Текст книги "Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс"
Автор книги: Патрик Гёлль
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 7 страниц) [доступный отрывок для чтения: 2 страниц]
Гёлль Патрик
«Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс»
Ваш ПК: тестер, осциллограф, регистратор данных…
Введение
Любой IBM-совместимый персональный компьютер (ПК), даже несколько лет провалявшийся в глубине шкафа за ненадобностью, может превратиться в мощный измерительный комплекс, если его снабдить одним или несколькими аналоговыми входами. Его клавиатура и экран предоставляют существенно большие возможности по сравнению с теми, которые могут дать мультиметр или осциллограф, а дисковод и принтер прекрасно подходят для регистрации любых длительных процессов. Кроме того, вычислительная мощь ПК позволяет подвергать собранные с его помощью информационные данные любой, даже очень сложной обработке. Еще несколько лет назад для превращения ПК в виртуальный измерительный прибор требовалось установить в компьютер одну или несколько сложных и дорогостоящих плат.
Подобный подход до сих пор используется в промышленности и научных лабораториях, но сегодня также можно добиться достойных результатов, просто подключив небольшие аналого-цифровые преобразователи к стандартным последовательным или параллельным портам. На рынке есть готовые изделия, предлагаемые по приемлемой цене, но подобные устройства можно собрать и самостоятельно, руководствуясь схемами и рекомендациями, приведенными в данной книге.
Благодаря библиотеке драйверов, которые предназначены для описываемых устройств, эта книга и файлы, находящиеся на сервере www.dmk.ru, позволят читателю быстро перейти к практической работе, каков бы ни был его уровень знаний в области электроники.
Для всех задач, рассматриваемых здесь, приводятся программы, готовые к применению, причем можно адаптировать их так, чтобы они отвечали иным потребностям, всего лишь изменив несколько строк на языке BASIC. Таким образом, что очень важно, виртуальный измерительный комплекс является перепрограммируемым.
Сегодня принято называть «виртуальными» все хотя бы в некоторой степени нестандартные приложения для персональных компьютеров. Много полезных вещей можно просто моделировать на хорошем цветном экране с высоким разрешением, и результат зачастую будет выглядеть «лучше, чем есть на самом деле».
Итак, на экране виртуального измерительного прибора наверняка будет представлена сложная, насыщенная картинка, на которой есть и кнопки, и различные индикаторы, и шкалы, и даже осциллографические экраны. Возможности графических интерфейсов типа Windows обеспечивают гораздо более широкую область применения, чем может иметь обычный измерительный прибор, – не говоря уже о потенциальном использовании принтеров, дисковых накопителей, а также модема, подключенного к Internet.
Собственно виртуальный прибор представляет собой более или менее сложное программное обеспечение, установленное на персональный компьютер, и некое интерфейсное устройство, позволяющее ПК получить доступ к тем физическим величинам и процессам, которые он должен будет обрабатывать. Как правило, в качестве такого интерфейса выступает аналого-цифровой преобразователь с одним или несколькими входами, возможно, снабженный устройством нормирования входного сигнала.
В принципе, можно рассчитывать на то, что виртуальный прибор предоставит своему владельцу гораздо более широкие возможности, причем по цене будет сравним с классическим измерительным прибором, имеющим тот же уровень технических характеристик.
Такой подход позволяет ограничиться минимальными затратами, если требования к измерительному комплексу не очень жесткие. Подобное решение идеально соответствует нуждам радиолюбителей, преподавателей и даже некоторых научно-исследовательских лабораторий, которые имеют дело с относительно медленными физическими процессами. Кроме того, это дает возможность вернуть к активной и полезной работе самые старые из IBM-совместимых ПК, которые, казалось бы, обречены на то, чтобы тихо пылиться в глубинах шкафов и кладовок благодаря умопомрачительной эволюции вычислительной техники (и политике компаний-производителей ПК и программного обеспечения).
1. КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ ВИРТУАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА
Ниже приведена концепция построения виртуального измерительного комплекса на базе персонального компьютера и рассмотрены задачи, решаемые при помощи составных частей этого комплекса.
РОЛЬ КОМПЬЮТЕРА
Компьютер (чаще всего IBM-совместимый, настольный или портативный) как центральный орган любой виртуальной измерительной системы выполняет прежде всего функции интерфейса «человек – объект измерения». Экран любого монитора дает гораздо больше возможностей для индикации, чем экран осциллографа (будь тот даже запоминающим), и, разумеется, экран монитора гораздо больше, чем дисплей мультиметра. Клавиатура и особенно мышь гораздо удобнее в работе, чем кнопки, а принтер – даже простейший – предоставляет неоценимые возможности для вывода результатов на бумагу. Кроме того, любой ПК, пусть даже очень «древний», обладает большой вычислительной мощностью, которую можно использовать для того, чтобы применить различные виды обработки результатов измерений: нормирование (приведение шкалы), линеаризацию, временную привязку, вычисление среднего, статистику и т. д. Наконец, дисковый накопитель будет очень удобен для накопления больших объемов данных с целью их последующей обработки, архивирования или передачи по линиям связи с помощью модема.
РОЛЬ ИНТЕРФЕЙСНЫХ УСТРОЙСТВ
Измерение физических параметров, таких как напряжение, ток, температура или давление, предполагает точную оценку аналоговых величин. Компьютер же работает исключительно с дискретными величинами. Отсюда ясно, что процесс превращения ПК в виртуальный измерительный прибор предполагает подключение аналого-цифрового преобразователя (АЦП). АЦП может общаться с компьютером либо через последовательный или параллельный порты, либо непосредственно через шины, если аналого-цифровой преобразователь выполнен в виде платы расширения или карты PCMCIA.
Первый вариант гарантирует максимальную простоту и дешевизну, а при использовании второго можно получить отличные характеристики, но только за счет сложности и высокой цены. Интерфейсное устройство также может выполнять и другие необходимые функции, например, гальваническую развязку источников сигналов от цепей ПК, согласование сигналов, формируемых некоторыми типами датчиков, по импедансу, напряжению, полярности и т. д., а также коммутацию нескольких входных каналов.
РОЛЬ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Область применения виртуального прибора практически полностью определяется характеристиками программного обеспечения, в то время как характеристики интерфейсных устройств в большинстве случаев вполне понятны пользователю.
Промышленные изделия подобного рода почти всегда используются при работе с более или менее развитым графическим интерфейсом (кстати, не всегда под Windows), позволяющим выбрать тот или иной режим с помощью клавиатуры или мыши через различные меню (рис. 1.1).
Рис 1.1. Пример экранных меню виртуального измерительного прибора
Как будет показано в дальнейшем, очень удобно создавать маленькие программы, специально предназначенные для выполнения той или иной практической задачи. Часто они пишутся на таком популярном и простом языке, как BASIC. Небольшое структурирование этих программ позволит применять и промышленные интерфейсные устройства, и устройства, самостоятельно собранные из отдельных элементов, путем простой переустановки соответствующего драйвера. Ниже будет проведено сравнение обоих вариантов, благодаря чему читатели смогут выбрать решение, наиболее соответствующее их личным потребностям, техническим и финансовым возможностям, и, наконец, талантам в области программирования.
Помимо выполнения программ сбора данных, пользователь виртуального измерительного прибора сможет часто экспортировать результаты измерений в более развитые приложения, например, электронные таблицы или программы построения диаграмм. Эти офисные приложения делают понятными самые абстрактные записи или массивы данных, выделяя в них незаметные на первый взгляд тенденции или взаимные связи. И, конечно, файлы цифровых данных, полученные при записи измеряемых физических параметров, могут передаваться по линиям связи с использованием модема, в частности, по электронной почте и через Internet.
ТОЧНОСТЬ И БЫСТРОДЕЙСТВИЕ
При сравнении между реальными и виртуальными приборами, помимо предоставляемых возможностей и режимов работы, надо также принимать во внимание и их основные характеристики, а именно точность и быстродействие.
