Лекция №19-3. Тема 2.5. Микропроцессоры и микроэлементы

1.

ЛЕКЦИЯ № 19-3
по дисциплине “ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И
ЭЛЕКТРОНИКА “
Тема 2.5. Микропроцессоры и микроэлементы.
ЗАНЯТИЕ № __: Цифро-аналоговые преобразователи и
Аналогово-цифровые преобразователи

2. Учебные вопросы:

1.
Цифро-аналоговые преобразователи. Устройство
и принцип действия.
2.
Аналогово-цифровые
преобразователи.
Устройство и принцип действия.
Литература:
1.
2.
Электротехника
и
электроника:
учебник
для
студ.учреждений сред. проф.образования / М.В. Немцов,
М. Л. Немцова. - 3-е изд.,испр. - М, Академия, 2018. –
Стр. 602-604.
В.В. Корнеев, А.В. Киселев. – Современные
микропроцессоры. – М.: НОЛИДЖ, 2000 г. с.14-27.

3. Назначение и роль преобразователей информации.

Назначение и роль преобразователей информации поясним на примере
автоматизированной системы управления, имеющей структуру, показанную на pис.
1.
Информация о состоянии объекта управления в аналоговой форме поступает с
датчиков на АЦП блока обмена информацией, с помощью которых преобразуется в
цифровой код и поступает в ЭВМ.
Поступивший цифровой код
используется при решении задачи
управления в соответствии с
заданным
алгоритмом
функционирования АСУ. Результат
решения задачи в виде цифрового
кода с выхода ЭВМ поступает на
ЦАП блока обмена информацией,
где
преобразовывается
в
аналоговый
сигнал
соответствующего
вида
(напряжение,
ток,
временной
интервал и т.д.) и выдается на
исполнительные
устройства
Рис. 1. Стpуктуpная схема
объекта управления.
автоматизированной системы управления

4.

Первым в мире микропроцессором был i4004, 4битный микропроцессор, представленный фирмой
Intel 15 ноября 1971 г. Он состоял из 2300
транзисторов, работал на частоте 108 кГц и
предназначался
для
использования
в
микрокалькуляторах.
Основными разработчиками первого МП стали
сотрудники фирмы Intel Федерико Фаджин, Тед Хофф
и Стэнли Мэйзор. На рисунке 1 они показаны после
награждения 15 октября 2010 г. медалями США за
работу над МП Intel 4004.

5.

Вопрос 1. Цифро-аналоговые преобразователи. Устройство и принцип
действия.
Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для
преобразования цифровых кодов в аналоговые величины, например,
напряжение, ток, сопротивление и т. п.
Виды ЦАП показаны на рисунке 1.
Рисунок 1 – Классификация ЦАП

6.

Последовательные ЦАП
Среди последовательных ЦАП следует выделить ЦАП с
широтноимпульсной модуляцией. Такие ЦАП широко используются в
современных МК. Они ценны тем, что крайне просто реализуются.
В данных ЦАП используется цифровой входной код, для формирования
последовательности импульсов фиксированной частоты с длительностью
импульсов, пропорциональной входному числу.
Данный принцип весьма перспективен в случае, если не требуется
высокое быстродействие. Схема ЦАП с ШИМ приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 – ЦАП с ШИМ: а – функциональная схема; б – график работы

7.

Наиболее просто организуется цифро-аналоговое преобразование в том
случае, если микроконтроллер имеет встроенную функцию широтноимпульсного преобразования (например, AT90S8515 фирмы Atmel или
87С51GB фирмы Intel). Выход МК с ШИМ управляет ключом S. В
зависимости от заданной разрядности преобразования (для контроллера
AT90S8515 возможны режимы 8, 9 и 10 бит) контроллер с помощью своего
таймера/счетчика
формирует
последовательность
импульсов
U1,
относительная длительность которых γ=tи/T определяется соотношением:
где n – разрядность преобразования;
D – преобразуемый код.
Фильтр нижних частот (НЧ фильтр) сглаживает импульсы, выделяя
среднее значение напряжения. В результате выходное напряжение
преобразователя:
где Uоп - опорное напряжение (напряжение источника питания).

8.

Рассмотренная схема обеспечивает почти идеальную
линейность преобразования, не содержит прецизионных
элементов (за исключением источника опорного напряжения).
Основной ее недостаток – низкое быстродействие.
Наиболее часто этот вид Ц/А-преобразования используется,
когда сама нагрузка является системой с медленной реакцией; в
этом случае широтно-импульсный модулятор генерирует
точные порции энергии, усредняемые системой, подключенной
в качестве нагрузки.
Нагрузка, например, может быть емкостной (как в
стабилизаторе напряжения с импульсным регулированием),
термической, механической или электромагнитной.

