3.5.7. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
Рассмотрим третий вид интерфейса — интерфейс связи микропроцессора с объектом.
Во многих случаях микропроцессоры работают с непрерывными физическими параметрами, такими как скорость, сила, давление, температура и др. С помощью датчиков эти параметры преобразуются в напряжение (ток).
Напряжение (ток), которое представляет физический параметр, называется аналоговой величиной. Микропроцессоры по своей природе — устройства цифровые и работают с цифровым представлением величин. Чтобы микропроцессоры работали с аналоговыми величинами, нужны средства преобразования аналоговых величин в цифровые и обратно.
Рассмотрим примеры таких преобразователей.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преобразования аналоговой величины в цифровой код. По принципу действия они бывают:
ступенчатые — код изменяется до требуемого значения ступеньками; в этих преобразователях используется счетчик, который считает (суммирует) импульсы;
преобразователи с разрядным кодированием, где для получения кода используются регистры или шифраторы, что позволяет кодировать во время каждого такта преобразователя один, несколько или сразу все разряды.
Структурная схема преобразователя в код ступенчатого типа изображена на рис. 28, а. Входное напряжение с помощью время-импульсного преобразователя (ВИП) преобразуется в напряжение разной длительности. При наличии напряжения с ВИП и с генератора импульсов (ГИ) логический элемент И открыт и пропускает импульсы с генератора в счетчик.
Рис. 28. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи:
а — ступенчатого типа; б — балансный преобразователь; в — преобразователь на операционных усилителях.
Каждый триггер счетчика соответствует разряду двоичного числа. Чем больше будет входное напряжение, тем длиннее будет импульс на выходе ВИП, тем больше импульсов будет пропущено от генератора в счетчик. Таким образом, триггеры счетчика принимают определенное значение, пропорциональное входному напряжению.
На рис. 28, б показана схема балансного преобразователя, у которой есть элемент обратной связи по выходу — преобразователь кода в напряжение (ПКН), т. е. цифро-аналоговый преобразователь.
При подаче входного напряжения, например, с термопары, сравнивающее устройство выдает напряжение, которое вместе с импульсами от генератора открывает логический элемент И и импульсы от генератора считаются счетчиком. Преобразователь кода в напряжение преобразует код от счетчика в напряжение обратной связи, которое подается на вход сравнивающего устройства в противофазе с входным напряжением. При равенстве входного напряжения и напряжения обратной связи выходное напряжение со сравнивающего устройства равняется нулю, логический элемент И закрывается и прекращается пропуск импульсов от генератора в счетчик. Таким образом, в счетчике будет записан код, пропорциональный входному напряжению.
Из всех видов АЦП наибольшее распространение получили преобразователи с поразрядным кодированием.
Цифро-аналоговые преобразователи преобразуют в аналоговую величину код путем суммирования аналоговых величин, пропорциональных кодам.
Рассмотрим в качестве примера цифро-аналоговый преобразователь с использованием операционного усилителя, схема которого показана на рис. 28в.
Значение выходного напряжения равно взятому с обратным знаком значению исходного двоичного числа, у которого каждый разряд имеет свой определенный вес напряжения. Например, если первый разряд имеет выпряжение 1 мВ, второй — 2 мВ, третий — 4 мВ, четвертый — 8 мВ, пятый — 16 мВ, шестой — 32 мВ, седьмой — 7 мВ, восьмой — 128 мВ, то при преобразовании двоичного числа 00011101 на выходе операционного усилителя будет выходное напряжение, равное сумме напряжений разрядов, где есть в этом разряде единица: 32 +- 16 + 8 + 1 = 57 мВ.
Аналого-цифровые преобразователи и цифроаналоговые преобразователи не должны вносить ограничений по точности и быстродействию при обработке информации. Этому требованию полностью удовлетворяют большие интегральные схемы. Например, преобразователь напряжений в код (ПНК) серии 252 имеет следующие характеристики: входное напряжение ±4 В; число выходных разрядов 9; быстродействие 5 мкс; импульсы для синхронизации 3 В.