Точность виртуального прибора определяется не только количеством цифр после запятой, которое выводится на экран управляющей программой. Кстати, эти цифры могут быть ошибочными, если не приняты некоторые меры метрологического характера.
Одним из основных критериев является разрядность аналого-цифрового преобразователя. Этот параметр определяет степень разрешения при измерениях, то есть ту наименьшую разницу между двумя соседними значениями, которую «чувствует» измерительный прибор. К примеру, восьмиразрядный АЦП способен формировать 28, или 256 различных значений выходного сигнала (кода). Если его полная шкала составляет 5 В, он сможет различить два уровня входного напряжения, отличающиеся примерно на 20 мВ; это соответствует чувствительности хорошего стрелочного гальванометра
Дешевые виртуальные приборы чаще всего ограничены по скорости измерений (от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч отчетов в секунду). Это более чем достаточно, например, для регистрации кривых заряда или разряда аккумуляторов, а также для замеров метеорологических параметров. Однако этого не всегда достаточно для правильного отображения формы звукового сигнала на экране виртуального осциллографа или для выполнения серьезного спектрального анализа.
Пользователь подобных приборов всегда должен четко представлять возможности своего оборудования и программного обеспечения (ПО) и учитывать их, прежде чем делать поспешные выводы из полученных результатов.
2. АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ
Существует множество способов для преобразования аналогового сигнала – электрического напряжения или тока, изменяющегося плавно и непрерывно – в поток цифровых данных, представляющий собой дискретную кодированную последовательность импульсов. На практике чаще всего используется аналого-цифровое преобразование с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).
В этом случае процесс начинается с представления непрерывного сигнала в виде последовательности отсчетов, которые берутся через определенный промежуток времени (иначе говоря, с определенной частотой дискретизации). Эту функцию выполняет схема, называемая устройством выборки-хранения. Запоминая мгновенное значение входного сигнала (чаще всего на конденсаторе), это устройство обеспечивает сохранение величины взятого отсчета на время процесса оцифровки. Процесс оцифровки состоит в представлении амплитуды каждого отсчета в форме двоичного кодового слова с определенным количеством разрядов. Способ, используемый для выполнения такой оцифровки, и определяет возможности, сложность и цену аналого-цифрового преобразователя.
В семидесятых годах первые АЦП представляли собой большие печатные платы или, в лучшем случае, большие гибридные модули, которые обычно очень дорого стоили. Полупроводниковые интегральные микросхемы АЦП, пришедшие им на смену, тоже поначалу были довольно дороги, причем выпускались они в неудобных корпусах с большим количеством выводов. Даже теперь это остается актуальным, но только для некоторых типов АЦП с очень высокими характеристиками (разрешение, быстродействие, число входов); гораздо более простые и дешевые модели появились лишь несколько лет назад.
НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ АЦП
Необходимость встраивать высококачественные аналого-цифровые преобразователи в изделия и товары широкого потребления (электробытовые приборы, автомобили, средства телекоммуникации и т. п.), которые всё в большей степени основываются на цифровых технологиях, заставила изготовителей полупроводниковых элементов применить новые подходы к решению проблемы.
В настоящее время за цену менее двадцати долларов можно купить АЦП в корпусе с восемью выводами, причем возможности этих преобразователей могут быть оценены довольно высоко. Их используют, в частности, для работы с самыми современными компонентами – RISC-микроконтроллерами и цифровыми сигнальными процессорами (ЦСП).
Главная особенность таких АЦП состоит в организации управления по одно– или двухпроводной последовательной шине (SPI, Microwire, PC и т. п.), а не через параллельный интерфейс, требующий наличия одного вывода микросхемы на каждый разряд шины управления. Конечно, такой способ передачи битов данных – один за другим по одному проводу – ограничивает скорость обмена информацией, хотя и здесь можно достичь скорости передачи данных порядка 1 Мбит/сек. На практике, с учетом свойств и возможностей схем дискретизации и квантования, не стоит рассчитывать на преодоление барьера в несколько десятков тысяч измерений в секунду, что в среднем соответствует частоте дискретизации 20 кГц.
Таким образом, эти электронные компоненты не стоит сравнивать со сверхскоростными АЦП типа «flash» или «videos», но они, тем не менее, относятся к классу быстродействующих АЦП. Поэтому при разрядности от 8 до 12 бит они прекрасно подходят для решения большинства задач в области создания виртуальных измерительных приборов.
На рис. 2.1 приведена структурная схема стандартных последовательных АЦП, выполненных в корпусах с восемью выводами.
Рис 2.1. Структурная схема последовательного АЦП
Логическое управляющее устройство со встроенным тактовым генератором управляет работой схемы преобразования, функционирующей по принципу последовательного приближения. Этот принцип состоит в постепенном пошаговом накоплении в промежуточном регистре данных двоичного кодового слова, соответствующего соотношению входного аналогового напряжения (разности между уровнями напряжения на дифференциальных входах ANALOG+IN и ANALOG-IN) и опорного напряжения (разности между уровнями напряжения на дифференциальных входах REF+ и REF-).
Цикл преобразования начинается с фиксации уровня входного аналогового напряжения в устройстве выборки-хранения, а затем преобразователь начинает формировать содержимое регистра. Процесс накопления кодового слова занимает некоторое время, называемое временем преобразования.
На практике как минимум один из выводов ANALOG-IN или REF– технологически соединен с общим проводом (GND), вследствие чего лишь некоторые модели последовательных АЦП могут работать по схеме с дифференциальным входом.
По окончании процесса преобразования селектор данных, расположенный перед выходным каскадом, начинает последовательно выбирать биты информации, содержащиеся в регистре данных, и затем также последовательно подает их на выход DATA OUT. Частота выборки и формирования выходных импульсов определяется внешним тактовым сигналом I/O CLOCK.
Для правильного функционирования АЦП необходимо наличие некоторой внешней управляющей системы, которая должна формировать последовательности синхронизирующих сигналов.
В большинстве случаев аналого-цифровое преобразование начинается в момент подачи соответствующего сигнала на вывод /CS (выбор кристалла). Само по себе преобразование выполняется за несколько десятков микросекунд. После этого необходимо подать нужное количество тактовых импульсов на вывод I/O CLOCK, чтобы вывести результат преобразования через вывод DATA OUT. Хотя величина тактовой частоты вывода данных для некоторых моделей имеет ограничение снизу (например, 100 кГц), она все-таки намного ниже, чем внутренняя тактовая частота преобразования. В большинстве случаев скорость последовательного вывода информации зависит только от скорости, с которой управляющая система может обрабатывать поступающие биты данных.
Работа схемы АЦП последовательного приближения (рис. 2.2) заслуживает более подробного описания, так как именно благодаря ей появился этот тип компонентов.
Рис 2.2. Функциональная схема АЦП последовательного приближения с коммутируемой матрицей конденсаторов
Основой функциональной схемы является коммутируемая матрица конденсаторов. Значение каждого бита данных определяется пороговым детектором в зависимости от величины заряда каждого из весовых конденсаторов, составляющих матрицу АЦП. Рис. 2.2 соответствует десятиразрядному АЦП. По рисунку видно, что число конденсаторов, содержащихся в матрице, должно быть на единицу больше, чем число разрядов. Относительный вес каждой цепи матрицы конденсаторов определяется в соответствии с последовательностью степеней числа два, т. е. от 1 до 512 для десятиразрядного АЦП.
В начале цикла преобразования логическое управляющее устройство замыкает все ключи ST и Sc, вследствие чего все конденсаторы одновременно заряжаются до уровня входного напряжения Vi(режим выборки). Затем все ключи размыкаются (режим хранения), и пороговый детектор начинает формировать биты данных, сравнивая напряжение REF– с напряжениями на каждом из конденсаторов матрицы.
