Struktury specjalizowane wykorzystywane w mikrokontrolerach

Transkrypt

1 Struktury specjalizowane wykorzystywane w mikrokontrolerach Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowoanalogowe Interfejsy komunikacyjne Zegary czasu rzeczywistego Układy nadzorujące Układy generacji sygnałów sterujących

2 Przetworniki A/C Napięcie analogowe, poprzez układ kondycjonowania sygnału, jest dostarczane do układu przetwornika Wartość analogowa jest kwantyzowana do odpowiadającego jej kodu cyfrowego Otrzymany kod może być dalej przetwarzany przez mikrokontroler

3 Zastosowanie układów A/C Czujniki Parametry elektryczne sieci zasilających i komunikacyjnych Sterowanie (interfejs operatora) Sygnały i obrazy (dźwięk, video)

4 Parametry przetworników Rozdzielczość przetwornika, R: Najmniejsza wartość napięcia analogowego, którą można przetworzyć na kod cyfrowy; Najmniej znaczący bit (LSB The Least Significant Bit): Wyznacza tylko długość słowa wyjściowego Nie świadczy o wydajności R = Typowe wartości: 8 (coraz rzadziej), 10 (standard małych mikrokontrolerów), 12, 14, 16, 20, 24 bity 2 1 n

5 Parametry przetworników Szybkość działania czas wykonywania pojedynczej konwersji częstotliwość przetwarzania szybkość bitową liczba bitów wyniku przetwarzania, uzyskanych w jednostce czasu (bitów/s) Dokładność: Stopień dopasowania kodu cyfrowego reprezentującego wartość analogową do jej rzeczywistej wartości; nieliniowość różniczkowa; nieliniowość całkowa; błąd przesunięcia zera błąd wzmocnienia (błąd skalowania)

6 Parametry przetworników Nieliniowość różniczkowa (DNL Differential Nonlinearity): określa się ją przez wyznaczenie różnic między sąsiednimi wartościami napięcia wejściowego, powodującymi zmianę słowa wyjściowego o wartość najmniej znaczącego bitu. Nieliniowość różniczkowa jest podawana w procentach jako maksymalne względne odchylenie tej różnicy od jej wartości średniej w całym zakresie przetwarzania. odległość między kolejnymi kodami cyfrowymi DNL < ±1LSB daje pewność, że żaden kod nie będzie pominięty jeśli ten błąd nie występuje, przy zmianie napięcia wejściowego w całym jego zakresie wystąpią wszystkie kody cyfrowe

7 Parametry przetworników Nieliniowość całkowa (INL Integral Nonlinearity): Całka z błędów DNL Określa różnicę między wynikiem konwersji a wartością idealnej charakterystyki przetwarzania Maksymalne względne odchylenie rzeczywistej charakterystyki przetwarzania N = f(ui) od charakterystyki idealnej, będącej prostą łączącą skrajne punkty zakresu przetwarzania. Charakterystykę rzeczywistą wyznacza się jako linię łączącą środki przedziałów napięcia UI, odpowiadających kolejnym wartościom cyfrowym na wyjściu przetwornika

8 Parametry przetworników Błąd przesunięcia zera (offset): wartość napięcia wejściowego potrzebna do przejścia od zerowej wartości słowa wyjściowego do następnej większej wartości mierzony jako przesunięcie w stosunku do charakterystyki idealnej nie zmniejsza ilości dostępnych kodów cyfrowych możliwa jest całkowita kompensacja tego błędu w większości nowoczesnych przetworników.

9 Parametry przetworników Błąd wzmocnienia/skalowania (gain error): odchylenie rzeczywistej wartości napięcia UI, odpowiadającej maksymalnej wartości słowa wyjściowego, od wartości idealnej mierzony przy ostatniej zmianie kodu cyfrowego na skali wynika ze zmiany nachylenia charakterystyki przetwarzania N f(ui) w stosunku do charakterystyki idealnej

10 Błędy przetworników

11 Żądane parametry przetwarzania Źródło: Texas Instruments

12 Rodzaje przetworników A/C Układy z porównywaniem bezpośrednim (Flash) Układy całkujące Układy z kompensacją wagową, układy stopniowych przybliżeń (SAR) Układy z przełączanymi pojemnościami Układy Sigma-Delta

13 Przetworniki z porównywaniem bezpośrednim Bardzo szybkie (czas przetwarzania 10-20ns) Skomplikowane, nieopłacalne w dużych rozdzielczościach

14 Przetworniki potokowe Wyjście każdego komparatora określa jeden bit Wynik uzyskuje się po n cyklach roboczych Możliwość pracy potokowej

15 Przetworniki z pojedynczym całkowaniem Licznik zlicza impulsy o znanej częstotliwości Większa częstotliwość impulsów zwiększa dokładność przetwornika Możliwy do zaimplementowania przy użyciu mikrokontrolera, rezystora i kondensatora

16 Przetworniki z pojedynczym całkowaniem Dokładność pomiaru zależy od tolerancji elementów pasywnych (rezystorów, pojemności). Zmienność parametrów tych elementów skutkuje słabą powtarzalnością pomiarów

17 Przetworniki z podwójnym całkowaniem Ominięcie problemu zmienności parametrów elementów pasywnych.

18 Przetworniki z podwójnym całkowaniem Dokładność pomiaru zależy od częstotliwości impulsów taktujących licznik oraz czasu t int

19 Metoda kolejnych przybliżeń

20 Przetwornik SAR

21 Działanie przetwornika Porównywanie napięcia przetwarzanego Ui z napięciem odniesienia Ur wytwarzanym w przetworniku c-a W przypadku przetwornika n- bitowego pełny cykl przetwarzania obejmuje n porównań. Możliwość budowania przetworników wielobitowych o dużej szybkości przetwarzania; czas przetwarzania jest równy nt, gdzie T jest czasem jednego cyklu porównania. Można uzyskać wartość T rzędu 100ns

22 Przetwornik Sigma-Delta

23 Działanie przetwornika Analogowy sygnał wejściowy w postaci prądu I I jest całkowany na kondensatorze C. Do kondensatora jest ponadto podłączony jeden z prądów odniesienia I: ładujący lub rozładowujący (jednobitowy przetwornik C/A). Suma prądów ustala napięcie U C na kondensatorze. Jest ono monitorowane przez komparator, który steruje przerzutnikiem bistabilnym PB. Przerzutnik przełączany impulsami zegarowymi systemu f C tworzy 1-bitowy wyjściowy sygnał cyfrowy sterujący przełącznikiem S przełączającym prądy I do kondensatora C. Jeżeli I I =0, a przełącznik S znajduje się w pozycji górnej, kondensator jest ładowany prądem I. Napięcie U C rośnie liniowo aż do momentu, w którym jest ono większe od zera i następuje takt zegara f C. Wtedy PB zmienia stan przełączając w dół przełącznik S. W wyniku tego kondensator zostaje rozładowywany prądem I aż do następnego taktu zegara. W takiej sytuacji na kondensatorze jest wytwarzany przebieg trójkątny o częstotliwości równej połowie f C, a średnia wartość napięcia na nim jest równa zeru. Na wyjściu cyfrowym pojawiają się na przemian zera i jedynki również z połową częstotliwości próbkowania.

24 Działanie przetwornika Jeśli I I 0, to zmienia się suma prądów wpływających do kondensatora. Jeśli sygnał wejściowy będzie miał wartość ujemną, to ładowanie prądem I będzie przebiegało wolniej niż w poprzednim przypadku. Dlatego kondensator może nie zostać naładowany do wartości większej od zera w czasie jednego okresu zegara. Nie nastąpi wtedy przełączenie przerzutnika a zatem zostanie na wyjściu drugi z kolei symbol 0. W ten sposób zmienia się wzór zerojedynkowy na wyjściu przetwornika. Osiąga on swą średnią wartość równą wartości prądu podanego na wejście przetwornika. Sygnał wyjściowy z przerzutnika PB oznaczony jako "dane 1" jest podawany do dolnoprzepustowego filtru decymacyjnego, a następnie do licznika, na bazie którego formowany jest kod cyfrowy.

25 Działanie przetwornika

26 Przykład implementacji

27 Porównanie różnych rodzajów przetworników

28 Moduł przetwornika w mikrokontrolerach ATMega32

29 Przetwornik z przełączanymi pojemnościami

30 Działanie przetwornika 1. Kondensatory są rozładowywane do napięcia offsetu komparatora. 2. Napięcie wejściowe V s jest próbkowane, a kondensatory są ładowane do jego wartości. 3. Kondensatory przełączane są między masę a wejście komparatora. 4. Kondensator o najwyższej pojemności podłączany jest do VREF. Napięcie między wejściami komparatora wynosi V REF /2 V S. 5. Jeśli V REF /2 <V S komparator wystawia logiczną 1 (MSB) i kondensator pozostaje podłączony do V REF. W przeciwnym razie kondensator przełączony zostaje do masy. 6. Kroki 4-5 powtarza się dla kolejnych kondensatorów, otrzymując wartości kolejnych bitów.