18800

АЦП / ЦАП. Основные архитектуры, интерфейсы связи

Доклад

Информатика, кибернетика и программирование

АЦП / ЦАП. Основные архитектуры интерфейсы связи. ЦАП предназначен для преобразования числа представленного как правило в виде двоичного кода в напряжение или ток пропорциональные этому числу. Схемотехника аналоговых преобразователей весьма разнообразна. На рисунк...

Русский

2013-07-08

270.15 KB

35 чел.

АЦП / ЦАП. Основные архитектуры, интерфейсы связи.

ЦАП предназначен для преобразования числа, представленного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные этому числу. Схемотехника аналоговых преобразователей весьма разнообразна. На рисунке  представлена общая классификация ЦАП по способам преобразования входного кода и схемам формирования выходного сигнала.

Дальнейшую классификацию ИМС ЦАП можно привести по ряду специфических признаков, например:

1. По роду выходного сигнала: преобразователи с токовым входом или с выходом по напряжению.

2. По типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом или с параллельным вводом.

3. По числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные.

4. По быстродействию: низкого, среднего и высокого быстродействия.

5. По разрядности.

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи тех разрядов, значения которых равны 1.

Интерфейсы связи.

Важную часть ЦАП составляет цифровой интерфейс, т.е. схемы, обеспечивающие связь управляющих входов ключей с источниками цифровых сигналов. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения ЦАП к источнику входного кода, например, микропроцессору или микроконтроллеру. Свойства цифрового интерфейса непосредственно влияют и на форму сигнала на выходе ЦАП. Так, в случае параллельного интерфейса неодновременность поступления битов входного слова на управляющие входы ключей преобразователя приводят к появлению узких выбросов, «иголок», в выходном сигнале при смене кода.

ЦАП с последовательным интерфейсом

Такой преобразователь помимо собственно ЦАП содержит на кристалле дополнительно последовательный регистр загрузки, параллельный регистр хранения (буферный регистр) и управляющую логику (см.рисунок 11.21).

При активном уровне сигнала CS (в данном случае нулевом) входное слово длины N (равной разрядности ЦАП) загружается по линии D1 в регистр сдвига под управлением тактовой последовательности CLK. После окончания загрузки, выставив активный уровень на линию LD, входное слово записывают в регистр хранения, выходы которого непосредственно управляют ключами ЦАП. Для того чтобы иметь возможность передавать по одной линии данных входные коды в несколько ЦАП, последний разряд регистра сдвига соединяют с выходом D0 ИМС. Этот вывод подключается к входу D1 следующего ЦАП и т.д. Коды входных слов передаются начиная с кода самого последнего преобразователя в этой цепочке.

ЦАП с параллельным интерфейсом

Наиболее часто используется два варианта. В первом случае, когда разрядность входного кода совпадает с разрядностью ЦАП, на его входы подается все входное слово целиком.

Интерфейс такого ЦАП включает два регистра хранения и систему управления. Два регистра хранения нужны, если пересылка входного кода в ЦАП и установка выходного аналогового сигнала, соответствующая этому коду, должны быть разделены во времени.

Для подключения многоразрядных ЦАП к 8разрядным МП и МК используется второй вариант параллельного интерфейса. Он предусматривает наличие двух параллельных загрузочных регистров для приема младшего байта входного слова МБ и старшего байта – СБ. Пересылка байтов входного слова в загрузочные регистры может происходить в любой последовательности.

Архитектура АЦП

АЦП – устройства, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые коды, пригодные для обработки МП и другими цифровыми устройствами.

Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в редких случаях изза сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в аналоговые электрические сигналы в виде тока или напряжения с амплитудой, пропорциональной измеряемой величине, а затем с помощью АЦП их переводят в цифровую форму.

Классификация АЦП по методам преобразования.

В основу классификации АЦП положен признак, указывающий на то, как во времени разворачивается процесс преобразования аналоговой величины в цифровую. В основе преобразования выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции квантования и кодирования. Они могут осуществляться с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательнопараллельной процедур приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине.

Последовательнопараллельные АЦП

Последовательнопараллельные АЦП являются компромиссом между стремлением получить высокое быстродействие и желанием сделать это по возможности меньшей ценой. Последовательнопараллельные АЦП занимают промежуточное положение по разрешающей способности и быстродействию между параллельными АЦП и АЦП последовательного приближения. Последовательнопараллельные АЦП подразделяют на многоступенчатые, конвейерные и многотактные.

