3. Ввод аналоговых сигналов в микропроцессорный контроллер

При разработке устройств автоматики разработчику приходится решать вопрос согласования аналоговых датчиков с микропроцессорным контроллером. В этом случае необходимо применение аналого–цифровых преобразователей (АЦП) /6, 7/. В общем случае АЦП имеет следующие выводы, представленные на рис. 50.

Рис. 50. Выводы аналого – цифрового преобразователя

АЦП имеет аналоговый вход, напряжение на котором преобразуется в цифровой код. Преобразователю необходим внешний сигнал запуска преобразования. Процесс преобразования занимает некоторое время, называемое временем преобразования ( t_ПР ).

Рассмотрим основные параметры АЦП. К их числу можно отнести:

• максимальный диапазон входного напряжения;

• число разрядов выходного кода;

• абсолютная погрешность преобразования;

• нелинейность преобразования;

• время преобразования (интервал времени от момента запуска АЦП до появления на выходах цифрового кода);

• производительность АЦП (число преобразований входного сигнала в единицу времени при сохранении полной точности).

1. Ацп с параллельными цифровыми выходами

Рассмотрим микросхему отечественного производства АЦП К1113ПВ1. Она предназначена для преобразования входного униполярного или биполярного напряжения в выходной двоичный код. Микросхема имеет встроенный генератор с частотой 400кГц / 8 /.

Рассмотрим условное обозначение АЦП типа К1113ПВ1 на электрических принципиальных схемах, представленное на рис. 51.

IN – аналоговый вход;

G/P - вход гашение/преобразование, при G/P=0 осуществляется запуск АЦП, при G/P =1 - стирание информации в регистре АЦП;

D0 - D9 - цифровые выходы;

0 - управление сдвигом нуля;

OVA – аналоговая земля;

OVD – цифровая земля;

RAD - выход “ Готовность преобразования ”.

Рис. 51. Аналого-цифровой преобразователь К1113ПВ1

Параметры микросхемы следующие:

• диапазон входного напряжения: униполярный 0 – 10В, биполярный –5В – 0 - +5В;

• время преобразования t_пр= 30 мкС;

• входное сопротивление R_ВХ=10 кОм;

• ток потребления I_пот = 30 мА ;

• погрешность линейности _Л =  1%;

• абсолютная погрешность преобразования _A = 4 ед. мл. разряда;

• напряжения питания: +U₁ = +5В, - U₂ = -15В.

Рассмотрим диаграмму работы АЦП К1113ПВ1, представленную на рис. 52.

При установке G/P = 0 осуществляется запуск АЦП, через время t_ПР = 30 мкС на выходе RAD устанавливается нулевой уровень, говорящий о том, что цифровые данные на выходах D0-D9 готовы и их можно считывать в МК. Для стирания информации в регистре АЦП необходимо выставить на входе G/P = 1. После этого можно вновь произвести запуск АЦП для получения новых данных. До момента RAD=0 и при G/P=1 цифровые выводы находятся в высокоимпедансном состоянии ( Z – состояние ).

Изменение входного аналогового сигнала во время процесса (то есть в течение t_ПР ) преобразования АЦП вносит нежелательную неопределенность в выходной цифровой сигнал.

Рис. 52. Временные диаграммы работы АЦП К1113ПВ1

Полная точность преобразования реализуется только в том случае, когда возникающая неопределенность не превосходит разрешения АЦП / 7 /. Таким образом, для n - разрядного АЦП, характеризуемого временем преобразования t_ПР, необходимо выполнение условия

(5.1)

,

где D_А – полный диапазон изменения входного аналогового сигнала;

n – разрядность АЦП;

t_ПР – время преобразования АЦП;

(dU/dt)_max – максимальная скорость изменения входного аналогового сигнала.

Пусть входной аналоговый сигнал изменяется по синусоидальному закону с амплитудой А и частотой f:

(5.2)

.

Преобразование этого сигнала осуществляется с помощью 8 разрядов К1113ПВ1, t_ПР = 30 мкС. Скорость изменения входного сигнала определяется выражением:

(5.3)

.

Максимальное значение этой величины составит:

(5.4)

.

Полагая, что D_A = 2 * A ( полный размах синусоидального сигнала), получим

(5.5)

.

Из этого выражения получим значение для частоты аналогового сигнала, воспроизводимого без искажений:

(5.6)

.

Подставив числовые значения, получим

(5.7)

.

Таким образом, мы можем преобразовывать посредством К1113ПВ1 аналоговый сигнал, изменяющийся с частотой до 40 Гц без потери точности. Расширение частотного диапазона достигается за счет применения устройства выборки-хранения (УВХ).

Рассмотрим функциональную схему УВХ, представленную на рис. 53. УВХ состоит из двух операционных усилителей, включенных по схеме повторителей напряжения с единичной обратной связью, электронного ключа S и конденсатора С.

Аналоговый ключ S замыкается при поступлении сигнала от МК (этап - выборка). Конденсатор С начинает заряжаться до уровня входного сигнала. После определенной задержки, называемой временем захвата, напряжение на конденсаторе достигает уровня входного сигнала.

Рис. 53. Функциональная схема устройства выборки – хранения (УВХ)

Далее выдается команда на размыкание ключа S (этап – хранение) по команде МК, что и происходит после интервала, называемого апертурным временем. После этого уровень преобразуемого напряжения остается практически постоянным, и можно производить преобразование посредством АЦП. Применяемый конденсатор должен иметь малый ток утечки.

При использовании УВХ временным интервалом, определяющим по рассмотренной формуле допустимую скорость изменения входного аналогового сигнала, является теперь апертурное время УВХ. Типичное значение апертурного времени t_A составляет десятки наносекунд. Пусть, например, t_A = 50 нС, тогда максимально допустимая частота входного аналогового сигнала составляет f_MAX = 25 кГц.

Рассмотрим алгоритм (рис.54) и программу опроса состояния восьми аналоговых сигналов. Датчики подключены к входам IN0 – IN7 коммутатора K590KН6 (рис. 55).

Микросхема К590KН6 имеет следующие характеристики: коммутируемое входное напряжение составляет  15 В, время переключения t_ПЕР не более 0,3 мкС, ток потребления равен 1мА. Выход коммутатора подключен на вход АЦП. УВХ не используется, считаем, что аналоговые сигналы изменяются с низкой частотой. Цифровые выходы АЦП подключены к порту Р1 однокристального МК AT89S8252. МК управляет переключением входов коммутатора по линиям UP1, UP2, UP3 ( разряды порта Р2.0, Р2.1, Р2.2 ) и запуском АЦП К1113ПВ1 ( разряд Р3.0 ).

Алгоритм и программа построены таким образом, что в начале происходит установка кода на адресных входах коммутатора и один из датчиков опрашивается 10 раз, после чего данные заносятся соответственно в 10 ячеек ОЗУ. Далее код датчика изменяется и процесс повторяется. Таким образом, в ОЗУ будут сформированы восемь массивов по 10 байт каждый.

В программе используется программный опрос разряда Р3.2 с целью определения момента готовности преобразованных данных. Кроме того, в схеме подключены всего лишь восемь разрядов АЦП, определяющие дискретность 1/ 256.

Рис.54 . Алгоритм опроса аналоговых датчиков

Рис. 55. Опрос состояния 8 аналоговых датчиков, подключенных ко входам IN0 - IN7

<1> ORG 0000H

<2> ACP: MOV R5,#08 ; Загрузка счетчика количества датчиков

<3> MOV R4,#00 ; Код датчика для коммутатора

<4> MOV R0,#20H ; Загрузка адреса начала массива

<5> BEGIN:MOV R3#,0AH; Загрузка счетчика числа ячеек в массиве

<6> MOV P2,R4 ; Код датчика на коммутаторе

<7>START:CLR P3.0 ; Запуск АЦП

<8>WAIT: JB P3.2,WAIT; Ожидание готовности данных АЦП

<9> MOV @R0,P1 ; Пересылка данных из АЦП в ОЗУ

<10> INC R0 ; Продвижение по массиву

<11> SETB P3.0 ; Стирание информации в регистре АЦП

<12> DJNZ R3,START; Весь массив загружен?

<13> INC R4 ; Если да, то установить следующий код датчика

<14> DJNZ R5,BEGIN; Все датчики опрошены? Если нет, то продолжить опрос.

З а д а н и я д л я с а м о с т о я т е л ь н о й р а б о т ы

1. Разработать программу опроса восьми аналоговых датчиков с использованием запроса на прерывание по входу INT0 ( P3.2 ).

2. Разработать программу опроса восьми аналоговых датчиков, использовать 10 - разрядный АЦП. Биты D0 - D7 АЦП подключены к порту Р1, старшие биты АЦП D8 и D9 подключить к разрядам Р0.0 и Р0.1.