Материал: Анисимов_2

Классификация ацп

АЦП параллельного преобразования (схема и принцип работы, основные преимущества и недостатки)

+ Высокая скорость преобразования (т.к. сигнал поступает на все компараторы одновременно)

− Низкое разрешение (иначе нужно слишком много компараторов)

− Высокое энергопотребление (каждый компаратор потребляет ток)

# Применяются там, где не требуется аккумуляторного питания: осциллографы

АЦП последовательного приближения (схема и принцип работы, основные преимущества и недостатки)

Схема:

Принцип работы:

Входной аналоговый сигнал поступает на УВХ (устройство выборки-хранения), чтобы зафиксировать данные, так как преобразование занимает время и на выходе могут измениться значения.

Далее сигнал поступает на компаратор, второй вход которого подключен к ЦАП. Компаратор управляет регистром ПП (регистр последовательного приближения), который составляет основу этого АЦП. Код с регистра ПП поступает на N-битный ЦАП и напряжение ЦАПа сравнивается с входным.

Как происходит преобразование?

В начальным момент времени регистр ПП сброшен в ноль. Далее устаналивается «1» в самом старшем разряде при первом такте, это как раз приходится на половину опорного напряжения. Компаратор на выходе указывает больше или меньше напряжение входного сигнала, чем выход ЦАП (на первом такте это половина опорного напряжения).

Выход ЦАП > входного сигнала => выход компаратора LOW => сброс бита в регистре

Выход ЦАП < входного сигнала => выход компаратора HIGH => 1бит сохраняется в регистре

Так перебираются все разряды.

Это из лекции Тимохова (тут объяснено лучше, что происходит)

+ Простая архитектура при высоком разрешении

− Требует N сравнений для достижения N-разрядного разрешения (снижает f_D и вызывает ограничение по скорости преобразования)

# Применяются во всех микроконтроллерах

Устройство выборки-хранения (это было в лекции, может попадется и в контрольной)

Через ключ (полевой транзистор) и блок управления заряжаем С.

Пока ключ замнут, С_ХР заряжается до текущего входного значения. Далее ключ размыкаем, и значение фиксируется до тех пор, пока не завершится АЦП. Чтобы С_ХР не разряжался, подключаем через буфер на ОУ (мешает разряжаться из-за высокого сопротивления)

Интегрирующие АЦП (схема и принцип работы, основные преимущества и недостатки)

Схема:

Принцип работы:

На интегратор через ключ подаем входной сигнал.

В начальный момент времени S1 замыкается и заряжается С, далее размыкаем S1 и замыкаем S2, тем самым обеспечиваем разряд конденсатора.

После интегратора идет компаратор для того, чтобы узнать когда С разрядится до нуля. Счетчик считает время за которое разрядится С. Результат будет преобразован в выходной код АЦП (сколько импульсов укладывается во время разрядки).

ГТИ задает работу всей схемы

• Время разрядки С будет зависеть от того, до какого уровня мы его заряжали.

• Выходной код ~ сколько импульсов укладывается во время разрядки С

+ подавление высокочастотного шума и фиксированных низких частот

(50/60 Гц) – из-за интегрирования

− низкая входная пропускная способность

− ограничение f_D

# применяются в измерительных приборах (мультиметры, вольтметры и прочее, там не нужна высокая частота дискретизации)

Сигма-дельта АЦП (схема и принцип работы, основные преимущества и недостатки)

Схема:

Принцип работы:

Входное напряжение суммируется с выходным сигналом ЦАП. Интегратор добавляет результат этого суммирования к значению, которое сохраняется с предыдущего шага.

Компаратор выдает «1» если выход интегратора больше нуля и «0» в противном случае.

1-битный ЦАП подает +V_REF, если на выходе компаратора «1» и – V_REF, если на выходе компаратора «0».

Работа зацикливается.

+ наибольшее разрешение

− медленные

Отношение «сигнал/шум» (SNR)

Оверсэплинг – значительное повышение частоты дискретизации.

К_ПД – коэффициент передискретизация

5. Структурная схема встроенного аналого-цифрового преобразователя, его основные параметры. Настройка ацп, управляющие регистры. Прерывания по завершению цикла преобразования.

