

ADC2

ADC1

ADC0

Рис.7.1

Для 10-разрядного АЦП последовательного приближения в регистре последовательного приближения устанавливается код "1000000000" ( половина входного диапазона АЦП). Этот код подается с выходов регистра на вход ЦАП который, в свою очередь, преобразует в напряжение, которое подается на компаратор. Если входное напряжение меньше половины входного диапазона АЦП ( это означает, что выбранный код является большим для входного напряжения и его следует уменьшить), тогда выход компаратора примет значение логического 0. В резултате в регистре последовательного приближения запишется код 0100000000, что соответственно приведет к изменению выходного напряжения с ЦАП, подаваемого на компаратор. Если при этом выход компаратора по-прежнему оставался бы в "0", то регистр переключился бы в состояние "00100000". А если на этом такте преобразования выходное напряжение ЦАП меньше, чем входное напряжение, выход компаратор переключается в состояние логической 1. Это предписывает регистру последовательного приближения сохранить "1" во втором разряде и подать "1" на третий разряд. Описанный алгоритм работы затем вновь повторяется до последнего разряда. Таким образом, АЦП последовательного приближения требуется один внутренний такт преобразования для каждого разряда, или NNN тактов для NN-разрядного преобразования.

На входе модуля АЦП имеется 8_канальный аналоговый мультиплексор, предоставляющий в распоряжение пользователя 8 каналов .

В процессе работы АЦП может функционировать в двух режимах:

• режим одиночного преобразования, когда запуск каждого преобразования инициируется пользователем;

• режим непрерывного преобразования, когда запуск преобразований выполняется непрерывно через определенные интервалы времени.