9.

Параллельные ЦАП
Принцип работы параллельных ЦАП заключается в
суммировании всех разрядных токов, или напряжений или
зарядов,
взвешенных
по
двоичному
закону
и
пропорциональных значению опорного напряжения. То есть,
преобразование заключается в суммировании электрических
величин (токов или напряжений), пропорциональных весам
двоичных разрядов, причем суммируются только токи тех
разрядов, значения которых равны логической 1.
В двоичном коде вес от разряда к разряду изменяется вдвое.

10.

Наиболее распространены две схемы суммирования токов параллельная и последовательная. На рисунке 3 приведена схема
параллельного суммирования токов.
Рисунок 3 - Параллельная схема суммирования токов

11.

Ключи S переключаются при уровне логической 1, тем самым
подключая резисторы к источнику опорного напряжения (ИОН):
Uвх = соnst .
Через резисторы протекает соответствующий весу разряда ток.
Сопротивление резисторов прогрессивно изменяется в два раза от разряда к
разряду.
При высокой разрядности сопротивления резисторов должны быть
согласованы с высокой точностью. Особо жесткие требования
предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс тока в
них не должен превышать тока младшего разряда. Вообще же, разброс
сопротивления в n-м разряде должен быть меньше, чем:
Отсюда следует, что разброс сопротивления, к примеру, в третьем
разряде не должен превышать 12,5%, в 10-м разряде - уже 0,098%.

12.

Такая схема имеет много недостатков, хотя весьма проста. К
примеру, при различных входных кодовых состояниях
потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН) ток
будет также различным, что, несомненно, повлияет на величину
выходного напряжения ИОН. Это приведет к возникновению
ошибки преобразования.
Кроме того, сопротивления весовых резисторов могут
отличаться в тысячи раз, а это затрудняет реализацию таких
элементов на базе полупроводниковых ИС. Помимо этого,
сопротивления резисторов старших разрядов могут быть
соизмеримы с сопротивлением замкнутого ключа, а это
приведет к погрешностям преобразования. И еще, в
разомкнутом состоянии к ключам прикладывается довольно
высокое напряжение, а это затрудняет их построение.

13.

Существует резисторная структура, в которой устранены указанные
выше недостатки. Она называется цепная R-2R-схема. Здесь требуются
только 2 значения резисторов, по которым схема формирует токи с
двоичным масштабированием. Резисторы, конечно, должны быть точно
подобраны, хотя действительные их величины не так существенны. Для
двоично-десятичного преобразования используется несколько модификаций
R-2R-схем. На рисунке 4 приведена схема ЦАП с резистивной матрицей.
Рисунок 4 - Последовательная схема суммирования токов

14.

Поскольку ключи S соединяют нижние выводы резисторов с общей
шиной питания, источник опорного напряжения работает на постоянную
нагрузку, следовательно, его значение стабильно и не изменяется при любом
входном коде ЦАП, в отличие от предыдущей схемы.
Кроме того, резисторы матрицы соединяются с общей шиной через
низкое сопротивление замкнутых ключей S, напряжения на ключах
небольшие (в пределах нескольких милливольт), что значительно упрощает
построение ключей и схем управления ими, и позволяет использовать
опорное напряжение в широком диапазоне даже разнополярное.
В качестве ключей используются МОП-транзисторы.
Поскольку выходной ток в таком преобразователе изменяется линейно,
то имеется возможность умножения аналогового сигнала на цифровой код,
если вместо опорного напряжения Uвх использовать аналоговый сигнал.
Такие ЦАП называются перемножающими.

15.

Примером применения перемножающего ЦАП может
служить цифровые регуляторы громкости в радиоаппаратуре. В
них вместо опорного напряжения подается входной сигнал.
Для последовательной схемы требования к точности
резисторов намного меньше, чем для параллельной схемы.
Быстродействие данных ЦАП не очень велико из-за
ограниченного быстродействия МОП ключей.
Помимо вышерассмотренных схем существуют ЦАП на
источниках тока, обладающие более высокой точностью. В
таких ЦАП весовые токи формируются не резисторами, а
транзисторными источниками тока, имеющими высокое
динамическое сопротивление. Примером может служить
отечественный ЦАП 594ПА1.

16.

