1.9. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые компоненты.

Для стыковки цифровой МПС с аналоговыми входами-выходами ВУ используются аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи, которые по отношению к системе также являются внеш­ними устройствами. Следовательно, для подключения ЦАП и АЦП к МПС необходимо, как указывалось выше, хорошо представлять их структу­ру и принцип функционирования.

Промышленные ЦАП и АЦП выполняются в виде БИС и различаются своими характеристиками: разрядностью, быстродействием, диапазоном изменения входной (или выходной) аналоговой величины, погреш­ностью преобразования и др.

Рассмотрим методы, лежащие в основе таких преобразований, и, как следствие, варианты подключений ЦАП и АЦП к МПС.

1.9.1. Цифро-аналоговые преобразователи.

Принцип работы ЦАП базируется на сум­мировании токов от каждого цифрового входа данных (см. рис.41). Ток входа пропорционален его весу. Таким образом, ЦАП есть сумматор токов. Токи за­даются точными резисторами и опорным стабилизированным напряжени­ем. Сумматором токов выступает резистор обратной связи операцион­ного усилителя, усилитель постоянного тока (УПТ) которого служит для увеличения входного сопротивления с целью снижения погрешности преоб­разования. Входной сигнал равен

, (1)

где N+1 - количество входных шин ЦАП (разрядность ШД).

С системной точки зрения ЦАП имеет следующие функциональные внешние связи: входную группу шин данных и выход аналогового напряжения. Поэтому его можно подключить к МПС так, как показано на рисунке 42.

Рис.41	Рис.42

ЦАП непрерывно преобразует цифровой код в аналоговый сигнал, поэтому, чтобы освободить магистраль для передачи других данных, требуемый код хранится в выходном порту.

1.9.2. Аналого-цифровые преобразователи.

Методы аналого-цифрового преобразования.

При построении АЦП используются три основные группы методов, имеющие много разновидностей: последовательные, последовательно-параллельные и параллельные. Типичными представителями первой группы являются метод последовательного счета и следящий метод последовательного счета; второй группы - метод поразрядного кодирования (взвешивания), реализующий оптимизационный метод дихотомии. Методы третьей группы применяются редко вследствие своей аппаратурной "затратности" и только там, где требуется такое быстродействие, которое не может быть получено более экономичными средствами. В этих методах каждому дискретному уровню аналоговой величины сопоставлен отдельный компаратор (пороговый сравнитель). Поэтому ниже будут рассмотрены представители только первых двух групп.

Структурная схема АЦП, реа­лизованного на основе метода последовательного счета, приведена на рис.43, а диаграмма его работы – на рис.44.

Рис.43	Рис.44
Рис.45		Рис.46

По сигналу "Старт" счетчик и генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН) обнуляются, компаратор (К) выдает сигнал, разрешающий прохождение импульсов от ГТИ, так как U_BX > U_глин. Одновременно этот сигнал является выходом "Готовность" (ГТ) АЦП. Когда U_BX = U_глин, компаратор запирает ключ, и на выходе счетчика устанавливается код

N = F_опор · U_вх / tg a, (2)

где F_опор - частота генератора тактовых импуль­сов (ГТИ). Чтобы N = U_BX численно, выбирают F_опор / tg a = 1.

Серьезным недостатком данного метода является значительное время преобразования входного аналогового напряжения в цифровой код. Он частично устраняется в следящем методе последовательного счета (см. рис.45, рис.46).

Структурная схема метода поразрядного кодирования приведена на рисунке 47, а диаграмма его работы – на рисунке 48.

Рис.47	Рис.48

Рассмотрим его работу. Пусть в первоначальном состоянии сдвиговый регистр RG хранит результат предыдущего измерения. На выходе переполнения Qпер логический "0". Импульсы от ГТИ не поступают на его синхровход "Син".

При подаче сигнала "Старт" импульс по входу "Син" опрокидывает регистр в состояние логических "1" на всех выходах. На выходе ЦАП появляется максимально возможное напряжение, а импульсы с ГТИ начинают поступать на вход "Син" регистра. В результате на вход данных "D" с компаратора подается логический "0". По второму синхроимпульсу этот ноль вдвигается в старший разряд регистра (Qст), в результате чего на выходе ЦАП напряжение уменьшается вдвое.

Этот процесс повторяется до тех пор, пока на выходе Qпер не появится логический "0", запирающий выход ГТИ. На этом процесс преобразования заканчивается и на выходе ШД находится код, эквивалентный входному аналоговому напряжению Uвх, а сдвиговый регистр переходит в устойчивое состояние. Таким образом, преобразование выполняется за количество тактов, равное разрядности ШД (сдвигового регистра).

Подключение АЦП к МПС.

Во всех рассмотренных примерах АЦП имел следующие внешние выводы: "Старт", "Uвх", "Готовность" и шины данных (цифровой код как результат преобразования). Поэтому можно рекомендовать подключение АЦП к МПС при программно-управляемом способе обмена так, как показано на рисунке 49.

Рис.49

Если ЦАП и/или АЦП встроены в МП, то МП называется аналоговым, а проблема сопряжения сводится к программирование свойств МП.