1.8.4. Многоканальный аналого-цифровой преобразователь
Как правило, μC, используемые во встроенных системах, имеет в своем составе многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП или ADC). Такой ADC преобразует аналоговый сигнал, поступающий с одного из М входов GPIO, в N-разрядный двоичный код.
На рис. 35 приведена упрощенная структурная схема многоканального ADC . Через Аналоговый MUX (мультиплексор) один и аналоговых входов ADCi подключается к схеме выборки/хранения (S/H), выходное значение которой преобразуется ADC в двоичный код. Преобразование запускается по команде программного обеспечения, возвращающего затем полученный результат.
Рис. 34. Сигнал пилообразной формы, формируемый таймером-счетчиком
Компонент S/H схеме выполняет захват (ключ замкнут конденсатор C_INAD через резистор Z_INAD заряжается до величины входного значения) и хранение величины входного напряжения на время выполнения преобразования (ключ разомкнут и конденсатор C_INAD не имеет возможности быстро разрядится). На время захвата влияет выходное значение источника сигнала: чем оно выше, тем больше времени необходимое для захвата.
Рис.35. Схема многоканального аналого-цифрового преобразователя
Существует большое количество методов преобразования. Базовый принцип, используемый в них, основан на использовании компаратора для определения может или нет, тот или иной бит входить в результат преобразования со значением 1.
К наиболее используемым методам относятся: сравнения с пилообразным сигналом, последовательного приближения (или с поразрядным уравновешиванием) и параллельное прямое преобразования (Flash ADC).
В первом методе цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП или DAC) увеличивает напряжение на своем выходе согласно последовательному увеличению значения двоичного N-разрядного счетчика, подключенного к его входу. Как только компаратор зафиксирует совпадение выходного значения DAC и аналогового входа, двоичный счетчик останавливается, сохраняя свое значение как результат преобразования. Этот метод грешен переменным временем преобразования, и оно тем больше чем больше величина входного аналогового сигнала.
Второй метод в среднем быстрее первого, время преобразования постоянно и равно N-тактам. В каждом такте преобразования решается вопрос, какое значение должен принять очередной i-разряд N-разрядного регистра результата на основании сравнения значения выхода DAC, к входу которого подключен регистр результата, и аналогового входа. Вначале преобразования наиболее старший значащий бит регистра последовательного приближения устанавливается в 1, остальные в 0. Это цифровое значение затем преобразуется DAC в аналоговую величину, соответствующую половине максимального входного значения. Если измеряемая входная величина превосходит величину DAC наиболее старший значащий бит регистра последовательного приближения остается в 1, иначе сбрасывается в 0. Этот процесс повторяется со следующим битом. Он останется в 1,если входная величина находится во второй или четвертой четверти диапазона. И так для всех остальных бит.
Третий метод самый быстрый, но требует своего компаратора для каждого уровня квантования, т.е. 2^N-1 компараторов (например, при N=10 необходимо 1023 компаратора). Схема кодирования посредством таблицы истинности преобразует значения выходов компараторов в N-разрядный двоичный код. Поэтому обычно N=8, но это отрицательно сказывается на точности. ADC различных микроконтроллеров могут различаться такими свойствами, как:
– разрешающая способность (разрядность, может быть переменной);
– значением интегральной нелинейности:
– абсолютная погрешность;
– время преобразования (может быть переменным);
– производительность (может быть переменной);
– простой /дифференциальный аналоговый вход, количество входов;
– наличие входного усилителя с переменным коэффициентом усиления;
– допустимый диапазон изменения входного сигнала:
– набор опорных напряжений;
– режимы преобразования (однократный режим, режим с автозапуском, режим свободного хода);
– прерывание по окончанию преобразования;
– наличие механизмов шумоподавления.