АЦП последовательного приближения

Преобразователь последовательного приближения, называемый в литературе также АЦП с поразрядным уравновешиванием, в настоящее время 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 ее полной шкалы. Это позволяет для Nразрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования из N последовательных шагов (итераций) вместо 2N-1 при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии.

Интегрирующие АЦП

Недостатком рассмотренных выше последовательных АЦП является низкая помехоустойчивость результатов преобразования. В интегрирующих АЦП во многих случаях получается подавить помеху еще на этапе преобразования. Платой за это является пониженное быстродействие интегрирующий АЦП.

АЦП многотактного интегрирования были изобретены более 40 лет назад и сразу же сталиосновой для цифровых вольтметров высокой точности.

Преобразователи напряжение – частота

На базе преобразователей напряжение – частота (ПНЧ) могут быть построены интегрирующие АЦП, обеспечивающие относительно высокую точность преобразования при низкой стоимости. Существует несколько видов ПНЧ. Наибольшее применение нашли ПНЧ с заданной длительностью выходного импульса.

Интерфейс связи АЦП

Важную часть АЦП составляет цифровой интерфейс, т.е. схемы, обеспечивающие связь АЦП с приемниками цифровых сигналов и правила (протокол) обмена данными. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения АЦП к приемнику выходного кода, например, МП, МК или цифровому процессору сигналов. Свойство цифрового интерфейса непосредственно влияют на уровень верхней границы частоты преобразования АЦП.

Наиболее часто применяют способ связи АЦП с процессором, при котором АЦП является для процессора как бы одной из ячеек памяти. При этом АЦП имеет необходимое число адресных входов, дешифратор адреса и подключается непосредственно к адресной шине и шине данных процессора. Для этого он обязательно должен иметь выходные каскады с тремя состояниями.

Другое требование совместной работы АЦП с МК, называемое программным сопряжением, является общим для любых систем, в которые входят ЭВМ и АЦП. Имеется несколько способов программного сопряжения АЦП с процессорами.

Проверка сигнала состояния

Этот способ состоит в том, что команда начала преобразования «Пуск» периодически подается на АЦП от таймера. Процессор находится в цикле ожидания от АЦП сигнала окончания преобразования «Готов», после которого выходит из цикла, считывает данные с АЦП и в соответствии с ними поступает либо к следующему преобразованию, либо к выполнению основной программы, а затем вновь входит в цикл ожидания. Здесь АЦП выступает в роли ведущего устройства (master), а процессор – ведомого устройства (slave). Этот способ почти не требует дополнительной аппаратуры, но пригоден только в системах, где процессор не слишком загружен, т.е. длительность обработки данных от АЦП значительно меньше времени преобразования АЦП. Указанный способ позволяет максимально использовать производительность АЦП.

Простое прерывание

Выдав команду «Пуск», процессор продолжает работу на основной программе. Послеокончания преобразования формируется сигнал прерывания, который прерывает вычисления в процессоре и включает процедуру поиска периферийного прибора, пославшего сигнал прерывания. Эта процедура состоит в переборе всех периферийных устройств до тех пор, пока не будет найден нужный. Преимущество этого способа по сравнению с предыдущим проявляется в большем числе преобразований за одно и то же время, если используемый АЦП работает медленно.

АЦП с параллельным интерфейсом выходных данных

В простейших случаях, характерных для параллельных АЦП и преобразователей ранних моделей, интерфейс осуществляется с помощью Nразрядного регистра хранения, имеющего три состояния выхода. Здесь Nразрядность АЦП.

На нарастающем фронте сигнала «Пуск» УВХ преобразователя переходит в режим хранения и инициализируется процесс преобразования. Когда преобразование завершено, на выходную линию «Готов» выводится импульс, что указывает на то, что в выходном регистре АЦП находится новый результат. Сигналы «CS» (выбор кристалла) и «RD» (чтение) управляют выводом данных для передачи приемнику.

АЦП с последовательным интерфейсом выходных данных

В АЦП последовательного приближения, оснащенных простейшей цифровой частью, таких, как 12разрядный МАХ176 или 14разрядный МАХ121, выходная величина может быть считана в виде последовательного кода прямо с компаратора или регистра последовательного приближения (РПП).

Здесь приведена схема, реализующая SPIинтерфейс. Процессор является ведущим (master). Он инициирует начало процесса преобразования задним положительным фронтом (срезом) сигнала на входе «Пуск» АЦП. С тактового выхода процессора на синхровход АЦП поступает последовательность тактовых импульсов. Начиная со второго такта после пуска, на выходе данных

АЦП формирует последовательный код выходного слова старшими битами вперед. Этот сигнал поступает на MISO (master input, slave output) вход процессора.

Простейший интерфейс обеспечивает наименьшее время цикла «преобразование передача данных». Однако он обладает двумя существенными недостатками. Во первых, переключение выходных каскадов АЦП во время преобразования привносит импульсную помеху в аналоговую часть преобразователя, что вызывает ухудшение отношения сигнал/шум. Вовторых, если АЦП имеет большое время преобразования, то процессор будет занят приемом информации от него существенную часть вычислительного цикла.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

19048. Теория нестационарных возмущений. Примеры 838 KB
  Лекция 30 Теория нестационарных возмущений. Примеры Рассмотрим примеры применения теории нестационарных возмущений для простейших квантовых систем. Пусть на гармонический осциллятор находящийся в основном состоянии начиная с момента времени действует малое в...
19049. Адиабатические и внезапные возмущения. Переходы под действием внезапных возмущений 1.15 MB
  Лекция 31 Адиабатические и внезапные возмущения. Переходы под действием внезапных возмущений Исследуем общую формулу для вероятностей переходов на предмет зависимости вероятности перехода 1 от времени действия возмущения некоторые элементы такого анали
19050. Переходы под действием периодических возмущений. Резонансное приближение. Переходы в непрерывный спектр 1.21 MB
  Лекция 32 Переходы под действием периодических возмущений. Резонансное приближение. Переходы в непрерывный спектр Рассмотрим теперь случай возмущений зависящих от времени периодически. Пусть на частицу находящуюся в стационарном состоянии с энергией действует
19051. Системы тождественных частиц в квантовой механике. Бозоны и фермионы. Принцип за-прета Паули 266.5 KB
  Лекция 23 Системы тождественных частиц в квантовой механике. Бозоны и фермионы. Принцип запрета Паули Согласно постулатам квантовой механики волновая функция физической системы состоящей из нескольких частиц определяет вероятности различных положений всех части
19052. Системы тождественных частиц. Обменное взаимодействие. Симметрия координатных и спиновых функций 364 KB
  Лекция 34 Системы тождественных частиц. Обменное взаимодействие. Симметрия координатных и спиновых функций Докажем что в системе тождественных невзаимодействующих частиц существуют определенные корреляции в движении частиц то есть некоторое взаимодействие. Для
19053. Метод вторичного квантования. Операторы уничтожения и рождения. Коммутационные соотношения 542 KB
  Лекция 35 Метод вторичного квантования. Операторы уничтожения и рождения. Коммутационные соотношения При вычислении средних значений или вероятностей переходов квантовых систем состоящих из большого количества частиц приходится вычислять интегралы вида кванто
19054. Квантовое описание рассеяния. Амплитуда и сечение рассеяния. Оптическая теорема 274.5 KB
  Лекция 36 Квантовое описание рассеяния. Амплитуда и сечение рассеяния. Оптическая теорема Процессом рассеяния называется отклонение частиц от первоначального движения благодаря взаимодействию с рассевателем. Процесс рассеяния дает информацию о взаимодействии ра
19055. Борновское приближение. Условия применимости. Быстрые и медленные частицы 373 KB
  Лекция 37 Борновское приближение. Условия применимости. Быстрые и медленные частицы. Примеры Полученная в конце прошлой лекции формула для амплитуды рассеяния 1 не является решением задачи рассеяния поскольку в подынтегральное выражение в правой части 1 вх...
19056. Разложение волновой функции задачи рассеяния по сферическим функциям. S-матрица. Фазовая теория рассеяния 324 KB
  Лекция 38 Разложение волновой функции задачи рассеяния по сферическим функциям. Sматрица. Фазовая теория рассеяния Наряду с теорией рассеяния изложенной в предыдущей лекции часто используется другой вариант теории именуемый фазовой теорией рассеяния. Основная и