Постепенное усложнение АЦП, появление многоканальных АЦП, АЦП со встроенным устройством выборки—хранения, АЦП со сложной цифровой частью привело к тому, что сейчас имеются законченные однокристальные системы сбора данных, обеспечивающие преобразование в цифровой код сигналов, поступающих от многих датчиков и передачу их на микро ЭВМ. Структурная схема развитой системы сбора данных приведена на Рис. 9.34. Основу системы составляет АЦП, обычно АЦП последовательного приближения.
Чтобы уменьшить число корпусов ИМС, необходимых для создания системы сбора данных, в схему встроены УВХ и источник опорного напряжения. Для подключения к нескольким источникам входных аналоговых сигналов используется аналоговый мультиплексор. Чтобы сократить частоту прерываний главного процессора некоторые системы сбора данных снабжаются оперативным запоминающим устройством типа FIFO (first input — first output, первый вошел — первый вышел). Измерительный усилитель с программируемым коэффициентом усиления УПК, входящий в систему, меняет свой коэффициент усиления по команде от схемы управления. Это позволяет выровнять диапазоны аналоговых сигналов с различных входов.
Схема управления может включать оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), в которое загружается от главного процессора блок рабочих команд. Эти команды содержат сведения о том, какие операционные режимы использовать, какие из входных каналов должны быть однопроводными (несимметричными), а какие объединяться с образованием дифференциальных пар, насколько часто и в каком порядке следует производить выборку для каждого канала. Встроенный в систему сбора данных цифровой таймер определяет темп преобразования АЦП.
Характерным примером системы сбора данных является микросхема D7581 (отечественный аналог — 572ПВ4), содержащая 8-входовый аналоговый мультиплексор, 8-разрядный АЦП последовательного приближения, и запоминающее устройство FIFO с организацией 8x8 бит. Другой пример — микросхема AD1B60, включающая 8-входовый аналоговый мультиплексор, измерительный усилитель с программируемым коэффициентом усиления от 1 до 128, 16-разрядный АЦП на основе интегрирующего ПНЧ, ИОН, микропроцессор, ОЗУ режима и ПЗУ конфигурации. Одной из наиболее развитых является система сбора данных LM12458, которая содержит 8-входовый аналоговый мультиплексор, УВХ, 13-разрядный АЦП последовательного приближения, память типа FIFO с организацией 32x16 бит, ОЗУ команд и 16-битный цифровой таймер.
В 1999 году фирма Analog Devices начала производство новой разновидности однокристальных систем сбора данных под зарегистрированной торговой маркой MicroConverter™. Эти системы включают многоканальный АЦП, один или два ЦАП и микроконтроллер с флэш-памятью. Отличие их от обычных микроконтроллеров, снабженных внутренними АЦП и ЦАП, имеющими, как правило, низкие характеристики, состоит в том, что за счет приоритета, отданного при проектировании микросхемы АЦП и ЦАП, и снижения влияния цифровой части на работу аналоговых схем, разработчикам удалось добиться сочетания высоких точностных характеристик преобразователей с возможностью непосредственной обработки получаемой информации [9.8]. Первой микросхемой семейства, запущенной в серийное производство, является ADuC812. Архитектура ее представлена на Рис. 9.35.
Микросхема состоит из двух частей: цифровой и аналоговой.
Рассмотрим структуру аналоговой части. Восемь аналоговых входов соединены с мультиплексором. На выходе мультиплексора включено УВХ, фиксирующее значение аналогового сигнала на выбранном входе на время преобразования АЦП последовательного приближения. В аналоговую часть также входят 472 два 12-разрядных ЦАП с выходными буферными усилителями, ИОН на 2.5 В
и датчик температуры, позволяющий, хоти и косвенно, следить за температурой окружающей среды, например, для того, чтобы ввести компенсацию температуры холодного спая термопары, которая может быть подключена к одному из аналоговых входов.
Интерфейсом между аналоговой и цифровой частями служат регистры управления и калибровки. Цифровая часть состоит из ядра микроконтроллера, полностью совместимого по системе команд с микроконтроллерами семейства MCS-51, блока памяти и набора дополнительных периферийных устройств.
