Разработка блока АЦП на МК

2. АЦП последовательного приближения

    Преобразователь этого типа, называемый также АЦП  с поразрядным уравновешиванием, является наиболее распространенным вариантом  последовательных АЦП.

    В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип дихотомии, т.е последовательного  сравнения измеряемой величины с 1/2, 1/4, 1/8 и т.д. от возможного максимального  ее значения. Это позволяет для -разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за последовательных шагов (итераций) вместо при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии. Так, уже при этот выигрыш достигает 100 раз и позволяет получить с помощью таких АЦП до 105...106 преобразований в секунду. В то же время статическая погрешность этого типа преобразователей, определяемая в основном используемым в нем ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способность до 18 двоичных разрядов при частоте выборок до 200 кГц.

    Рисунок 3 – Структурная схема и временные  диаграммы АЦП последовательного  приближения

    Рассмотрим  принципы построения и работы АЦП  последовательного приближения  на примере классической структуры (рисунок 3а) 4-разрядного преобразователя, состоящего из трех основных узлов: компаратора (К), регистра последовательного приближения (РПП) и ЦАП.

    После подачи команды "Пуск" с приходом первого тактового импульса РПП принудительно задает на вход ЦАП код, равный половине его шкалы (для 4-разрядного ЦАП это ). Благодаря этому напряжение на выходе ЦАП (рисунке 3б):

    ,

    где - квант выходного напряжения ЦАП, соответствующий единице младшего разряда (ЕМР). Эта величина составляет половину возможного диапазона преобразуемых сигналов. Если входное напряжение больше, чем эта величина, то на выходе компаратора устанавливается 1, если меньше, то 0. В последнем случае схема управления должна переключить старший разряд обратно в состояние нуля.

    Непосредственно вслед за этим остаток таким же образом сравнивается с ближайшим младшим разрядом и т.д. После четырех подобных выравнивающих шагов в регистре последовательного приближения оказывается двоичное число, из которого после цифро-аналогового преобразования получается напряжение, соответствующее с точностью до 1 ЕМР. Выходное число может быть считано с РПП в виде параллельного двоичного кода по линиям. Кроме того, в процессе преобразования на выходе компаратора, как это видно из рисунка 3б, формируется выходное число в виде последовательного кода старшими разрядами вперед.

    Быстродействие  АЦП данного типа определяется суммой времени установления ЦАП до установившегося значения с погрешностью, не превышающей 0,5 ЕМР, времени переключения компаратора и задержки распространения сигнала в регистре последовательного приближения . Сумма является величиной постоянной, а уменьшается с уменьшением веса разряда. Следовательно, для определения младших разрядов может быть использована более высокая тактовая частота. При поразрядной вариации возможно уменьшение времени преобразования на 40%. Для этого в состав АЦП может быть включен контроллер.

    При работе без устройства выборки-хранения апертурное время равно времени между началом и фактическим окончанием преобразования, которое так же, как и у АЦП последовательного счета, по сути, зависит от входного сигнала, т.е. является переменным. Возникающие при этом апертурные погрешности носят также нелинейный характер. Поэтому для эффективного использования АЦП последовательного приближения, между его входом и источником преобразуемого сигнала следует включать УВХ. Большинство выпускаемых в настоящее время ИМС АЦП последовательного приближения, имеет встроенные устройства выборки-хранения или, чаще, устройства слежения-хранения (track-hold), управляемые сигналом запуска АЦП. Устройство слежения-хранения отличается тем, что постоянно находится в режиме выборки, переходя в режим хранения только на время преобразования сигнала.

    Данный  класс АЦП занимает промежуточное  положение по быстродействию, стоимости  и разрешающей способности между  последовательно-параллельными и  интегрирующими АЦП и находит  широкое применение в системах управления, контроля и цифровой обработки сигналов.

    1.3 АЦП последовательно-параллельного приближения

    Последовательно-параллельные АЦП – это компромисс между параллельными и последовательными АЦП, т.е. желание получить максимально возможное быстродействие при минимальных затратах и сложности.

    На  рисунке 4 представлен в качестве примера двухступенчатый АЦП. В многоступенчатых преобразователях процесс преобразования разделен в пространстве.

    Рисунок 4 - Двухступенчатый АЦП

    АЦП1 осуществляет "грубое" преобразование входного сигнала в старшие разряды. Сигналы с выхода первого АЦП  поступают на выходной регистр и  одновременно на вход быстродействующего ЦАП. Цифровой код преобразуется  ЦАП в напряжение, которое сумматором вычитается из входного напряжения.

    Разность  напряжений преобразуется с помощью  АЦП2 в коды младших разрядов. В  таких схемах ЦАП чаще всего выполняется  по схеме суммирования токов с  помощью дифференциальных переключателей, но они могут быть построены по схеме суммирования напряжений.

    Требования  к точности АЦП1 выше, нежели ко второму. Оба АЦП параллельного типа. Для примера рассмотрим два 4-х разрядных АЦП, тогда в каждом используется по 16 компараторов. В итоге получается 8-ми разрядный АЦП всего на 32 компараторах, тогда как при построении по параллельной схеме понадобилось бы 2⁸ - 1 = 255 шт. Быстродействие примерно в два раза ниже.

    Помимо  этого бывают многотактные последовательно-параллельные и конвейерные АЦП. У них несколько  иная структура. К примеру, многотактные преобразователи работают с различным  шагом квантования, т. е. в преобразователе  процесс преобразования разделен во времени. В один момент времени формируются  старшие разряды, в другой момент времени шаг квантования уменьшается  и формируются младшие разряды.

2. Разработка функциональной схемы  АЦП

    Для реализации поставленной задачи наиболее оправданно и целесообразно использование  АЦП последовательного приближения. Преобразователи напряжения в код, выполненные в виде замкнутых систем со сравнением аналоговых величин имеют цепь обратной связи, в которую включен цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразующий параллельный код в постоянное напряжение, которое сравнивается с входным напряжением АЦП. Функциональная схема такого преобразователя представлена на рисунке 5.

    Рисунок 5 - Функциональная схема АЦП

    2.1 Алгоритм аналого-цифрового преобразования

    Для быстрого и точного  преобразования работа микроконтроллера основывается на следующем алгоритме: старший бит порта вывода, к которому подключен ЦАП, установлен, приводя к максимальному напряжению на выходе ЦАП и, следовательно, на входе компаратора. Вывод компаратора проверяется. Если уровень сигнала на нем высокий, то аналоговое напряжение слишком большое (свыше максимального уровня сигнала на выходе ЦАП). В цикле преобразования последовательно устанавливаются все биты порта. Устанавливая следующий бит, вновь проверяется уровень выхода компаратора. Если он низкий, то данный бит сбрасывается. Процесс продолжается, пока все биты порта не проверены. При этом выполнение данных операций должно происходить внутри единого программного цикла, который обеспечивает непрерывность работы микроконтроллера. Результирующее значение в порте - цифровое представление аналогового ввода. С тактовой частотой 8 МГЦ, время цикла составляет приблизительно 110 нс. При такой скорости преобразования возможно проектирование устройств с большей разрешающей способностью (10 и 12 битов).

    Алгоритм  работы всего устройства (опрос компаратора, подача стробирующего импульса на УВХ, обработка двоичного кода и т.д.) задается микроконтроллером.

    Блок-схема  алгоритма работы программы микроконтроллера приведена в приложении В. 

    2.2 Описание работы программы

    Основное  тело программы начинается с описания переменных и инициализации аналогового компаратора и настройки порта D на вывод. Для инициализации аналогового компаратора в бит 7 – ACD регистра статуса и управления аналогового компаратора записывается 0, что соответствует разрешению аналогового компаратора. В регистр направления данных порта D – DDRD – записываются FF₁₆ или 11111111₂, что соответствует настройке порта на вывод.

    Преобразование  одного байта начинается с присваивания начальных значений переменным: обнуляется счетчик бит, переменной – указателю  текущего бита N присваивается число 80₁₆, что соответствует установке старшего бита в 1 (10000000₂), обнуляется переменная D – переменная цифрового эквивалента.

    Далее начинается преобразование первого  бита. Промежуточной переменной A присваивается значение указателя текущего бита N, и происходит взвешивание текущего бита, т.е. логическая операция (A ИЛИ D), с дальнейшим присвоением получившегося числа переменной A.

    Затем значение промежуточной переменной A выводится на внешний ЦАП через порт D. Если , то бит ACO регистра статуса и управления аналогового компаратора ACSR устанавливается в 1, и переменной цифрового эквивалента D присваивается значение промежуточной переменной A, иначе A остается прежней.

    После этого переменная – указатель  текущего бита N сдвигается вправо на 1 бит, счетчик бит увеличивается на 1, и начинается преобразование следующего бита. После того, как произойдет переполнение счетчика бит, программа перейдет к преобразованию следующего байта и т.д.

    3 Обоснование выбора  МК схем сопряжения с внешними устройствами

    3.1 Обоснование выбора  микроконтроллера

    3.1.1 Микроконтроллеры семейства MCS51 фирмы Intel

    Первые  микроконтроллеры семейства MCS51 были выпущены на рынок фирмой Intel более 20 лет назад. Архитектура оказалась настолько  удачной, что за два десятилетия  развития она не претерпела каких-либо значительных изменений. По номенклатуре кристаллов семейство MCS51 не имеет себе равных среди 8-разрядных встраиваемых микропроцессоров.

    Классический  микроконтроллер семейства MCS51 имеет  следующие данные:

• целочисленный 8-разрядный CISC-процессор;
• тактовая частота до 24 МГц;
• командный цикл 12 тактов;
• раздельные адресные пространства программ и данных;
• встроенная память программ объёмом 4 кб;
• встроенное ОЗУ данных объёмом 128 б;
• 40 выводов, 32 линии ввода-вывода;
• два 8/16-разрядных таймера;
• последовательный порт RS-232;
• возможность подключения внешней памяти программ и данных, до 64 кб каждая;
• режим пониженного энергопотребления.

    Процессор содержит 4 переключаемых банка, состоящих  из 8 регистров общего назначения R0…R7, а также оперативные регистры A и B. Кроме этих регистров существует указатель стека SP, регистр флагов PSW и 16-разрядный регистр DPTR, служащий для адресации внешней памяти. 

    Микроконтроллер имеет четыре 8-разрядных параллельных порта, пронумерованные цифрами  от 0 до 3. В случае подключения внешней  памяти порты 0 и 2 работают как внешняя  шина