Wejścia obiektowe analogowe

1. Wejścia obiektowe analogowe

2. Wejścia analogowe 1/32 Rodzaje i parametry wejść analogowych Metody obsługi przetworników A/C Przykładowe rozwiązania Układy próbkująco-pamiętające Przetwarzanie wielokanałowe Izolacja galwaniczna we/wy analogowych

3. Przetwarzanie A/C: • jednokanałowe; • wielokanałowe. Wejścia analogowe - rodzaje 2/32 • Spotykane zasady konwersji: • kompensacyjne (szybkie 2..25μs, 8..12b); • integracyjne (podwójne, poczwórne całkowanie, ok. 30 konwersji na sek., 14..16b, odporne na zakłócenia); • o bezpośrednim porównaniu, tzw. flash (b.szybkie); • sigma-delta (16 i więcej bitów); • częstotliwościowe (U/f); • licznikowe.

4. Czynniki wpływające na konstrukcję modułu przetwarzania A/C: - rodzaj sygnału wejściowego (U/I); - zakres zmienności (przedział wartości); - charakter sygnału wejściowego (szybkość zmian, widmo, czy po wstępnej filtracji, poziom zakłóceń); - wymagana jakość konwersji (rozdzielczość, liniowość); - wymagany czas konwersji; - wymagany kod reprezentacji liczb; - odległość od źródła sygnału analogowego; - stabilność źródła zasilania i jego wpływ na przetwornik; - warunki klimatyczne (temperaturowe) pracy układu. Wejścia analogowe - parametry 3/32

5. start konwersji start konwersji odczyt stanu N konieckonwersji? generacjaopóźnienia T odczyt wyniku odczyt wyniku Metody obsługi przetworników A/C przez P Wejścia analogowe - obsługa 4/32

6. start konwersji start konwersji HALT c.d. programu tła przerwanie przerwanie odczyt wynikuw procedurzeobsługi przerwania odczyt wynikuw procedurzeobsługi przerwania Metody obsługi przetworników A/C przez P - c.d. Wejścia analogowe - obsługa 5/32

7. programowyprzetwornikkompensacyjny start konwersji odczyt wyniku Metody obsługi przetworników A/C przez P - c.d. Wejścia analogowe - obsługa 6/32

8. Przetworniki kompensacyjne bardzo często stosowane ze względu na: prostą budowę, znaczną szybkość działania i umiarkowany koszt rodzina ADC080x - proste i tanie, 8b, pojedyncze UZAS=5V, 75μs - czas konwersji, ICC=3.5mA, przystosowane do współpracy z mikroprocesorami reprezentanci: ADC0801, ADC0802, ADC0803, ADC0804, ADC0805 błąd względny: ¼LSB (01), ½LSB (02/03) i 1LSB (04/05) Wejścia analogowe - przykłady 7/32 pracasamobieżna

9. Wejścia analogowe - przykłady 8/32 praca sterowana przez mikroprocesor:

10. Wejścia analogowe - przykłady 9/32 Przykładowe przetworniki: AD7574 8-bitowy, współpraca z mikroprocesorem, UZAS 5V, ICC=5mA, czas konwersji 15μs, błąd względny 0.75LSB AD573 10-bitowy, współpraca z mikroprocesorem, 2 napięcia zasilania, ICC=25mA czas konwersji 15 μs, błąd względny 1LSB, 3-stanowy bufor danych z podziałem na 8+2 bity, możliwość pracy samobieżnej (zwarcie /DR z /DE). AD574A 12-bitowy, współpraca z mikroprocesorem, 3 napięcia zasilające, ICC=5/30/40mA,czas konwersji 24μs - 8b 36μs - 12b, błąd względny 1LSB, przełączany rodzaj konwersji, 3-stanowy bufor danych z podziałem na 8+4 bity albo 12 bitów, możliwość zmiany, przesuwania zakresu napięć wejściowych przy użyciu zewnętrznych oporników, regulacja zera.

11. Un Ux 2,5V 1 1 0 0 1 1 0 0 t Wejścia analogowe - przykłady 10/32 Programowy przetwornik kompensacyjny

12. zerowanie bajtu wyniku W:=0 zainicjowanie bajtu testującego B:=10000000b W:=W or B W  portCA ewentualne opóźnienie odczyt wyjścia komparatora N Ux > Un ? T W:=W xor B SRL(B) N B = 0 ? T W = wynik Wejścia analogowe - przykłady 11/32 algorytm pracy

13. Wejścia analogowe - przykłady 12/32 • Przykładowa implementacja • adkon: push bc • ld bc,8000h • adkon1:ld a,c • add a,b • ld c,a • out (portca),a • call delay ;opcja • in a,(portkomp) • rra • jr nc,malo • ld a,c • sub b • ld c,a • malo: rr b • jr nc,adkon1 • ld a,c • pop bc • ret

14. Wejścia analogowe - przykłady 13/32 Przetworniki flash przykładowa struktura 1-stopniowego przetwornika flash Przykładowe układy: Analog Devices: AD5010KD - 6b, 10ns, ¼LSB AD6020KD - 6b, 20ns, ¼LSB TRW: TDC1014J - 6b, 33ns, ¼LSB TDC1007J - 8b, 33ns, ¼LSB

