Інтерфейси АЦП
Важливу частину аналого-цифрового перетворювача становить цифровий інтерфейс, тобто. схеми, що забезпечують зв'язок АЦП із приймачами цифрових сигналів. Структура цифрового інтерфейсу визначає спосіб підключення АЦП до приймача вихідного коду, наприклад, мікропроцесора, мікроконтролера або цифрового процесора сигналів. Властивості цифрового інтерфейсу безпосередньо впливають рівень верхньої межі частоти перетворення АЦП.
Інша вимога спільної роботи АЦП з мікропроцесорами, зване програмним сполученням, є спільною для будь-яких систем, до яких входять ЕОМ та АЦП. Є кілька методів програмного сполучення АЦП з процесорами. Розглянемо основні.
Перевірка сигналу перетворення.Цей спосіб полягає в тому, що команда початку перетворення "Пуск" періодично подається на АЦП від таймера. Процесор знаходиться в циклі очікування від АЦП сигналу закінчення перетворення "Готів", після якого виходить з циклу, зчитує дані з АЦП і відповідно до них приступає або до наступного перетворення, або до виконання основної програми, а потім знову входить до циклу очікування. Тут АЦП виступає у ролі провідного устрою (master), а процесор - веденого (slave). Цей спосіб майже вимагає додаткової апаратури, але придатний лише системах, де процесор надто завантажений, тобто. тривалість обробки даних від АЦП менше часу перетворення АЦП. Зазначений спосіб дозволяє максимально використати продуктивність АЦП.
Якщо тривалість обробки даних від АЦП становить помітно більше часу перетворення АЦП, можна використовувати варіант цього способу, який відрізняється тим, що сигнал "Пуск" надходить від процесора. Процесор виконує основну програму обробки даних, а потім зчитує дані з АЦП і зновузапускає його. І тут процесор виступає у ролі провідного пристрою, а АЦП - веденого.
Просте переривання.Видавши команду "Пуск", процесор продовжує роботу за основною програмою. Після закінчення перетворення формується сигнал переривання, який перериває в процесорі обчислення та включає процедуру пошуку периферійного приладу, який надіслав сигнал переривання. Ця процедура полягає в переборі всіх периферійних пристроїв доти, доки не буде знайдено необхідний. Перевага цього способу в порівнянні з попереднім проявляється в більшій кількості перетворень за той самий час, якщо використовуваний АЦП працює повільно. Якщо ж АЦП швидкодіючий, цей спосіб роботи може виявитися навіть повільніше попереднього, оскільки на обробку переривання потрібен значний час.
Залежно від способу пересилання вихідного слова з АЦП цифровий приймачрозрізняють перетворювачі з послідовним і паралельним інтерфейсами вихідних даних. Послідовний інтерфейс повільніший за паралельний, проте він дозволяє здійснити зв'язок з цифровим приймачем значно меншою кількістю ліній і в кілька разів скоротити кількість висновків ІМС. Тому зазвичай паралельний інтерфейс використовується в паралельних та послідовно-паралельних АЦП, а послідовний - в інтегруючих. В АЦП послідовного наближення застосовуються як паралельний (наприклад, 1108ПВ2), і послідовний (наприклад, АD7893) інтерфейси. Деякі АЦП послідовного наближення (наприклад AD7892) мають інтерфейс обох типів.
АЦП з паралельним інтерфейсом вихідних даних.У найпростіших випадках, характерних для паралельних АЦП та перетворювачів ранніх моделей, інтерфейс здійснюється за допомогою N-розрядного регістру зберігання, що має три станивиходу. Тут N – розрядність АЦП. На рис. 20 представлена функціональна схема такого АЦП та часові діаграми роботи інтерфейсу.
На фронті сигналу "Пуск" УВХ перетворювача переходить в режим зберігання і ініціюється процес перетворення. Коли перетворення завершено, на вихідну лінію Готовий виводиться імпульс, що вказує на те, що у вихідному регістрі АЦП знаходиться новий результат. Сигнали "CS" (вибір кристала) і "RD" (Читання) керують виведенням даних передачі приймачеві.
Для того, щоб спростити зв'язок багаторозрядного (N>8) АЦП з 8-розрядним мікропроцесором або мікроконтролером деяких ІМС (наприклад, МАХ167) реалізована побайтова видача вихідного слова. Якщо сигнал HВEN, управляючий режимом виведення, має низький рівень, то старші біти вихідного слова надходять відповідні їм висновки (для 12-разрядного АЦП на выводы DO8. DO11). Інакше вони подаються висновки, відповідні молодшому байту (для 12-разрядного АЦП на выводы DO0. DO3).
АЦП з послідовним інтерфейсом вихідних даних.В АЦП послідовного наближення, оснащених найпростішою цифровою частиною, таких як 12-бітний МАХ176 або 14-бітний МАХ121 вихідна величина може бути зчитана у вигляді послідовного коду прямо з компаратора або регістра послідовного наближення (РПП), як зазначено у п. 4.1. На рис. 21 представлена функціональна схема такого інтерфейсу (а) та часові діаграми його роботи (б).
Тут наведено схему, що реалізує SPI-інтерфейс. Процесор є провідним. Він ініціює початок процесу перетворення подачею зрізу на вхід "Пуск" АЦП. З тактового виходу процесора на синхровход АЦП надходить послідовність тактових імпульсів. Починаючи з другого тактупісля пуску на виході даних АЦП формується послідовний код вихідного слова старшими бітами наперед. Цей сигнал надходить на MISO (master – input, slave – output) вхід процесора.
Найпростіший інтерфейс забезпечує найменший час циклу "перетворення - передачі даних". Однак він має дві істотні недоліки. По-перше, перемикання вихідних каскадів АЦП під час перетворення приносить імпульсну перешкоду в аналогову частину перетворювача, що викликає зменшення співвідношення сигнал/шум (наприклад, для АЦП AD7893 середньоквадратичне значення шуму при передачі даних під час перетворення майже втричі більше, ніж при зчитуванні даних після перетворення). По-друге, якщо АЦП має великий час перетворення, процесор буде зайнятий прийомом інформації від нього істотну частину обчислювального циклу. З цих причин сучасні моделі АЦП з послідовною передачею вихідних даних оснащуються вихідним зсувним регістром, який завантажується результат перетворення з РПП. Тимчасові діаграми такого інтерфейсу наведено на рис. 22.