АЦП последовательного приближения может работать в режимах как единичных, так и непрерывных преобразований, с максимальной скоростью 200 кПс. Для сохранения результатов преобразований используется либо режим прерываний, либо режим прямого доступа к памяти, позволяющий сохранять результаты преобразования во внешнем ОЗУ с адресуемым пространством 16 Мбайт. Все режимы работы АЦП определяются тремя регистрами управления, находящимися во внутренней памяти микроконтроллера. Результаты преобразования считываются из двух регистров, один из которых показывает номер канала мультиплексора и 4 старших бита результата, а второй — 8 младших бит результата.
ЦАП обслуживаются одним регистром управления и четырьмя регистрами данных. Обновление информации на выходе ЦАП может происходить отдельно для каждого из них либо одновременно. Время установления не превышает 4 мкс.
Контроллер микросхемы имеет дополнительные последовательные порты, позволяющие просто организовать последовательный интерфейс RS-232 и 3-проводный последовательный интерфейс SPI.
Более поздняя модель семейства ADuC824 оптимизирована для использования в составе интеллектуальных датчиков и содержит вместо 8-канального 12-разрядного АЦП два сигма-дельта АЦП, один из которых имеет 24-разрядное, а другой 16-разрядное разрешение. Этот микроконвертор содержит один 12-разрядный прецизионный ЦАП с выходом по напряжению.
Параметры некоторых моделей систем сбора данных приведены в Табл. 9.3.
Кодеки
Современные средства обработки и передачи аналоговых сигналов, такие, как системы обработки речи, беспроводная и проводная связь должны содержать в своем составе аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, цифровые процессоры сигналов и фильтры. При современном развитии микросхемотехники естественно разместить если не все, то хотя бы часть перечисленных устройств, на одном кристалле. Устройства, в состав которых входят АЦП и ЦАП, а также схемы аналогового и цифрового интерфейса называют кодеками (кодер/декодер).
Одним из важнейших применений кодеков является телефонная связь. Любая автоматическая телефонная станция (АТС) соединяется с пользователями (абонентами) с помощью телефонных линий связи (чаще всего проводных). Исторически сложилось так, что большинство имеющегося абонентского телефонного оборудования выдает в линию аналоговый сигнал. Но по соображениям стоимости, надежности и качества сегодня нецелесообразно коммутировать внутри АТС и передавать между АТС аналоговые сигналы. Поэтому аналоговый сигнал передается только до входных клемм абонентской линии АТС, а далее он преобразуется в цифровую форму с помощью так называемого абонентского комплекта, в который входят интерфейс телефонной линии и речевой кодек-фильтр. Назначение интерфейса телефонной линии — питание, защита, подача вызывного напряжения и тестирование линии и системы. Кодек предназначен для осуществления импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) сигналов.
В число важнейших функций кодека входят:
• кодирование и декодирование, т. е. аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразование;
• понижение уровня шумов квантования;
• коррекция частотной характеристики;
• программирование коэффициентов передачи;
• интерфейс с ИКМ-линиями.
В простейшем случае кодек включает входной и выходной усилители,
полосовые фильтры, ЦАП и АЦП, схемы цифрового интерфейса и управления (Рис. 9.36).
В кодеках, предназначенных для телефонии, при аналого-цифровом преобразовании производится компандирование (сжатие/расширение динамического диапазона), позволяющее повысить качество передачи речевого сигнала 8-битным кодом. Например, кодек М5156 фирмы Mostek преобразует 8-разрядные коды в аналоговые сигналы с 13-разрядным разрешением. Большими возможностями обладают так называемые речевые процессоры (аудиопроцессоры), которые содержат дополнительно цифровые процессоры сигналов. Фирма Texas Instruments выпускает несколько моделей микросхем аудиопроцессоров, в том числе TWL1103, кодирующий аналоговый сигнал с частотой выборок 8 кГц со сжатием и способный преобразовывать 8-битный код в аналоговый сигнал с 15-битным разрешением.