Вопрос 2. Аналогово-цифровые преобразователи. Устройство и принцип
действия.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для
преобразования аналоговой величины в цифровой код. Другими словами,
АЦП - это устройства, которые принимают аналоговые сигналы и
генерируют соответствующие им цифровые.
Аналого-цифровое преобразование (А/Ц преобразование) следует
использовать в областях, где для обеспечения помехоустойчивой и
шумозащищенной передачи аналоговая информация преобразуется в
промежуточную цифровую форму (например, в цифровой звукотехнике или в
системах связи - импульсно-кодовая модуляция). Это требуется в самых
разнообразных измерительных средствах, а также в устройствах генерации и
обработки сигналов, таких, как цифровые синтезаторы колебаний и
устройства шифрования данных.
В принципе, вполне реально осуществить преобразование различных
физических величин непосредственно в цифровую форму. Однако, процесс
этот весьма сложен и кое-где непригоден. Поэтому наиболее рациональным
является сначала преобразование физической величины (силы, звука,
скорости, давления и т.д. ) в функционально связанные с ними аналоговые
электрические сигналы, а затем с помощью преобразователя напряжение-код
в цифровые. Именно последние и понимаются, как АЦП.

17.

Аналоговый
электрический
сигнал
на
входе
преобразователя сравнивается с известным эталонным
напряжением и производится цифровое представление этого
сигнала. На выходе АЦП имеет обычно двоичный код,
пропорциональный входному аналоговому значению. То есть
суть преобразования аналоговых величин заключается в
представлении некой непрерывной функции (например,
напряжения) от времени в последовательность чисел,
отнесенных к неким фиксированным моментам времени.
Поэтому для преобразования аналогового (непрерывного)
сигнала в цифровой необходимо выполнить три операции:
- дискретизация;
- квантование;
- кодирование.
Иногда последняя операция исключается.

18.

Все многообразие АЦП можно разделить на группы, объединенные
общей технологией, схемотехникой и методом преобразования.
Классификация по методам преобразования АЦП, выпускаемых в виде
интегральных микросхем (ИМС), представлена на рисунке 5.
Рисунок 5 – Классификация АЦП по методам преобразования

19.

Параллельные АЦП
Параллельные
АЦП
прямого преобразования –
содержат
по
одному
компаратору
на
каждый
дискретный уровень входного
сигнала, рисунок 6.
Рисунок 6 – АЦП параллельного типа

20.

Последовательно-параллельные АЦП прямого преобразования
Последовательно-параллельные АЦП прямого преобразования – это
частично последовательные АЦП, сохраняя высокое быстродействие,
позволяют значительно уменьшить количество компараторов до
k ·(2 n/k −1) ,
(3)
где n - число битов выходного кода;
k - число параллельных АЦП прямого преобразования), требующееся для
преобразования аналогового сигнала в цифровой (при 8-ми битах и 2-х АЦП
требуется 30 компараторов).
Содержат в своем составе k параллельных АЦП прямого преобразования.
Второй, третий и т.д. АЦП служат для уменьшения ошибки квантования
первого АЦП путем оцифровки этой ошибки. В качестве примера на рисунке
16 показано устройство двухступенчатого АЦП.
АЦП этого типа медленнее параллельных АЦП прямого
преобразования, имеют высокое разрешение и небольшой размер корпуса.

21.

Рисунок 7 - Двухступенчатый АЦП
АЦП1 (верхний) осуществляет "грубое" преобразование входного сигнала
в старшие разряды. Сигналы с выхода первого АЦП поступают на выходной
регистр и одновременно на вход быстродействующего ЦАП. Кружочек с
плюсиком - это сумматор, но в данном случае вычитатель. Цифровой код
преобразуется ЦАП в напряжение, которое вычитается из входного в этом
вычитателе. Разность напряжений преобразуется с помощью АЦП2 в коды
младших разрядов.
Требования к точности АЦП1 выше, нежели ко второму. Оба АЦП
параллельного типа. Допустим, и тот, и другой 4-х разрядные, в каждом
используется по 16 компараторов. В итоге получается 8-ми разрядный АЦП
всего на 32 компараторах, тогда как при построении по параллельной схеме
понадобилось бы 28 - 1 = 255 шт.

22.

Последовательные АЦП
Последовательные АЦП бывают
последовательного приближения.
последовательного
счета
и
Последовательные АЦП последовательного счета
Типичная схема АЦП последовательного счета приведена на рисунке 8.
На схеме буквами и символами
обозначены следующие элементы:
К - компаратор, логический
элемент 2И,
ГТИ - генератор тактовых
импульсов,
СТ - счетчик,
#/A
–
цифроаналоговый
преобразователь (ЦАП).
Рисунок 8 – АЦП
последовательного счета

23.