Параметры АЦП (айтини13):

• Только один встроенный 4-канальный АЦП с мультиплексором, который может переключать текущий канал. Один АЦП, но входов несколько, если хотим одновременно оцифровывать несколько входных сигналов, то просто переключаем каналы. При этом получается псевдосинхронное преобразование. Входы мультиплексора могут работать как по отдельности (в несимметричном режиме, измеряя напряжение относительно земли), так и объединяться в пары (только для некоторых моделей микроконтроллеров), измеряя дифференциальное напряжение. Также опционально возможно усиление входного сигнала с фиксированным коэффициентом 10 или 100.

• Аналоговое напряжение могут считывать только те выводы, которые имеют метку «ADC» (у нас это с ADC0 до ADC3), а так их обычно от 4 до 16.

• Встроенный источник опорного напряжения (в 13 он один, но может быть и несколько). В роли источника опорного напряжения может еще выступать напряжение питания мк.

• Максимальное разрешение 10 бит (анисимов сказал, что он дохленький)

• Максимальная частота дискретизации (количество тактов, которое ставится на одно АЦП преобразование) – до 1 МГц. Рекомендуемые цифры меньше сотни кГц на один канал.

Также возможно два режима преобразования: непрерывный (free-running mode), когда по завершении одного цикла преобразования сразу же следует другой, и одиночный (single), когда последовательность циклов регулируется вручную. Первый способ не отличается высокой точностью измерений и целесообразен только при необходимости максимальной скорости преобразований.

Рисунок 1 – Блок-схема встроенного АЦП.

Есть 10-битный ЦАП, компаратор (Sample&Hold comparator), устройство выборки и хранения совмещено с компаратором, входом управляет мультиплексор, который выбирает какой канал поступает на вход компаратора, в один момент работает 1 из 4 каналов. Выход компаратора идет на управляющую логику, включающую регистр последовательных преобразований. Результат поступает на двухбайтный регистр, двухбайтный, потому что состоит из двух частей ADCH и ADCL. Есть предделитель, который задает частоту преобразования, и управляющий регистр (ADC CTRL & STATUS…). Мультиплексор управляет источником опорного напряжения, который идет на ЦАП (или внутренний источник на 1.1 В или напряжение питания).

Предделитель

Входной сигнал идет не на прямую с основного тактового генератора, на котором работает мк. А как в таймерах через предделитель. На прямую не можем подавать, минимальный коэффициент деления 2, максимальный – 128. За это отвечают 3 бита в управляющем регистре, это будет дальше.

Для выполнения первого преобразования (при первоначальной настройке АЦП) требуется 25 тактов, последующие половину – 13 тактов (первое занимает больше времени из-за необходимости настройки каналов). Тактовая частота преобразования формируется с помощью делителя от опорной частоты микроконтроллера при помощи соответствующего управляющего регистра, рекомендованная частота преобразования – от 50 до 200кГц, в этом диапазоне наиболее вероятно получение наиболее достоверного результата измерения.

Время преобразования

Результат преобразования сохраняется в регистр ADC (ADCL, ADCH)

ADC = (V_IN*1024)/V_REF

(если 10 бит, Vref – источник опорного напряжения)

Управляющие регистры

1. ADMUX – управляет мультиплексором.

Мультиплексор управляет выбором источника опорного напряжения и выбором текущего канал откуда берем аналоговый сигнал. Также отвечает за режим хранения данных. В этом регистре нас больше всего интересуют биты, описанные далее.

6 бит – REFS1:0 (Reference Selection Bits) – определяют источник опорного напряжения, относительно которого будет происходить преобразование. Опорное напряжение должно быть как можно более стабильным, без помех и колебаний по напряжению – от этого во многом зависит точность работы АЦП. Все возможные варианты приведены в табл.7.1.

Таблица 7.1. Выбор источника опорного напряжения АЦП

Внутренний источник опорного напряжения не очень точный и подходит только для нетребовательных приложений.

MUX4:0 1:0 (Analog Channel and Gain Selection Bits) – данные биты определяют текущий вход (канал), с которого мы будем считывать аналоговый сигнал. Также с помощью этих битов выставляется коэффициент усиления при измерении в дифференциальном режиме. Возможные конфигурации для выбора текущего источника входного сигнала представлены в табл. 7.2.

Таблица 7.2. Выбор текущего канала АЦП