8-РАЗРЯДНЫЙ АЦП С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ИНТЕРФЕЙСОМ
8-разрядные последовательные АЦП являются и самыми дешевыми, и самыми простыми в применении. При условии, что они работают в последней трети своей полной шкалы (что можно обеспечить при помощи предварительного усилителя со смещением), их разрешение с точностью 1/256 вполне соответствует точности, требуемой во многих приложениях виртуального измерительного комплекса.
Компоненты такого типа предлагают многие производители, но до какой-либо стандартизации и унификации в этой области еще очень далеко. Расположение выводов и протоколы связи у разных типов подобных АЦП различны. Возможно, изготовители делают это для того, чтобы затруднить замену компонентов на изделия конкурентов.
8-разрядный последовательный АЦП, который будет использоваться в примерах, был выбран, с одной стороны, ввиду его широкого распространения и вполне приемлемой цены, а с другой стороны, ввиду того, что существуют 10- и 12-разрядные модели, полностью совместимые с ним по расположению выводов. При случае это может упростить проблему модернизации печатных плат.
На рис. 2.4 приведена схема расположения выводов АЦП TLC 549 фирмы Texas Instruments. Именно эта модель будет рассмотрена ниже в ее практическом применении.
Рис 2.4.Расположение выводов аналого-цифрового преобразователяTLC 549
Этот АЦП имеет только один аналоговый вход (ANALOG IN) и два входа для подключения опорного напряжения (REF+ и REF-). Вторым аналоговым входом можно считать общий вывод GND. Если вывод REF- также подключить к общему проводу, АЦП будет формировать байт выходного кода, равный 00000000, при нулевом напряжении на аналоговом входе, и 11111111 — при входном напряжении, равном опорному напряжению, приложенному к выводу REF+.
Протокол связи этого АЦП достаточно прост, его временные диаграммы приведены на рис. 2.5.
Рис. 2.5.Протокол связи АЦП TLC 549
При переходе сигнала на выводе /CS от высокого к низкому уровню в регистр вывода данных помещается результат предыдущего преобразования. Поэтому рекомендуется выполнить «пустое преобразование» сразу после включения устройства или в случае выполнения двух преобразований, разделенных достаточно продолжительным интервалом времени.
Первое считанное значение выходного кода в этих случаях будет неверным. Следующее преобразование будет правильным, оно начнется по первому переднему фронту импульса, поступившего на вывод /CS после низкого уровня. Важно, чтобы на выводе /CS был высокий уровень в течение всего времени преобразования, но, поскольку этот процесс длится всего несколько десятков микросекунд, данное условие можно считать автоматически выполняемым, если АЦП управляется процессором с программой, написанной на существенно менее быстром языке, чем Assembler.
Каждый бит выходных данных может быть считан на выводе DATA OUT, причем биты выводятся старшими разрядами вперед по переднему фронту импульсов на выводе I/O CLOCK.
Одно из преимуществ этого АЦП состоит в том, что он может работать с любой частотой дискретизации, определяемой управляющей системой — от одного измерения за несколько часов до более двадцати тысяч измерений в секунду.
10-РАЗРЯДНЫЙ АЦП С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ИНТЕРФЕЙСОМ
Разрешение в 10 бит — это своеобразный компромисс между 8- и 12-разрядными устройствами, позволяющий устранить проблемы, связанные с недостаточной в некоторых случаях точностью, равно как и со сложностью в изготовлении и настройке.
Аналого-цифровой преобразователь TLC 1549 производства Texas Instruments удобен тем, что он совместим по расположению выводов с TLC 549 (рис. 2.4), но этот компонент допускает шесть различных протоколов связи (три «быстрых» и три «медленных»).
Протокол связи, приведенный на рис. 2.6, очень похож на протокол TLC 549, с тем лишь отличием, что здесь используются десять битов данных вместо восьми.
Рис. 2.6.Протокол связи АЦП TLC 1549
Прямой конкурент АЦП TLC 1549 — аналого-цифровой преобразователь МАХ 1243 производства компании MAXIM-имеет совершенно другое расположение выводов (рис. 2.7).
Рис. 2.7.Расположение выводов АЦП МАХ 1243
Помимо своих отличных характеристик, он интересен тем, что принадлежит к семейству полностью взаимозаменяемых АЦП, которое включает 12-разрядную версию МАХ 1241, а также тем, что с помощью простой программы его можно легко переключить в 8-разрядный режим.
Такое же расположение выводов имеют и более ранние изделия компании MAXIM (МАХ 187, МАХ 189), и современные модели (МАХ 1240, МАХ 1242).
Некоторые из этих АЦП снабжены встроенным источником опорного напряжения, что дает дополнительные преимущества при расширении возможностей устройств, рассматриваемых в главе 4 этой книги.
Существует два варианта протокола связи, используемого при работе с АЦП МАХ 1243. Они представлены на рис. 2.8.
Рис 2.8.Протокол связи АЦП МАХ 1243
Первый вариант (рис. 2.8 (а)) в основном предназначен для применения в устройствах, которые используют протокол, строго соответствующий стандарту QSPI для некоторых типов последовательных интерфейсов микроконтроллеров. Он отличается наличием двух дополнительных бит S0 и S1 и использованием дополнительных нулей, выводимых при получении более 11 тактовых импульсов. Протокол, совместимый с SPI и Microwire (рис. 2.8 (б)), в большей степени соответствует нашим нуждам, так как работает с блоками по 10 бит.
Следует учитывать, что в начале кодовой посылки присутствует «единичный» бит, в некотором роде стартовый; его нужно исключать перед обработкой, например, подав один дополнительный тактовый импульс.
В отличие от вышеописанных компонентов, АЦП МАХ 1243 дол- жен выполнить преобразование перед тем, как вывести слово данных. Следовательно, после подачи уровня логического нуля на вывод /CS (начало преобразования) надо ждать не менее 7,5 мкс или дожидаться перехода сигнала на выводе DOUT в состояние логической единицы, перед тем как подать положительный перепад напряжения (фронт импульса) на вывод SCLK для начала вывода данных. Преимущество такого способа работы состоит в том, что получаемый результат соответствует текущему циклу преобразования, а не предыдущему, как у вышеописанных устройств. Кроме того, при выводе результата можно использовать только восемь старших значащих разрядов, иначе говоря, использовать МАХ 1243 в 8 разрядном режиме очень высокой точности Для этого достаточно прекратить передачу данных после бита В2, подав на вывод /CS сигнал логической единицы.
12-РАЗРЯДНЫЙ АЦП С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ИНТЕРФЕЙСОМ
Аналого-цифровой преобразователь МАХ 1241, полностью аналогичный АЦП МАХ 1243 по расположению выводов, является 12-разрядной версией, которая использует схожий с протоколом, представленным на рис. 2.8 (б). Полностью протокол связи АЦП МАХ 1241 приведен на рис. 2.9.
Рис. 2.9.Протокол связи АЦП МАХ 1241
Среди полупроводниковых компонентов компаний Linear Technology и Вurr-Brown можно найти 12-разрядные АЦП, которые по расположению выводов схожи с АЦП TLC 549 и TLC 1549. Так приборы LTC 1286 и ADS 1286, практически аналогичные друг другу (за исключением некоторых частностей), отличаются от TLC 549 и TLC 1549 по нескольким основным пунктам. Прежде всего, они имеют дифференциальные аналоговые входы +IN и — IN (рис. 2.10) и однополярный вход опорного напряжения VREF.
Рис 2.10.Расположение выводов АЦП LTC 1286 и ADS 1286
При соединении вывода — IN с общим проводом GND можно получить конфигурацию, совместимую с 8- и 10-разрядными преобразователями. Ее схема приведена на рис. 2.11.
Рис 2.11.Универсальная схема включения АЦП
Указанная аналогия на уровне подключения микросхем не распространяется на используемые протоколы связи АЦП. Рис. 2.12 демонстрирует различия этих протоколов. Для вывода информации вначале следует подать два «пустых» тактовых импульса вместо одного, и, кроме того, можно считывать выходные данные как старшими, так и младшими разрядами вперед.
Рис. 2.12.Протокол связи АЦП 1286
Компания Linear Technology производит компонент LTC 1292, родственный вышеозначенным образцам. У него есть несколько важных отличий, в частности, совершенно непохожее расположение выводов (рис. 2.13).
Рис 2.13.Расположение выводов АЦП LTC 1292
Микросхеме LTC 1292 стоит посвятить несколько дополнительных строк, так как она используется в некоторых АЦП промышленного изготовления, для которых удобно писать специальные программы.
Протокол связи LTC 1292 приведен на рис. 2.14.
Рис. 2.14.Протокол связи АЦП LTC 1292
Он очень похож на протокол LTC 1286, но только с виду… В отличие от LTC 1286, y LTC1292 ограничена минимальная тактовая частота вывода информации на уровне 100 кГц. Это не вызывает трудностей при работе с программами на языках Assembler или С. но гораздо сложнее обстоит дело в случае работы с программами на языке BASIC или даже на языке PASCAL, работающих на медленном процессоре. Конечно, у нижнего предела тактовой частоты есть определенные допуски на практическое использование, но все же требуется осторожность при оценке точности получаемых результатов.
НАДО ЛИ ВЫХОДИТЬ ЗА ПРЕДЕЛЫ 12 РАЗРЯДОВ?
Попытаемся ответить на вопрос о том, насколько оправдано применение аналого-цифровых преобразователей с разрядностью, большей 12, для решения относительно простых задач при построении виртуального измерительного комплекса.
В промышленности и науке широко применяются 16-, 24-разрядные устройства и даже устройства с большей разрядностью. Оптимальная эксплуатация таких АЦП с высоким разрешением (0,015 % и 6 ppm = 6·10