На один вход компаратора подается входное напряжение, на второй напряжение с выхода ЦАП.
В начале работы счетчик устанавливается в нулевое состояние,
напряжение на выходе ЦАП при этом равно нулю, а на выходе компаратора
устанавливается логическая 1.
При подаче импульса разрешения "Строб" счетчик начинает считать
импульсы от генератора тактовых импульсов, проходящих через открытый
элемент 2И. Напряжение на выходе ЦАП при этом линейно нарастает, пока
не станет равным входному.
При этом компаратор переключается в состояние логического 0 и счет
импульсов прекращается.
Число, установившееся на выходе счетчика, и есть пропорциональный
входному напряжению цифровой код.
Выходной код остается неизменным пока длится импульс "Строб",
после снятия, которого счетчик устанавливается в нулевое состояние и
процесс преобразования повторяется
Такие АЦП имеют низкое быстродействие.
Достоинством является сравнительная простота построения.

24.

Последовательные АЦП последовательного приближения
Более быстродействующим являются АЦП последовательного
приближения. Они называются также АЦП с поразрядным
уравновешиванием.
АЦП последовательных приближений – наиболее популярный тип
АЦП, поскольку он сочетает в себе высокую точность и высокую скорость
преобразования.
Обобщенная структурная схема АЦП последовательного приближения
показана на рисунке 9.
В
N–разрядном
преобразователе
регистр
последовательных
приближений состоит из N триггеров, которые поочередно устанавливаются
в единичное состояние (х = 1), а их выходы являются цифровыми входами
ЦАП. Выходное напряжение ЦАП сравнивается с аналоговым входным
напряжением.

25.

Рисунок 9 - Структурная схема АЦП последовательных приближений

26.

Первым в единичное состояние устанавливается триггер старшего
разряда, так что сначала аналоговое входное напряжение сравнивается с
выходным напряжением ЦАП, которое соответствует напряжению старшего
знака разряда (СЗР)
UСЗР =Uоп / 2 .
Если аналоговое входное напряжение больше UСЗР, то триггер старшего
разряда остается в единичном состоянии
Х1=1 в течение всего
последующего цикла преобразования. Если же аналоговое входное
напряжение меньше UСЗР, то триггер старшего разряда сбрасывается в нуль
Х1= 0 и остается в этом состоянии до конца цикла преобразования.
Затем в единичное состояние устанавливается следующий триггер
(второй разряд), при этом выходное напряжение ЦАП равно :
UСЗР =Uоп (Х1/2 + Х2/4), причем Х2=1.
Если это напряжение меньше входного аналогового напряжения Uвх , то
второй разряд остается равным единице Х2=1.
Если же оно больше аналогового входного напряжения, то второй разряд
сбрасывается в нульХ2 = 0 .

27.

Этот процесс повторяется для всех оставшихся триггеров (всего N раз)
до полного завершения цикла преобразования. В каждом случае, если
аналоговое входное напряжение больше напряжения ЦАП, то очередной
триггер сохраняет свое текущее состояние. Если аналоговое входное
напряжение меньше напряжения ЦАП, то триггер, который последним был
установлен в единичное состояние, сбрасывается в нуль.
Таким образом, осуществляется последовательное приближение
напряжения АЦП и, следовательно, соответствующих цифровых кодов к
аналоговому входному напряжению, начиная со старшего в начале цикла
преобразования и кончая младшим в конце цикла преобразования.
На всю операцию преобразования требуется в два раза больше тактов
преобразования, чем количество разрядов. Поэтому АЦП последовательных
приближений намного быстрее АЦП последовательного счета. АЦП этого
типа обладают одновременно высокой скоростью и хорошим разрешением.

28.

Контрольные вопросы:
1. Цифро-аналоговые преобразователи. Классификация.
2. Принцип работы параллельных ЦАП.
3. Принцип работы параллельных ЦАП с суммированием
напряжений или токов.
4. Принципы аналого-цифрового преобразования. Этапы
процесса преобразования.
5. Погрешности,
возникающие
при
аналого-цифровом
преобразовании.
6. Классификация АЦП по типу преобразования.
7. Схема и принцип работы параллельных АЦП.
8. Схема и принцип работы последовательных АЦП.

29.

Выводы по лекции: