Материал: КР2

В аналоговом варианте преобразование синусоидального сигнала в ШИМ-последовательность и обратно схематически выглядит следующим образом: на один из входов компаратора подается исследуемый аналоговый сигнал Uвх, на другой – сигнал опорной частоты Fоп, имеющий треугольную форму (рис. 2). При совпадении уровней двух сигналов на входах компаратора его выход переключается, формируя в результате последовательность, состоящую из прямоугольных импульсов с несущей частотой Fоп, в длительности которых закодирован уровень исходного аналогового сигнала (т. е. его амплитуда). Если далее требуется получить исходный аналоговый сигнал, эту последовательность необходимо пропустить через фильтр нижних частот, чтобы отфильтровать опорную частоту и получить исходную синусоиду. В приведённом примере в качестве фильтра нижних частот используется обычная интегрирующая RC-цепочка (для получения более точных результатов преобразования необходимо использовать фильтр более высокого порядка, желательно на операционных усилителях).

Рисунок 1 – Принцип работы ШИМ-преобразователя

При использовании ШИМ мы передаём на выход сигнал, состоящий из высоких и низких логических уровней, то есть нулей и единиц. Затем эта последовательность пропускается через интегрирующую цепочку. В результате интегрирования на выходе будет величина напряжения, равная площади под импульсами.

Меня скважность сигнала (т. е. отношение длительности периода к длительности импульса) ШИМ-последовательности, можно плавно менять эту площадь, а значит и напряжение на выходе (рис. 2).

Рассмотрим рисунок ниже:

Опорное напряжение – пилообразной формы (TCNTn)

Модулирующее (задающее) – постоянное напряжение определенной амплитуды (OCRn)

У таймера есть особый регистр сравнения OCR**. Когда значение в счётном регистре таймера достигнает значения находящегося в регистре сравнения, то могут возникнуть следующие аппаратные события:

• Прерывание по совпадению

• Изменение состояния внешнего выхода сравнения OC**

Проецируя соответсвующие сигналы на другую координатную плоскость получим следующую картину: При пересечении опорного и задающего напряжения возникает положительный импульс (верхняя полочка). Когда опорное ниже задающего – пауза. Напряжение на выводах МК имеет прямоугольного импульса. Для регулирования ширины столбцов меняют задающее напряжение. Надо снизить среднее напряжение? Повышаем задающее

Среднее напряжение на нагрузке влечет изменение мощности

чЕм дольше импульс, тем больше его площадь при интегрировании, значит больше амплитуда выходного сигнала на выходе ЦАП

Режим Fast PWM

В этом режиме таймер микроконтроллера считает от нуля до 255, после достижения переполнения счетный регистр сбрасывается в ноль, и счет начинается снова (рис. 1). Когда значение в счетчике достигает значения, записанного заранее в регистр сравнения, то соответствующий ему вывод ОСхn сбрасывается в ноль. При обнулении счетчика этот вывод устанавливается в единицу.

В общем случае частота на выходе ОСхn микроконтроллера в режиме быстрой модуляции составляет:

– Частота мк

– Коэффициент предделителя

– тактовая частота таймера, полученная путем деления тактовой частоты нашего МК на коэффициент деления N, задаваемый с помощью соответствующих разрядов регистра управления TCCRnB.

– разрядность ШИМ (или топовое значение, до котрого считает таймер? (с) тема)

Пример:

Частота получившегося ШИМ сигнала определяется просто: Частота процессора 8Мгц, таймер тикает до 256 с тактовой частотой. Значит один период ШИМ будет равен 8000 000/256 = 31250Гц.

Еще есть возможность повысить разрешение, сделав счет 8, 9, 10 разрядным (если разрядность таймера позволяет), но надо учитывать, что повышение разрядности, вместе с повышением дискретности выходного аналогового сигнала, резко снижает частоту ШИМ.

Как это выглядит на практике

У таймера T1 есть два особых регистра сравнения OCR1A и OCR1B. Когда значение в счётном регистре таймера достигает значения, находящегося в регистре сравнения, то могут возникнуть следующие аппаратные события:

• Прерывание по совпадению

• Изменение состояния внешнего выхода сравнения OC1A или OC1B (обведены красным на схеме расположения выводов AtTiny2313, рис. 5).

