Ответ:

В соответствии с критерием Найквиста частота дискретизации выбрана верно. Она должна составлять не менее 220 кГц = 40 кГц. Выбранное значение 44 кГц превышает минимально необходимое значение частоты дискретизации. Скорость потока данных составляет:

fS x n x (число каналов) = 44000 x 16 x 2 = 1,41 Мб/с

Известно несколько различных способов преобразования аналогового сигнала в цифровой код. Для большинства способов сигнал, подлежащий оцифровке, должен оставаться постоянным в течение всего времени аналого-цифрового преобразования. Поэтому большинство АЦП в качестве входной цепи используют так называемое устройство выборки и хранения (УВХ). УВХ — это электронная цепь с накопительным конденсатором, которой до начала преобразования заряжается до уровня измеряемого напряжения, затем напряжение на конденсаторе остается неизменным в течение времени преобразования. По способу преобразования различают следующие типы АЦП:

• последовательного приближения;

• двойного интегрирования;

• прямого счета;

• параллельные АЦП.

Мы рассмотрим только способ последовательного приближения, поскольку именно этот способ используется в модуле аналого-цифрового преобразователя МК семейства 68HC12/HCS12. Если у читателя возникнет желание познакомиться с другими способами преобразования, то он может обратиться к книге авторов Pack и Barret [2002].

а) Функциональная схема

б) Диаграмма, поясняющая принцип действия АЦП последовательного приближения

Рис. 4.82. Аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения

Структурная схема АЦП последовательного приближения представлена на рис. 4.82. Алгоритм функционирования АЦП последовательного приближения рассмотрим на примере. Предположим, что вывод низкого уровня опорного напряжения VRL нашего АЦП подключен к потенциалу 0 В, а вывод высокого уровня опорного напряжения VHL — к потенциалу 5,0 В. АЦП формирует на выходе 8-разрядный двоичный код. Число различных кодов, которыми может быть представлен результат оцифровки, составляет 28 = 256. Разрешающая способность нашего АЦП составляет:

(5,0 – 0,0)/256 = 19,53 мВ

Процесс аналого-цифрового преобразования по способу последовательного приближения многотактный. Число тактов, необходимое для выполнения одного преобразования, равно числу двоичных разрядов в представлении результата. Таким образом, в нашем примере на выходе АЦП будет сформирован восьмиразрядный двоичный код результата после завершения восьмого такта преобразования. Процесс преобразования запускается по сигналу Start.

Диаграмма рис. 4.82 отражает процесс формирования цифрового кода в АЦП последовательного приближения. На каждом такте формируется один двоичный разряд результата: на первом такте — старший разряд D7, на втором такте — разряд D6 и т.д., заканчивая младшим разрядом D0 на восьмом такте.

На первом такте в регистре последовательного приближения устанавливается код K1=10000000b. Этот код поступает на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), опорное напряжение которого равно UREF=URH–URL=5,0 В.

На выходе ЦАП установится напряжение UDAC=UREFxK1/28=2,5 В. Аналоговый компаратор сравнивает измеряемое напряжение UINP с напряжением на выходе ЦАП UDAC. Если UINP>UDAC, то на выходе компаратора формируется логическая 1. Если UINP<UDAC, на выходе компаратора устанавливается логический 0. Сигнал с выхода компаратора поступает на вход регистра последовательного приближения. Его значение определяет код на выходе регистра последовательного приближения в следующем такте преобразования. Если на выходе компаратора 1, то во втором такте преобразования регистр сформирует код K2 = 11000000b, если 0, то K2 = 01000000b. Иными словами, значение формируемого в текущем такте преобразования двоичного разряда равно значению логического сигнала на выходе компаратора.

На рис. 4.82 показаны возможные уровни напряжения на выходе ЦАП во втором, третьем и четвертом тактах работы АЦП. Количество уровней увеличивается с ростом номера такта, так как увеличивается число возможных комбинаций кодов на выходе регистра последовательного приближения. Так во втором такте при значении кода K2 = 11000000b на выходе ЦАП будет сформировано напряжение 3,75 В, а при коде K2 = 01000000b — 1,25 В. На восьмом такте число возможных уровней на выходе ЦАП составит 256.

АЦП последовательного приближения имеют ряд достоинств и недостатков. К достоинствам следует отнести следующие свойства:

Время преобразования не зависит от амплитуды входного сигнала и определяется только частотой тактирования и числом двоичных разрядов результата. Постоянное время преобразования удобно в микропроцессорной технике, поскольку позволяет разработчику точно рассчитать время выполнения отдельных программных фрагментов.

При получении каждого цифрового отсчета аналого-цифровое преобразование выполняется полностью сначала, результат предыдущего преобразования не оказывает влияния на последующее преобразование. Это свойство чрезвычайно важно в многоканальных модулях АЦП микроконтроллеров. Так при последовательном подключении двух измеряемых сигналов мультиплексором к одному АЦП оба измерения будут за два цикла преобразования, каждый цикл равен восьми тактам. Никаких дополнительных циклов не потребуется.

В качестве недостатков АЦП последовательного приближения следует отметить их относительно низкую скорость преобразования и достаточно сложную структуру.

1. Какому напряжению на входе АЦП соответствует код код результата «все единицы». Равно ли это измеряемое напряжение напряжению полной шкалы, т.е. UREF=URH–URL?

Ответ: Максимальный код на выходе АЦП соответствует значениям напряжения входного сигнала UINP>UREF(1–2–n). Так для 12-разрядного преобразователя с напряжением опоры 10,0 В максимальный код на выходе, равный 1111 1111 1111b, будет соответствовать напряжению входного измеряемого сигнала UINP>UREF(1–2–n)=10,0(1–2–12)=9,99756 В. Поскольку полученное значение крайне близко к UREF, то часто говорят, что максимальный код соответствует напряжению полной шкалы UREF. Однако, как мы установили, максимальный код в действительности несколько меньше напряжения полной шкалы.