Схемотехника ацп. Ацп последовательного счета. Стандартные интерфейсы связи

Схемотехника АЦП

 

Рассмотрим две схемы применения встроенного АЦП на примере известного нам уже датчика давления и МК ATmega128 фирмы Atmel. Первая очевидная, но неправильная, вторая приемлемая.

 

У АЦП этого МК есть следующие выводы – выводы т.н. аналогового питания – питание, которое подается непосредственно на АЦП. Вывод внешнего опорного напряжения – сюда подается напряжение в масштабе, которого будет производиться преобразование. Как правило, у МК существует внутренний источник опорного напряжения.

 

Первой важной вещью при работе с АЦП является обеспечение низкошумящего питания для блока АЦП. Кроме этого для источника опорного напряжения необходима также его стабильность (отсутствие дрейфа) в пределах значения младшей единицы АЦП.

 

Крайне нежелательно, а вообще говоря, противопоказано использовать в качестве ИП АЦП тот же источник, что и для питания цифровой части МК.

 

Для рассматриваемой нами схемы мы имеем следующее – напряжение питания и выходной сигнал датчика таковы, что в качестве опорного нам следует использовать напряжение питания AVCC.

 

Мы помним, что у датчика давления выход пропорционален напряжению питания. Следовательно, все дрейфы и шумы ИП будут переданы на выход датчика и попадут на вход АЦП. С другой стороны, поскольку в качестве опорного напряжения у нас используется напряжение питания, соответственно все шумы и дрейфы этого источника попадут, также в АЦП и в итоге помимо полезного сигнала мы получим полезный сигнал + суперпозиция шумов источников. Избежать этого можно очень просто – использовать для всей аналоговой части схемы общий источник ИП, тогда указанные дрейфы будут скомпенсированы.

 

Для того, чтобы заглушить ВЧ наводки по цепям питания, следует около каждого компонента около его выводов питания ставить т.н. развязывающие конденсаторы – керамические ВЧ конденсаторы малой емкости 0.01-0.1 мкФ.

 

Заканчивая разговор об ИП, отметим последнюю вещь. Как правило, при изготовлении ПП свободное от проводников площадь заливается земляным полигоном. Крайне важно, чтобы земляной полигон аналоговой земли и цифровой были соединены только в одной точке на общем источнике питания и желательно через небольшое (единицы Ом) сопротивление. В общем, топология должна быть такой, как будто вы присоединяете аналоговую схему двумя проводами к ИП – это должно быть ясно видно.

 

Последнее. Выше мы указали на то, что когда нарушается теорема Котельникова можно получить очень неприятные эффекты и результаты.

Для того, не нарушать теорему, на входе АЦП ставят простой RC-фильтр, который давит частоты, выше частоты Котельникова. Расчет параметров этого фильтра производится следующим образом:

 

В нашем случае мы имеем самую простую схему использования АЦП. Современные производители стремятся делать продукцию, сводимую к ней, но в реальности из-за необходимости согласования сигналов схемотехника будет гораздо более сложной – необходимы масштабирующие стабильные усилители-фильтры и прочая мутота, которая выходит за рамки курса. Как правило, все параметры, типовые схемы и номиналы элементов указываются в документации на компоненты (datasheet) и в т.н. указаниях к применению (application notes). Эти документы всегда доступны у производителя.

 

АЦП последовательного счета

 

Этот преобразователь является типичным примером последовательных АЦП с единичными приближениями и состоит из компаратора, счетчика и ЦАП (рис. 8). На один вход компаратора поступает входной сигнал, а на другой - сигнал обратной связи с ЦАП.

 

 

 

 

Работа преобразователя начинается с прихода импульса запуска, который включает счетчик, суммирующий число импульсов, поступающих от генератора тактовых импульсов ГТИ. Выходной код счетчика подается на ЦАП, осуществляющий его преобразование в напряжение обратной связи U_ос. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи сравняется с входным напряжением и переключится компаратор, который своим выходным сигналом прекратит поступление тактовых импульсов на счетчик. Переход выхода компаратора из 1 в 0 означает завершение процесса преобразования. Выходной код, пропорциональный входному напряжению в момент окончания преобразования, считывается с выхода счетчика.