Рисунок 4 – Расположение выходов сравнения, работающими с ШИМ

• Пусть мы настроили наш ШИМ генератор таким образом, чтобы в момент времени, когда значение в счетном регистре TCNT1 больше, чем в регистре сравнения, то на выходе у нас была логическая единица, а когда меньше, то ноль. 

• При этом таймер будет считать, как ему и положено, от нуля до 255, с той частотой, которую мы настроим при помощи системы предделителя.

• После переполнения таймер сбрасывается в ноль и счёт продолжается заново.

• На выходе имеем прямоугольные импульсы. Если мы попробуем увеличить значение в регистре сравнения, то ширина импульсов станет уже (рис. 3).

Рисунок 5 – Изменение ширины импульсов

Phase Correct PWM

ШИМ с корректной (или точной) фазой. В данном случае шестнадцатиразрядный счетчик работает как реверсивный. При этом он непрерывно считает сначала от нуля до максимального значения модуля счета (который определяется либо заданной разрядностью, либо содержимым режима захвата), затем обратно до нуля. При достижении нуля счет опять начинается в сторону увеличения, далее цикл повторяется. Вывод OCxn при первом совпадении сбрасывается в ноль, при втором устанавливается обратно в единицу (рис. 1). Частота ШИМ при этом падает вдвое вследствие увеличения периода.

Рисунок 6 – Сравнение режимов работы ШИМ

Рассмотрим поподробнее регистры, ответственные за реализацию различных режимов ШИМ (табл. 1). Регистр TCCR0A – биты COM0A1:COM0A0 и COM0B1:COM0B0 определяют поведение выводов сравнения OC0A и OC0B соответственно.

Таблица 1. Режимы работы вывода Ocnx

Регистр TCCR0A – биты WGM01 и WGM00 (совместно с битами WGM02 и WGM03, которые находятся в регистре TCCR0B) задают режим работы генератора (табл. 2).

 Таблица 2. Задание режимов работы ШИМ

Начало формы

Конец формы

3. Цифро-аналоговые преобразователи. Структурная схема цап. Параллельная схема суммирования токов. Последовательная схема суммирования токов.

Микросхемы ЦАП классифицируются по следующим признакам:

• По виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения

• По типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода

• По числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные

• По быстродействию: стандартные и высокого быстродействия

Рисунок 1 – Структурная схема ЦАП

Рисунок 2 – Параллельная схема суммирования токов

Недостатки параллельной схемы:

• При высокой разрядности сопротивления резисторов должны быть согласованы с высокой точностью

• Особо жесткие требования к резисторам старших разрядов, поскольку разброс тока в них не должен превышать тока младшего разряда

• Сопротивления весовых резисторов могут отличаться в тысячи раз, что затруднят реализацию таких резисторов на кристалле ИС

• Сопротивления резисторов старших разрядов могут быть соизмеримы с сопротивлением замкнутого ключа, что повышает погрешность

В ЦАП, выполненных по интегральной технологии, в основном применяются резистивные матрицы R-2R.

Рисунок 3 – Матрица R-2R

Рисунок 4 – Последовательная схема суммирования токов

Рисунок 5 – Функциональная схема AD7520

Рисунок 6 – Характеристика преобразования

4. Аналого-цифровые преобразователи. АЦП параллельного преобразования (параллельные АЦП). АЦП последовательного приближения. Интегрирующие АЦП. Сигма-дельта АЦП. Схемы и принцип работы, основные преимущества и недостатки.

Преобразование аналогового сигнала в цифровой реализуется с помощью АЦП.

U(t) → U^*(t_i)

Непрерывная функция времени → Цифровой сигнал (последовательность цифровых кодов чисел)

Аналого-цифровое преобразование состоит из 2х самостоятельных операций: дискретизации во времени и квантовании по уровню

Формулы:

1) f_D = 1 / T_D – частота дискретизации

2) N = log₂(U_АЦП / U_К) – разрядность квантования, где U_АЦП – диапазон входного напряжения АЦП, U_К – шаг квантования

3) V = N * f_D [кбит/с] – скорость передачи информации (количество информации на 1 с записи)

Главные параметры АЦП определяются параметрами аналогового сигнала:

1. Определяем верхнюю граничную частоту и выбираем f_D

2. Определяем минимальное значение напряжения и выбираем разрядность

3. Требования по числу каналов

4. Габариты и мощность

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: