Программная реализация аналого-цифрового преобразования

Такие функции, как счет, сдвиг, инвертирование, преобразование кодов и некоторые другие реализуются с помощью программных средств самого микропроцессора. Иногда используется такая программная реализация аналого-цифрового преобразования. Однако ее практическая ценность невелика, поскольку имеется очень большой выбор дешевых АЦП с хорошими рабочими характеристиками.

5.4 Рекомендации по выбору и использованию АЦП. [Л.2, глава 5, с.220-229]

Аналого-цифровые преобразователи. Фирмы, выпускающие АЦП, предлагают устройства с очень широким диапазоном рабочих параметров. Используемый метод преобразования (последовательного приближения, двухтактного интегрирования, параллельного преобразования или какой-либо другой из рассмотренных в разд. 5.2) и технология изготовления схемы (монолитная, гибридная, модульная) определяют наиболее существенные характеристики АЦП – быстродействие, разрешение, стоимость. Диапазоны изменения некоторых характеристик серийно выпускаемых АЦП разного типа представлены на рис. 5.15.

Наиболее широк выбор АЦП последовательного приближения, используемых в большинстве случаев применения аналого-цифрового преобразования. Самыми дешевыми являются монолитные АЦП. За последние несколько лет сделан громадный скачок в улучшении их рабочих параметров. Монолитные АЦП изготавливаются с использованием КМОП- и биполярной технологий. КМОП АЦП характеризуются очень малым энергопотреблением и допускают реализацию на самом кристалле аналогового мультиплексора, входного фиксатора, дешифратора и тристабильного буфера. Однако в КМОП-технологии возникают трудности с формированием прецизионного источника опорного сигнала и прецизионного быстродействующего компаратора. Биполярная технология обеспечивает простую реализацию этих функций, но при относительно невысоком уровне интеграции. Эти ограничения можно обойти при использовании И Л-схемотехники. В этом случае удается создать законченный интегральный АЦП с тактовым генератором, источником опорного сигнала и соответствующими буферными схемами на одном кристалле.

Выбор АЦП

Чтобы правильно выбрать АЦП для конкретного применения, нужно знать обусловленные этим применением требования к его рабочий параметрам – разрешению, времени преобразования, допустимой погрешности и т. д. Эти требования определяются проектируемыми техническими характеристиками разрабатываемой системы сбора данных. Наиболее важными являются следующие характеристики:

§ Число аналоговых каналов.

§ Производительность. Учитывается как производительность всей системы, так и максимальная производительность для отдельных каналов.

§ Расположение измерительных преобразователей (вблизи или в удалении от выходного терминала).

§ Точность преобразования.

§ Окружение. В частности, важно знать уровень электрических помех и диапазон изменения окружающей температуры.

§ Стоимость системы

Разработка системы обычно начинается с выбора ее конфигурации (см. разд. 5.4). Затем выясняются требования к рабочим характеристикам каждого компонента системы. Мы обсудим этот этап на примере АЦП.

Точность АЦП. Требования к точности преобразователя вытекают из соответствующей технической характеристики разрабатываемой системы сбора данных с учетом погрешностей, вносимых всеми другими компонентами этой системы. Распространенная ошибка — выбор АЦП с разрешением, удовлетворяющим этому требованию по точности, поскольку фактическая точность преобразователя хуже того значения, на которое указывает разрешение, в силу наличия различных погрешностей преобразователя. Список вкладов основных погрешностей, называемый бюджетом погрешностей, помогает рассчитать реальную точность преобразователя. Пример составления бюджета погрешностей и расчета точности приведен в разд. 5.6.

Время преобразования. Требуемое от АЦП число преобразований, выполняемых за одну секунду, определяется проектируемой производительностью системы сбора данных, числом каналов и выбранной конфигурацией системы. Частота дискретизации по одному каналу равна производительности АЦП только в том случае, когда для каждого канала используется отдельный АЦП. Список всех временных задержек, связанных с одним преобразованием, называется временным бюджетом. Производительность АЦП рассчитывается, исходя из этого временного бюджета. Пример расчета производительности АЦП приведен в разд. 5.6.

Тип АЦП. Для выбора типа АЦП обычно достаточно информации об используемой конфигурации системы, требуемом разрешении АЦП и времени преобразования. Например, для обеспечения среднего или высокого быстродействия следует выбрать АЦП последовательного приближения. Если одновременно требуется также высокое разрешение, то придется, по-видимому, применить АЦП, выполненный по гибридной технологии. При высоком разрешении, но низком быстродействии более подходящим будет двухтактный интегрирующий АЦП. Двухтактному интегрирующему АЦП следует отдать предпочтение и в тех случаях, когда нужно обеспечить высокую помехоустойчивость или ослабить наводки с частотой 60 Гц. Аналогично в системах дистанционного сбора данных лучше всего использовать АЦП на основе преобразования напряжения в частоту, тогда как в сверхбыстродействующих системах сбора данных вне конкуренции будет АЦП параллельного преобразования.

Другие факторы. Выяснив, какой тип АЦП нам нужем, мы должны затем выбрать среди АЦП данного типа устройство, удовлетворяющее всем другим нашим требованиям. Например, диапазон температур, в котором предполагается использовать АЦП, определяет эксплуатационный класс выбираемого устройства: должно ли оно относиться к классу коммерческих устройств (диапазон рабочих температур О... 70° С) или предназначается для промышленных (-25... +85°С) или военных (-55... +125 °С) применений. Нужно проверить также входной диапазон устройства, его совместимость с биполярными входными сигналами, форму представления выходных цифровых данных (последовательная или параллельная) и, если это необходимо, возможность реализации интерфейса с микропроцессорами.