 

Время преобразования АЦП этого типа является переменным и определяется входным напряжением. Его максимальное значение соответствует максимальному входному напряжению и при разрядности двоичного счетчика N и частоте тактовых импульсов f_такт равно

 

t_{пр.макс}=(2N-1)/ f_такт

 

Например, при N=10 и f_такт=1 МГц t_{пр.макс}=1024 мкс, что обеспечивает максимальную частоту выборок порядка 1 кГц.

 

Статическая погрешность преобразования определяется суммарной статической погрешностью используемых ЦАП и компаратора. Частоту счетных импульсов необходимо выбирать с учетом завершения переходных процессов в них.

 

При работе без устройства выборки-хранения апертурное время совпадает с временем преобразования. Как следствие, результат преобразования чрезвычайно сильно зависит от пульсаций входного напряжения. При наличии высокочастотных пульсаций среднее значение выходного кода нелинейно зависит от среднего значения входного напряжения. Это означает, что АЦП данного типа без устройства выборки-хранения пригодны для работы с постоянными или медленно изменяющимися напряжениями, которые за время преобразования изменяются не более, чем на значение кванта преобразования.

 

Таким образом, особенностью АЦП последовательного счета является небольшая частота дискретизации, достигающая нескольких килогерц. Достоинством АЦП данного класса является сравнительная простота построения, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразования.

 

АЦП последовательного приближения

 

Преобразователь этого типа, называемый в литературе 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 значения ее. Это позволяет для N-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций) вместо 2N-1 при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии. Так, уже при N=10 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 (например, DSP101 фирмы Burr-Brown).

 

 

Рассмотрим принципы построения и работы АЦП последовательного приближения на примере классической структуры (рис. 9а) 4-разрядного преобразователя, состоящего из трех основных узлов: компаратора, 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 10002=810). Благодаря этому напряжение Uос на выходе ЦАП (рис. 9б)

 

Uос=23h.

 

где h - 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 этом последнем случае схема управления должна переключить старший разряд d3 обратно в состояние нуля. Непосредственно вслед за этим остаток

 

U_вх - d3 23 h

 

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 U_вх с точностью до 1 ЕМР. Выходное число может быть считано с РПП в виде параллельного двоичного кода по N линиям. Кроме того, в процессе преобразования на выходе компаратора, как это видно из рис. 9б, формируется выходное число в виде последовательного кода старшими разрядами вперед.

 

Быстродействие АЦП данного типа определяется суммой времени установления tуст ЦАП до установившегося значения с погрешностью, не превышающей 0,5 ЕМР, времени переключения компаратора t_к и задержки распространения сигнала в регистре последовательного приближения t_з. Сумма t_к + t_з является величиной постоянной, а t_уст уменьшается с уменьшением веса разряда. Следовательно для определения младших разрядов может быть использована более высокая тактовая частота. При поразрядной вариации f_такт возможно уменьшение времени преобразования t_пр 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 (например, 12-разрядный МАХ191, 16-разрядный AD7882 и др.), 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.

Расширение разрядности. Метод передискретизации

 

Суть метода – разменять скорость на разрешение.

 

Допустим, мы хотим увеличить разрядность АЦП на n-бит.

 

Чтобы метод сработал, сигнал должен изменяться незначительно в процессе преобразования и содержать некоторый шум амплитудой 1-2 LSB.

 

Этот шум заставит дрожать выходной код АЦП. Можно показать, что скважность дребезга прямо пропорциональна разности входного напряжения и ближайшего дискретного напряжения.

 

Для того, чтобы вытащить из этого дребезга сигнал с большим разрешением, необходимо накопить некоторое количество измерений – по 4 измерения на каждый дополнительный бит, то есть 4^n.

 

Накопленную сумму надо сдвинуть на n вправо (разделить на 2^n)

 

При этом частота дискретизации должна удовлетворять условию:

Использование цап (сдвигаемое окно)

 

Интерфейсы связи

 

Интерфейс — совокупность средств и методов взаимодействия между элементами системы.

 

Протоколы передачи данных— это набор соглашений, который определяет обмен данными между различными программами. Протоколы задают способы передачи сообщений и обработки ошибок в сети, а также позволяют разрабатывать стандарты, не привязанные к конкретной аппаратной платформе.

 

Сетевой протокол — набор правил, позволяющий осуществлять соединение и обмен данными между двумя и более включёнными в сеть устройствами.

