18.7. Микроконтроллеры с интегрированным сигнальным процессором mcs-296

В связи с массовым переходом от аналоговых систем управления к цифровым возникли задачи по цифровой обработке сигналов. Эти задачи связаны с приемом аналоговых сигналов, преобразованием в цифровую форму и обработкой в реальном масштабе времени с выдачей на объект управления управляющих воздействий либо в цифровой, либо в аналоговой форме. В качестве примера можно привести цифровые регуляторы переменных состояний в промышленных программируемых контроллерах, системах управления роботов и манипуляторов, цифровые фильтры в системах слежения и т.д. [3-9].

Для решения таких задач до недавнего времени использовались исключительно специализированные микропроцессоры, так называемые цифровые сигнальные процессоры – DSP-про-цессоры (Digital Signal Processor). Необходимость создания специализированных процессоров возникла из-за того, что традиционно применяемые в компьютерной технике процессоры, например, фирмы Intel (286, 386, 486) имеют систему команд, мало пригодную для решения специфических задач цифровой обработки сигналов.

Главная особенность современных встроенных в оборудование систем управления характеризуется быстрым ростом требований к ним, когда ни отдельный микроконтроллер с большим набором периферийных устройств, ни отдельный сигнальный процессор уже не справляются с возросшим количеством задач. В традиционных для микроконтроллеров фирмы Intel областях все большее применение находят двухпроцессорные системы управления, в которых микроконтроллер выполняет функции обработки событий в реальном времени, а дополнительный процессор цифровой обработки сигналов – функции цифровой фильтрации входных сигналов. Фирма Intel с 1996г. выпускает 16-разрядные микроконтроллеры с новой конвейерной архитектурой серии MCS-296, которые имеют не только более высокую производительность по сравнению со своими аналогами, но и встроенные возможности цифровой обработки сигналов – DSP-сопроцессор.

8. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

Микропроцессорная автоматическая система должна работать не только с дискретными (цифровыми) сигналами, но и с непрерывными, физическими параметрами, которые представляются значениями электрических величин, формируемых соответствующими датчиками. Микропроцессор – это цифровое устройство, поэтому необходимы средства преобразования цифровых величин в аналоговые и обратно.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) преобразуют входные данные в виде значений тока или напряжения в цифровую форму. Процесс преобразования включает дискретизацию по времени, квантование по уровню и кодирование непрерывной входной величины. Необходимое быстродействие АЦП определяется скоростью изменения входной величины.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) реализуют обратный процесс преобразования цифровых данных в аналоговые сигналы; принцип их построения основан на генерации в соответствующих цепях напряжений или токов, пропорциональных весам зарядов. Эти устройства обычно состоят из схемы со взвешенными величинами сопротивлений резисторов или резисторно-цепной (лестничной) схемы [3-10, 3-11].

АЦП и ЦАП изготовливают в различных модификациях. В одних входные сигналы могут быть только положительными, в других – как положительные, так и отрицательные, могут быть использованы обычный двоичный, дополнительный двоичный и двоично-десятичный коды, а также обратный код, рефлексные коды и коды с обнаружением ошибок (коды Грея и Хемминга).

ЦАП является одним из элементов АЦП, поэтому целесообразно сначала рассмотреть устройство ЦАП.

Н

Рис.18.8. Схема построения ЦАП на резисторах

Рис.18.9. Схема построения ЦАП на базе операционного усилителя

а рисунке 18.8 иллюстрируется способ построения ЦАП на ре-зисторах. К схеме подк-лючаются источники то-каI, управляемые разря-дами входного кода. Число источников опре-деляет разрядность вхо-дного двоичного кода. Каждый источник формирует напряжения, численно равное значению соответствующего разряда, т.е. либо 1, либо 0. Выходное напряжение (аналоговое) пропорциональ-но сумме значений напряжений на источ-никах, взвешенных по степеням числа 2. Схема проста и может обеспечить хорошую точность преобразо-вания, т. к. используются два номинала сопротивлений резисторов.

На рисунке 18.9 приведена схема построения ЦАП на базе операционного усилителя.

На входы схемы подаются напряжения, соответствующие разрядам кода. На выходе операционного усилителя аналоговое напряжение пропорционально значению цифрового двоичного представления входной величины.

Если все переключатели замкнуты на общий провод (ОВ), как показано на рис.18.9,то входное напряжение в т.А равно нулю и выходное напряжение также равно нулю. Предположим, что мы установили переключатель А в положение, соответствующее логической 1. Тогда к операционному усилителю (ОУ) будет приложено входное напряжение, равное ЗВ. Рассчитаем коэффициент усиления по напряжению усилителя.

К_u=R_ос/R_вх=10000/150000=0,066.

Чтобы получить выходное напряжение, умножаем этот коэффициент усиления на величину входного напряжения, т.е.

U_вых.=K_uU_вх=0,0663=0,2В.

Выходное напряжение равно 0,2В, когда на входы ЦАП подана двоичная комбинация 0001.

Аналогично, если подать на входы ЦАП двоичную комбинацию 0010, то для коэффициента усиления в этом случае получаем

K_u=R_oc/R_вх=10000/75000=0,133,

умножив этот коэффициент усиления на величину входного напряжения, найдем, что выходное напряжение равно 0,4В. При переходе к каждому следующему двоичному числу выходное напряжение ЦАП должно увеличиваться на 0,2В. Такое возрастание выходного напряжения обеспечивается за счет увеличения коэффициента усиления по напряжению ОУ при подключении различных резисторов (R1, R2, R3, R4).

Если все переключатели в схеме на рис.18.9 установлены в положения, соответствующие логическим "единицам", ОУ вырабатывает на своем выходе полные ЗВ, поскольку коэффициент усиления в этом случае становится равным 1.

В качестве выходного можно использовать любое напряжение, не превышающее напряжение питания ОУ (в нашем случае 10В). Можно увеличить число двоичных разрядов, добавляя переключатели. При добавлении разрядного переключателя веса 16 в схему рис.18.9 потребуется резисторR₅ с сопротивлением, равным половине сопротивления резистора R₄. В нашем случае R₅ должно быть равно 9350Ом. При этом нужно будет также изменить сопротивление резистора обратной связи R_ос приблизительно до 5кОм. На выходе ЦАП можно тогда подавать 5-разрядные двоичные числа и по-прежнему получать на выходе аналоговый сигнал, изменяющийся от 0 до 3В.

Схема ЦАП, показанная на рис.18.9 имеет два недостатка: во-первых, в ней приходится использовать резисторы с широким диапазоном номиналов и, во-вторых, обеспечиваемая точность преобразования невысока. Имеется ряд других более сложных схем ЦАП, например, лестничного типа [3-11], которые обеспечивают большую точность преобразования.