Первым обрабатывается напряжение на конденсаторе, установленном в цепи матрицы с максимальным весом (в данном случае – вес 512). Для этого узел 512 подключается к источнику напряжения REF+, а все остальные узлы подключаются к REF-. Если напряжение в суммирующей точке больше порога срабатывания детектора, примерно равного VCC/2, то бит данных устанавливается в нулевое состояние, а узел 512 подключается к источнику напряжения REF-. В противном случае, если напряжение в суммирующей точке меньше порога, бит данных устанавливается в единичное состояние, а узел 512 подключается к источнику REF+ до завершения процесса преобразования. Та же последовательность операций повторяется для цепи с весом 256, потом с весом 128 – и так до тех пор, пока не будет определено значение каждого разряда регистр» данных.
Следует помнить, что n-разрядный АЦП может сформировать лишь 2n различных двоичных кодовых слов (256 для 8 разрядов, 1024 для 10 разрядов, 4096 для 12 разрядов и т. д.). Разница между двумя соседними кодовыми словами соответствует аналоговому весу младшего значащего разряда (МЗР, или LSB в иностранной литературе). Изменение входного напряжения на величину, меньшую по сравнению с этой разницей, может быть не отражено в выходных данных. Некоторые преобразователи, кроме того, вносят дополнительную погрешность и формируют результат с точностью до одного или даже до двух МЗР. Такая дискретность результатов преобразования является следствием характерной для АЦП передаточной характеристики в виде «ступеньки» (рис. 2.3 (а)).
Совершенно очевидно, что в этом случае, так же как при любом другом процессе аналого-цифрового преобразования, полученный результат содержит некоторую ошибку, называемую ошибкой квантования. Причины ее возникновения поясняются в графике, приведенном на рис. 2.3 (б).
Ошибка квантования возникает в результате замены истинной величины отсчета входного сигнала ее дискретным эквивалентом в виде выходного кода и определяется как разность между графиками ступенчатой передаточной характеристики и идеальной прямой. Максимальная величина ошибки для передаточной характеристики, приведенной на рис. 2.3 (а), равна половине величины шага квантования (половине аналогового веса МЗР).
Рис. 2.3. Передаточная характеристике АЦП и таблица кодов преобразования
Важно учитывать эту особенность, которая, если взять для примера 8-разрядный АЦП с полной шкалой 5 В, проявляется в неизбежной погрешности преобразования величиной до 20 мВ. И хотя эта величина составляет лишь 0,4 %, ее следует принимать во внимание.
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 преобразователя TLC 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 = 6·10-6[1]1
В иностранной литературе часто встречается обозначение точности в единицах ppm (частей на миллион), что соответствует множителю 10-6.
[Закрыть], соответственно) предполагает особую аккуратность в вопросах, касающихся высочайшей точности и калибровки всей измерительной цепи – от датчиков до устройств индикации и печати. В любом случае это предполагает большие затраты, что немаловажно.
Для того чтобы оценить ситуацию, следует принять во внимание, что по ширине листа формата А4 даже при разрешении 600 dpi лазерный принтер сможет разместить только 7000 отдельных точек, а хороший графический экран с трудом вмещает 800 точек по вертикали. Следовательно, нельзя и помышлять о том, чтобы с помощью этих устройств графически точно воспроизводить результаты измерений, сделанных шестнадцатиразрядными приборами, в десятки и сотни раз более точными. Исключение составляют случаи вывода особых участков с большим увеличением. В связи с этим в намерения автора не входило рассматривать в данной книге практические конструкции АЦП с разрядностью, большей 12, которые к тому же крайне редко выпускаются в корпусах с восемью выводами и снабжены последовательным интерфейсом.
Основное внимание в дальнейшем будет обращено на то, как добиться удачных результатов (зачастую самыми простыми способами), используя 8– или 10-разрядные АЦП; для самых взыскательных читателей приводятся и сведения о 12-разрядных аналого-цифровых преобразователях.