 

Разные протоколы зачастую описывают лишь разные стороны одного типа связи; взятые вместе, они образуют стек протоколов. Названия «протокол» и «стек протоколов» также указывают на программное обеспечение, которым реализуется протокол.

 

Интерфейс подразумевает стек протоколов.

 

Сетевые протоколы предписывают правила работы компьютерам, которые подключены к сети. Они строятся по многоуровневому принципу. Протокол некоторого уровня определяет одно из технических правил связи. В настоящее время для сетевых протоколов используется модель OSI (Open System Interconnection — Взаимодействие Открытых Систем, ВОС).

 

Модель OSI — это семиуровневая логическая модель работы сети. Модель OSI реализуется группой протоколов и правил связи, организованных в несколько уровней.

На физическом уровне определяются физические (механические, электрические, оптические) характеристики линий связи.

На канальном уровне определяются правила использования физического уровня узлами сети.

Сетевой уровень отвечает за адресацию и доставку сообщений.

Транспортный уровень контролирует очередность прохождения компонентов сообщения, формирует собственно пакеты данных.

Задача сеансового уровня — координация связи между двумя прикладными программами, работающими на разных рабочих станциях.

Уровень представления служит для преобразования данных из внутреннего формата компьютера в формат передачи. Прикладной уровень является пограничным между прикладной программой и другими уровнями.

Прикладной уровень обеспечивает удобный интерфейс связи сетевых программ пользователя.

 

Физический уровень

USB, RS-232, RS-485, EIA-422(бывш RS-422), а также I2C (I2S), SPI (SSI), 1-Wire, iButton, DMX-512, Controller Area Network (CAN), Ethernet, которые так же входят и в канальный уровень.

 

Канальный уровень( описывает алфавит передаваемой ннформации)

Token ring, FDDI, HDLC, GVRP, PPP, PPTP, L2TP, ATM, xDSL

 

Сетевой уровень

ICMP, IPv4, IPv6, IPX, ARP

 

Транспортный уровень

SPX, TCP, UDP (Unreliable/User Datagram Protocol), SCTP, RDP (Reliable Data Protocol), RUDP (Reliable User Datagram Protocol), RTCP

 

Сеансовый уровень

SSL

 

Уровень представления данных

ASN.1, XML-RPC, TDI, XDR, SNMP, FTP, Telnet, SMTP, NCP

 

Прикладной уровень

Binkp, DHCP (в модели OSI располагают на транспортном уровне), FTP, Finger, DNS, Gnutella, Gopher, HTTP, HTTPS, IMAP, IRC, XMPP, LDAP, NTP, NNTP, POP3, RDP (Remote Desktop Protocol), SSH, SMTP, Telnet, SNMP, SIP

 

При конструировании управляющих систем нижнего уровня основного внимания требует физический и канальный уровень.

 

Физический уровень включает в себя описание:

 

· физической природы сигнала – оптический (ИК, лазерная), радио, электрический (проводная).

· физической природы канала – «эфир», оптико-волоконный кабель, провода.

· физических параметров сигнала - тип сигнала (ток, напряжение, значения)

· количества и состава линий – количество линий, по которым передаются данные, синхроимпульсы, управляющие сигналы. По количеству линий данных различают последовательные, параллельные интерфейсы. При параллельной передаче данных все биты одного и более байтов передаются одновременно по разным проводам, при последовательной передаче биты одного байта передаются последовательно по одному проводу. В интерфейсе может применяться линия синхронизации – линии, по которой передаются синхроимпульсы в соответствии с фронтами, в которых происходит установка и считывание состояний линий данных. Среди линий служебных сигналов распространены сигналы запроса передачи, готовности к приему, линии выбора абонента и пр.

· линии связи – конструктивное исполнение, дальность связи, скорость передачи данных, описание разъемов и т.п.

· топологии сети – описание организации связей между многими абонентами, связанными с помощью заданного интерфейса.

· дуплексности – возможность одновременного приема и передачи данных. Если такая возможность есть, то интерфейс называется дуплексным.Если нет – полудуплексным.

· вид передаваемых данных – пакетный, потоковый.

 

Данные, которые передаются в канале связи, состоят из полезных (пользовательских) данных и служебных данных.

Служебные данные обычно состоят из адреса приемника, адреса передатчика, длины пользовательских данных, контрольной суммы и т.п.

