Периферийные устройства в микропроцессорных устройствах

Периферийные устройства предназначены для преобразования формы представления информации в процессе передачи данных от микропроцессора к внешним устройствам.

Типовые примеры — устройства преобразования сигналов (аналого-цифровые и цифро-аналоговые частотные преобразователи), устройства человеко-машинного интерфейса (клавиатура, дисплей), устройства связи с другими системами. Принцип работы АЦП состоит в измерении уровня входного сигнала и выдаче результата в цифровой форме. В результате работы АЦП непрерывный аналоговый сигнал превращается в импульсный, с одновременным измерением амплитуды каждого импульса, т.е. АЦП-это электронная схема, которая измеряет сигнал реального мира и преобразовывает его цифровую форму. Точность АЦП зависит от нескольких ключевых условий и для правильной работы АЦП входной сигнал не должен изменяться в течение времени преобразования, для чего на его входе обычно помещается схема выборки-хранения, фиксирующая мгновенный уровень сигнала и сохраняющая его в течение всего времени преобразования. На выходе ЦАП также может устанавливаться подобная схема, подавляющая влияние переходных процессов внутри ЦАП на параметры выходного сигнала.

Основные типы АЦП:1) параллельные— входной сигнал одновременно сравнивается с эталонными уровнями набором схем сравнения (компараторов), которые формируют на выходе двоичное значение. В таком АЦП количество компараторов равно (2 в степени N) — 1, где N — разрядность цифрового кода (для восьмиразрядного — 255), что не позволяет наращивать разрядность свыше 10-12.

3)последовательного приближения— преобразователь при помощи вспомогательного ЦАП генерирует эталонный сигнал, сравниваемый со входным. Эталонный сигнал последовательно изменяется по принципу половинного деления (дихотомии), который используется во многих методах сходящегося поиска прикладной математики. Это позволяет завершить преобразование за количество тактов, равное разрядности слова, независимо от величины входного сигнала. 3) с измерением временных интервалов— широкая группа АЦП, использующая для измерения входного сигнала различные принципы преобразования уровней в пропорциональные временные интервалы, длительность которых измеряется при помощи тактового генератора высокой частоты. 4) последовательного счета, или однократного интегрирования (single-slope) — в каждом такте преобразования запускается генератор линейно возрастающего напряжения, которое сравнивается со входным. Обычно такое напряжение получают на вспомогательном ЦАП, подобно АЦП последовательного приближения.

5) двойного интегрирования (dual-slope) — в каждом такте преобразования входной сигнал заряжает конденсатор, который затем разряжается на источник опорного напряжения с измерением длительности разряда.

6)следящие — вариант АЦП последовательного счета, при котором генератор эталонного напряжения не перезапускается в каждом такте, а изменяет его от предыдущего значения до текущего. Наиболее популярным вариантом следящего АЦП является Sigma-Delta, работающий на частоте, значительно (в 64 и более раз) превышающей частоту дискретизации выходного цифрового сигнала. Компаратор такого АЦП выдает значения пониженной разрядности (обычно однобитовые —0/1), сумма которых на интервале дискретизации пропорциональна величине отсчета

Параметры АЦП. При последовательном возрастании значений входного аналогового сигнала Uвх(t) от 0 до величины, соответствующей полной шкале АЦП Uпш выходной цифровой сигнал D(t) образует ступенчатую кусочно-постоянную линию. Такую зависимость по аналогии с ЦАП называют обычно характеристикой преобразования АЦП. В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой 1 (рис),которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Для количественной оценки отличий реальной характеристики от идеальной используются следующие параметры:

Статические параметры

- Разрешающая способность— величина, обратная максимальному

числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающая способность выражается в процентах, разрядах или децибелах. Например, 12-разрядный АЦП имеет разрешающую способность 1/4096, или 0,0245% от полной шкалы, или -72,2 дБ. Разрешающей способности соответствует шаг квантования, номинальное значение шага квантования h=Uпш/(2N-1), где Uпш номинальное максимальное входное напряжение АЦП (опорное напряжение), соответствующее максимальному значению выходного кода, N — разрядность АЦП.

- Погрешность полной шкалы—относительная разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля.

- Погрешность смещения нуля— значение выходного кода, когда входной сигнал АЦП равен нулю. Является аддитивной составляющей полной погрешности.

- Нелинейность— максимальное отклонение реальной характеристики преобразования D(Uвх) от оптимальной(линия 2 на рис. 24). Оптимальная характеристика находится эмпирически так, чтобы минимизировать значение погрешности нелинейности.

- Монотонность характеристики преобразования — это неизменность знака приращения выходного кода D при монотонном изменении

входного преобразуемого сигнала.

- Температурная нестабильностьАЦ преобразователя характеризуется температурными коэффициентами погрешностиполной шкалы и погрешности смещения нуля.

Динамические параметры

Возникновение динамических погрешностей связано с дискретизацией сигналов, изменяющихся во времени.

- Максимальная частота дискретизации (преобразования)— это наибольшая частота, с которой происходит образование выборочных значений сигнала, при которой выбранный параметр АЦП не выходит за заданные пределы. Измеряется числом выборок в секунду. Выбранным параметром может быть, например, монотонность характеристики преобразования или погрешность линейности.

- Время преобразования (t_пр)— это время, отсчитываемое от начала импульса дискретизации или начала преобразования до появления на выходе устойчивого кода, соответствующего данной выборке.

-Время выборки (стробирования) — время, в течение которого происходит образование одного выборочного значения. При работе без УВХ равно времени преобразования АЦП.

 

14) Цифро-аналоговые преобразователи. Основные типы ЦАП. Параметры ЦАП. Статическая характеристика преобразования ЦАП (в виде графика). Интерфейс данных ЦАП. Опорное напряжение.

Чтобы управлять клапаном гидроусилителя, катушкой громкоговорителя или аналогичными изделиями от цифрового вычислителя используют цифро-аналоговые преобразователи.

При выборе ЦАП необходимо определить разрядность прибора N, где 2n — эквивалентно максимальному значению аналогового выходного сигнала. Наименьшее значение аналогового сигнала соответствует одной дискрете и получается при подаче на вход ЦАП,а логической единицы только первого младшего значащего разряда (МЗР или LSB).

Основные типы ЦАП: 1. взвешивающие— с суммированием взвешенных токов или напряжений, когда каждый разряд входного слова вносит соответствующий своему двоичному весу вклад в общую величину получаемого аналогового сигнала; такие ЦАП называют также параллельными или многоразрядными (multibit). 2. Sigma-Delta, по принципу действия обратные АЦП этого же типа. Входной цифровой сигнал подвергается значительной (64x и более) передискретизации и подается на модулятор, формирующий малоразрядные (обычно однобитовые) значения. Полученные в результате малоразрядные отсчеты управляют схемой выдачи эталонных зарядов, которые со столь же высокой частотой добавляются к выходному сигналу. 3. выдающихе истинно одноразрядный поток, называют bitstream(поток битов) илиPDM(PulseDensityModulation— модуляция плотностью импульсов). 4. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, Pulse Width Modulation, PWM),когда на схему выборки-хранения аналогового сигнала выдаются импульсы постоянной амплитуды и переменной длительности, управляя дозированием выдаваемого на выход заряда.

Параметры ЦАП. При последовательном возрастании значений входного цифрового сигнала D(t) от 0 до 2N-1 через единицу младшего разряда (ЕМР) выходной сигнал Uвых(t) образует ступенчатую кривую. Такую зависимость называют обычно характеристикой преобразования ЦАП. В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой 1 рис., которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Реальная характеристика преобразования может существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек, а также расположением на плоскости координат. Большинство параметров аналогично рассмотренным выше параметрам для АЦП, ниже рассмотрены специфические:

Динамические параметры ЦАП определяются по изменению выходного сигнала при скачкообразном изменении входного кода, обычно от величины "все нули" до "все единицы" рис. 2.

 

Время установления — интервал времени от момента изменения входного кода (на рис. 3 t=0) до момента, когда в последний раз выполня-ется равенство | U вых- U пш|= d /2,

Скорость нарастания — максимальная скорость изменения Uвых(t) во время переходного процесса. Определяется как отношение приращения Uвых ко времени, за которое произошло это приращение. Обычно указывается в технических характеристиках ЦАП с выходным сигналом ввиде напряжения. У ЦАП с токовым выходом этот параметр в большой степени зависит от типа выходного ОУ.Для перемножающих ЦАП с выходом в виде напряжения часто указываются частота единичного усиления и мощностная полоса пропускания, которые в основном определяются свойствами выходного усилителя.

Интерфейс данных. Раньше данные в ЦАП поступали в параллельном коде. Преимущество здесь ясно видно — быстрая передача данных и простой протокол связи. Но минимизация радиоаппаратуры требует уменьшения размеров корпуса микросхемы. Это достигается за счет передачи последовательного кода данных. Протокол последовательного периферийного интерфейса (SPI) и микросхемы, с ним связанные, сегодня имеют уже большую долю рынка ЦАП и поэтому многие из них работают с двухпроводным I2С-совместимым интерфейсом. Часто требуется гальваническая развязка линии данных. Наиболее просто это осуществляется с помощью оптронных приборов при последовательном интерфейсе. Так, новые 12ти-разрядные ЦАПы типа MAX5539 и MAX5543 имеют встроенную развязку, что позволяет получить аналоговый выход не связанный гальванически с входом.

Опорное напряжение (Von) Характеристики ЦАП в большей степени определяются источником опорного напряжения, который может быть встроен в корпус преобразователя или применяться как внешний элемент. Если на выходе аналоговый сигнал не усиливается, то максимальный входной код соответствует Von. Опорное напряжение также определяет напряжение шага, то есть изменение выхода в ответ на 1 переход младшего значащего разряда на входе. Один шаг равен Von/2n, где N — разрядность ЦАПа. Если при постоянной температуре опорное напряжение определяется своей начальной точностью, то при изменении температуры дрейф Von имеет непосредственное влияние на качество ЦАПа. При подключении внешнего источника опорного напряжения (ИОН) нужно учитывать не только ток и напряжение, которые требуются ЦАП, но и те динамические эффекты, которые происходят во внутренней структуре преобразователя. Изменение входного кода вызывает изменение сопротивления нагрузки ИОН. Поэтому надо выбирать такой источник опорного напряжения, который мог бы поддерживать выходной ток и напряжение при каждом шаге изменения нагрузки в пределах требуемого времени преобразования ЦАП. Часто для этих целей используют конденсатор или буферный операционный усилитель.

 

15) Системный расчет АЦП: краткие сведения о6 АЦП, исходные предпосылки для расчета (выбора). АЦП (округление (квантование), виды погрешностей, среднеквадратичная погрешность (СКП) квантования по уровню, СКП квантования по времени, многоканальный режим АЦП), предварительный расчет АЦП. порядок предварительного расчета АЦП.

Принцип работы АЦП состоит в измерении уровня входного сигнала и выдаче результата в цифровой форме. Основные типы АЦП: параллельные, последовательного приближения, с измерением временных интервалов, последовательного счета, или однократного интегрирования, двойного интегрирования, следящие.

Статические параметры: Разрешающая способность, Погрешность полной шкалы, Погрешность смещения нуля, Нелинейность, Монотонность характеристики преобразования, Температурная нестабильность.

Динамические параметры: Максимальная частота дискретизации, Время преобразования (t_пр), Время выборки (стробирования).

Дискретный сигнал фиксируется на небольшом конечном интервале времени, а его амплитуда может принимать определенное конечное число значений. Поэтому переход от непрерывного сигнала к дискретному приводит к его округлению. Что приводит к ошибкам двух видов:

1) От квантования по уровню

2) От квантования во времени

Квантование по уровню- замена точного значения величины сигнала приближенным дискретным значением, при котором 2 ближайших разреш. дискретных значения различаются на элемент. величину.

Квантование во времени-замена непрерывного во времени сигнала дискретным сигналом поступающим в определенный момент времени.

Виды погрешностей:

1,2 ↑

3. инструментальная (случайная) погрешность, которая появляется из-за шумов и помех, как во входном сигнале, так и в узлах АЦП из-за технологических отклонений, возникающих при изготовлении и эксплуатации АЦП. Точность изготовлений из цифровых элементов не влияет на точность преобразований

Т.о. основное влияние оказывает наличие случайной погрешности во входном сигнале. U_вх=U_п+Е. Для повышения точности, надежности и доступности получения информации по входным каналам существует несколько способов: гальваническая развязка, аналоговая фильтрация, цифровая фильтрация, скрутка двух проводных линий связи и т.д.
Поэтому можно сказать, что входной сигнал из-за несоответствия входной величины с выходным кодом по-разному накладывают на сетку разрешенных уровней квантования в разные моменты времени.

Поэтому, зная выходной код, можно говорить только о вероятности того или иного значения входной величины в пределах данного кванта.

СКП. Квантование по уровню.

Шаг квантования: ; N-число разреш.уровней квантования.(зависит от разрядностиАЦП) P-диапазон изменения входного сигнала. . R-количество разрядов.

Если D неизвестно, то оно рассч-ся через СКП по уровню(). Абсолютная ошибка квантования по уровню изменяется в пределах от -0,5D до +0,5D. И с равной вероятностью может принимать любое значение в этом диапазоне. След-но для ошибки в точке расчета можно принять равномерный закон распределения для которого дисперсия ошибки квантования по уровню:

Округление D производится в меньшую сторону.

СКП по времени. Зависит от 2 факторов: 1) от инерционности АЦП; 2) от скорости изменения входного сигнала в проц. преобразования. 1 фактор менее существен.по сравнению со 2. Поэтому частотные св-ва являются основным фактором при выборе АЦП. При расчете частоты квантования по времени могут использоваться 2 подхода: 1. По теореме Кательникова.2. замена преобразования величины некотор. аппроксимирующей зависимостью. 1 способ исп-ся при построении системной передачи информации. Применение: для выбора необход частоты квантования с неогранич.спектором на конечном временном интервале приводит к высоким требованиям к частоте f. 2 подход менее точен, но более простой. При использовании кусочно-линейной аппроксимации. , где погрешности аппроксимации и -вторая производная по времени от второго сигнала. Недостаток: сложность определения и завышенные значения погрешности интерполяции. 3 подход геометрический. В этом случае допускается, что за время преобразования вх.величина не должна измен-ся > чем на квант. . Исп-ся ри грубых прикидочн. Работах и не учитывается статич.хар-ки сигналов. 4 подход: учитывается набор параметров, информирующих об объекте: диапазон изменения вх.сигнала Р и верхн частота в спектре сигнала ; w=2π , при этом форма спектра м.б. неизвестной. В информ. измерит и управл системах сигналы рассматрив.как стационарн. Случ.процессы с двумя видами распределения: равномерно или прямоугольно и нормально. Для случайного сигнала с равномерн. законом распределения в диапазоне Р. . Для сигнала со спектром, имеющ. нормальное распределение . 5 подход: при использовании не мгновенных, а усредненных значений входного сигнала можно использовать формулу, не учитывающую диапазон изменения входного сигнала Эта формула предъявл.менее жесткие требования к частоте квантования. .

Использование АЦП в многоканальном режиме работы ужесточает требование к частоте квантования в К раз, где К-кол-во входных каналов, обслуж.одним АЦП. В этом случае Т уменьш. в раз и расчет необходимо вести по входному каналу самом быстроизмен сигнале.

Предварительный расчет АЦП. Суть методики состоит в вычислении СКП всех составляющих, оказывающих значительное влияние на СКП МСУ. В связи с этим задаются ограничения на каждую из всех составляющих по отношению к СКП входных каналов. Далее вычисляются параметры АЦП по допустимым расчетным составляющим СКП преобразования с последующим выбором серийного АЦП. Предварительный расчет учитывает требование к АЦП. АЦП не должен носить значительные погрешности измерения. . -коэф.приведения к . -погрешность входного канала. Полное СКП преобразование входного канала: = . 0<K<1. Чаще всего , при этом значение не будет вносить существенную погрешность. . Ошибку квантования по уровню можно снизить повысив частоту квантования . Т.о. рассчитав значение СКП и зная параметры входного сигнала на основании выше приведенных формул, можно осуществить выбор серийного АЦП с точки зрения влияния его погрешности на погрешности всей системы в целом. Значение разрядности АЦП при расчете округляется в большую сторону. Если же серийного АЦП с такими характеристиками нет, то необходимо сформулировать новое ИТЗ.