Билет 19. Системы многоканального ввода-вывода аналоговых сигналов

На рисунке 11.2а показана система управления процессом сбора/распределения данных, в котором каждому каналу соответствует от- дельный ЦАП и АЦП. Альтернативная конфигурация показана на рисунке

11.2б, в данной системе используется один ЦАП и один АЦП совместно с аналоговыми мультиплексорами и демультиплексорами. В большинстве случаев, особенно при большом числе каналов, вторая конфигурация является более экономичной.

При проектировании системы сбора данных следует обеспечить выбор оптимальной комбинации многих параметров. Необходимо решить такие задачи, как фильтрация, усиление, мультиплексирование, демультиплексирование, выбор частоты дискретизации и разбиение системы на функциональные модули.

Параллельная ССД позволяет обеспечить:

1) максимальную независимость аппаратуры всех каналов ССД (из-за независимости обработки каждого сигнала);

2) высокое качество преобразования сигналов (вследствие возможности системы по обеспечению требуемого уровня нормализации сигнала на входе АЦП в каждом канале);

3) устранение ошибок, возникающих при коммутации и выборке- хранении аналоговых сигналов, вносящих основной вклад в суммарную погрешность преобразования.

Параллельная ССД имеет большое будущее. Однако при его реализации имеет место более высокая стоимость ССД вследствие сравнительно высокой стоимости АЦП.

По сравнения с АЦП, ЦАП более простые устройства и быстродействие их высоко. Поэтому стоимость и надежность обоих вариантов отличаются не значительно, а по точности преобразования параллельная СРД превосходит последовательную. Как следствие, на практике в основном используют параллельную СРД, кроме того, на рынке доступны БИС, которые в одном кристалле содержат до 40 каналов ЦАП.

Билет 20. АЦП/ЦАП. Основные архитектуры,интерфейсы связи

АЦП и ЦАП выполняют преобразования между аналоговым сигналам и цифровым кодов в соответствующем направлении.

В АЦП и ЦАП существует 4 погрешности в преобразованиях: погреш- ность смещения, погрешность усиления и 2 вида ошибок линейности (дифференциальная и интегральная).

Ошибка интегральной линейности преобразователя обычно определя- ется значением максимального отклонения реальной передаточной харак- теристики преобразователя от прямой линии. Данная ошибка выражается в процентах от полной шкалы (не может даваться в LSB).

Другим типом нелинейности преобразователя является дифференци- альная нелинейность (DNL). Она имеет отношение к линейности кодовых переходов преобразователя.

Дифференциальная нелинейность определяется как максимальная величина отклонения любого кванта (или изменения в LSB) на всей переда- точной функции от его идеального размера в 1 LSB.

Некоторые ЦАП используют внешнее опорное напряжение (см.рисунок 12.9) и имеют опорный вход, тогда как в других выходной сигнал определяется внутренним опорным напряжением.

ЦАП предназначен для преобразования числа, представленного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные этому числу. Схемотехника аналоговых преобразователей весьма разнообразна. На рисунке 12.10 представлена общая классификация ЦАП по способам преобразования входного кода и схемам формирования выходного сигнала.

Дальнейшую классификацию ИМС ЦАП можно привести по ряду специфических признаков, например:

1. По роду выходного сигнала: преобразователи с токовым входом или с выходом по напряжению.

2. По типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом или с параллельным вводом.

3. По числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные.

4. По быстродействию: низкого, среднего и высокого быстродействия.

5. По разрядности.

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании то- ков, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи тех разрядов, значения которых равны 1

ЦАП на источниках тока обладают более высокой точностью. В отличии от предыдущего варианта, в котором весовые токи формируются резисторами сравнительно небольшого сопротивления и как следствие зависят от сопротивления ключей и нагрузки, в данном случае весовые токи обеспечиваются транзисторными источниками тока, имеющими высокое динамическое сопротивление. Упрощенная схема ЦАП на источниках тока приведена на рисунке 12.15.

Рисунок 12.15 – Схема ЦАП на источниках

Весовые токи формируются источниками тока с помощью резистивной матрицы. Потенциалы баз транзисторов одинаковы, а чтобы были равными и потенциалы эммитеров всех транзисторов, площади их эммиторов делают различными в соответствии с весовыми коэффициентами.

Важную часть ЦАП составляет цифровой интерфейс, т.е. схемы, обеспечивающие связь управляющих входов ключей с источниками цифровых сигналов. Структура цифрового интерфейса определяет способ под- ключения ЦАП к источнику входного кода, например, микропроцессору или микроконтроллеру. Свойства цифрового интерфейса непосредственно влияют и на форму сигнала на выходе ЦАП. Так, в случае параллельного интерфейса неодновременность поступления битов входного слова на управляющие входы ключей преобразователя приводят к появлению узких выбросов, «иголок», в выходном сигнале при смене кода.

В зависимости от способа на- грузки входного слова в ЦАП различают преобразователи с последователь- ным и параллельным интерфейсами входных данных.

Такой преобразователь помимо собственно ЦАП содержит на кри- сталле дополнительно последовательный регистр загрузки, параллельный регистр хранения (буферный регистр) и управляющую логику (см.рисунок

12.16).

На время загрузки входного слова в ЦАП через последовательный порт МК, к которому могут быть также подключены и другие приемники, на вход CS (выбор кристалла) подается активный уровень с одной из линий ввода-вывода МК. После окончания загрузки МК меняет уровень на входе CS, как это показано на рисунке 12.16б, и, выставив активный уровень на входе LD ЦАП, обеспечивает пересылку входного кода из регистра сдвига ЦАП в регистр хранения. Время загрузки зависит от тактовой частоты МК и обычно составляет единицы микросекунд.