 

Также передаваемые данные могут быть закодированы с избыточностью (для возможности коррекции ошибок).

 

Поэтому следует различать две скорости передачи данных:

· Физическая, канальная скорость - скорость, с которой данные передаются от передатчика к приемнику в физической среде.

· Пользовательская скорость данных – скорость, с которой передаются пользовательские (полезные) данные.

 

 

Топологии сетей

Точка-точка(рис. 1) – абоненты связаны в последовательную цепь. У каждого абонента есть два двунаправленных коммуникационных порта, с помощью которых он связан с соседними. Передача данных идет последовательно через соседних абонентов, т.е. для передачи данных от 1 к 3, 1 передает данные 2, 3 передает их 3.

Достоинства – легко наращивать количество абонентов, при выходе из строя одного абонента возможно сохранение работоспособности оставшихся частей сети.

Недостатки – скорость передачи данных зависит от количества абонентов, требуется двухпортовые устройства.

Кольцо(рис. 2) – вариант топологии точка-точка, реализованный на устройствах с одним коммуникационным портом, каналы приема и передачи которого подключаются к разным абонентам.

Недостатки – выход из строя любого абонента выводит из строя всю сеть, скорость передачи данных зависит от количества абонентов.

 

Звезда(рис. 3) – вариант топологии точка-точка в которой все однопортовые абоненты подключены к одному многопортовому, который осуществляет ретрансляцию данных между общающимися абонентами. При этом абонент 2 обычно является специализированным устройством, занимающимся только этим – коммутатор.

Достоинства – повреждение любого абонента (кроме коммутатора) не приводит к выходу из строя сети, скорость обмена между двумя абонентами не зависит от количества абонентов в сети (ограничивается возможностями коммутатор)

Недостатки – очень протяженная кабельная сеть, выход из строя коммутатора выводит из строя всю сеть, количество абонентов ограничено возможностями коммутатора.

Шина(рис. 4) – все абоненты подключены параллельно к общим линиям передачи данных.

Достоинства – легко наращивать количество абонентов, малое количество проводов, при разрушении линий связи потенциально сохраняется работоспособность оставшихся кусков, выход из строя абонента не выводит из строя всю сеть.

Недостатки – сложная организация доступа к среде передачи, необходимость арбитража, сложность (невозможность) реализации дуплексной передачи данных, скорость передачи данных зависит от количества абонентов.

 

Последовательный интерфейс I2С

 

I²C (русск. ай-ту-си) — последовательная шина данных для связи интегральных схем, разработанная фирмой Philips в начале 1980-х как простая шина внутренней связи для создания управляющей электроники. Используется для соединения низкоскоростных периферийных компонентов с материнской платой, встраиваемыми системами и мобильными телефонами. Название представляет собой аббревиатуру слов Inter-Integrated Circuit. 1 октября 2006 года отменены лицензионные отчисления за использование протокола I²C. Однако, отчисления сохраняются для выделения эксклюзивного подчинённого адреса на шине I²C.

 

I²C использует две двунаправленных линии, подтянутые к напряжению питания и управляемые через открытый коллектор или открытый сток — последовательная линия данных (SDA, англ. Serial DAta) и последовательная линия тактирования (SCL, англ. Serial CLock), обе нагруженные резисторами. Стандартные напряжения +5 В или +3,3 В, однако допускаются и другие.

 

Классическая адресация включает 7-битное адресное пространство с 16 зарезервированными адресами. Это означает до 112 свободных адресов для подключения периферии на одну шину.

 

Основной режим работы — 100 кбит/с; 10 кбит/с в режиме работы с пониженной скоростью. Заметим, что стандарт допускает приостановку тактирования для работы с медленными устройствами.

 

После пересмотра стандарта в 1992 году становится возможным подключение ещё большего количества устройств на одну шину (за счёт возможности 10-битной адресации), а также большую скорость до 400 кбит/с в скоростном режиме. Соответственно, доступное количество свободных узлов выросло до 1008. Максимальное допустимое количество микросхем, подсоединенных к одной шине, ограничивается максимальной емкостью шины в 400 пФ.

 

Версия стандарта 2.0, выпущенная в 1998 году представила высокоскоростной режим работы со скоростью до 3,4 Мбит/с с пониженным энергопотреблением. Последняя версия 2.1 2001 года включила лишь незначительные доработки.

 

Принцип работы