15. Wejścia analogowe - przykłady 14/32 Przetworniki sigma-delta przetwornik 1-rzędu

16. Wejścia analogowe - przykłady 15/32 przebiegi czasowe: Przykładowe układy: AD1877, AD7721 – 16b, 2-kan. (stereo), o 2·fS< 44kHz AD280 – 18b, 4-kan., o programowanej częstotliwości próbkowania 5Hz..1kHz

17. Wejścia analogowe - przykłady 16/32 Przetworniki integracyjne dokładne, o niedużej częstotliwości pracy, filtrujące przebieg wejściowy w trakcie konwersji (tłumienie zakłóceń okresowych, ich uśrednianie), pozwalają uzyskać duże dokładności i rozdzielczości, stosowane podwójne i poczwórne całkowanie

18. Wejścia analogowe - przykłady 17/32 Przetworniki częstotliwościowe - umożliwiają eliminację zakłóceń okresowych; - można uzyskać duże rozdzielczości. Stosowane gdy: - występuje duża dynamika sygnałów wejściowych; - dopuszcza się duży czas konwersji; - sygnały są przesyłane w postaci zmodulowanej U/f. Przykłady 9400 (Teledyne Semicon.) - zakr. 10Hz..100kHz AD537 (Analog Devices) - zakr. 0Hz..150kHz

19. Wejścia analogowe - przykłady 18/32 Przetworniki licznikowe

20. Wejścia analogowe - układy S/H 19/32 Układy próbkująco-pamiętające Wpływ zmienności sygnału wejściowego na jakość konwersji przetworników: u(t) = E sin ωt ω = 2πf u'(t) = E ω cos ωt |u'|=max dla ωt=kπ |Δu / Δt|max = 2πfE Δu = 2πfEΔt zał: n-bitowy przetwornik A/C, waga LSB = 2E/2n aby dokładność przetwarzania < ½LSB musi zachodzić: Δu = 2πfEΔt < E/2n 2πfΔt < 1/2n f < 1/(2πΔt2n) przykładowo: n=8 Δt=16μs f < 38.8Hz n=10 Δt=20μs f < 7.8Hz n=12 Δt=24μs f < 1.6Hz wynika stąd konieczność stosowania odpowiednich obwodów wejściowych.

21. Wejścia analogowe - układy S/H 20/32 działanie układu S/H

22. Wejścia analogowe - układy S/H 21/32 Typowe parametry układu S/H: - czas akwizycji - czas od przełączenia H->S do osiągnięcia UWE: 0.3÷1.5μs - spadek napięcia na kondensatorze pamiętającym w trybie H: 1÷50nV/μs - czas apertury (opóźnienia) przy przełączaniu S->H (ta): 5÷50ns - czas przełączania S->H (tu): 0.1÷1.5 μs - rezystancja wejściowa: 1÷1000MΩ - wzmocnienie K=±1

23. sterowanie układem S/H odczyt wyniku start konwersji S/H S/H S/H A/C A/C A/C bufor bufor bufor Wejścia analogowe - wielokanałowe 22/32 Przetwarzanie wielokanałowe 1. zwielokrotnione układy S/H, A/C i bufory

24. A/C start konwersji sterowanie układami S/H bufor S/H S/H S/H M P X A odczyt wyniku wybór kanału Wejścia analogowe - wielokanałowe 23/32 2. zwielokrotnione układy S/H, pojedyncze: MPXA, A/C i bufor

25. S/H A/C sterowanie układem S/H start konwersji bufor M P X A odczyt wyniku wybór kanału Wejścia analogowe - wielokanałowe 24/32 3. pojedyncze: MPXA, S/H, A/C i bufor

26. Wejścia analogowe - wielokanałowe 25/32 praca układu S/H

27. M P X A S/H A/C SRAM D A N E A D R E S Y sterowanieukł. S/H start konwersji zapisodczyt S T EROWANIA wybór kanału lokalne sterowanieautonomiczne MPX odczyt pamięci Wejścia analogowe - wielokanałowe 26/32 4. układ z pamięcią buforującą pomiary

28. Wejścia analogowe - wielokanałowe 27/32 Multipleksery analogowe 1. zintegrowane z przetwornikiem

29. Wejścia analogowe - wielokanałowe 28/32 2. klucze analogowe jako autonomiczne układy z własnymi dekoderami; - w formie układów monolitycznych: np. AD7501/7503 - 8-kanałowe, dwukierunkowe AD7502 - 4-kanałowy, dwukierunkowy, podwójny (różnicowy) AD7506 - 16-kanałowy, dwukierunkowy AD7507 - 8-kanałowy, dwukierunkowy, podwójny (różnicowy) rezystancja zwarcia kanału do 200W (8-kan.) i do 300W (16-kan.) - układy serii 4000 (rezystancja zwarcia kanału ok. 100W): 4066 - 4 klucze sterowane indywidualnie 4051 - MPXA 8-kanałowy, dwukierunkowy 4052 - dwa MPXA 4-kanałowe, dwukierunkowe 4053 - trzy MPXA 2-kanałowe, dwukierunkowe 4067 - MPXA 16-kanałowy, dwukierunkowy 4097 - dwa MPXA 8-kanałowe, dwukierunkowe

30. Wejścia analogowe - wielokanałowe 29/32 3. kontaktronowe - rezystancja zwarcia << 1W, mała częstotliwość pracy, dzwonienie styków podczas przełączania 4. z latającymi kondensatorami

31. Wejścia analogowe - izolacja galwaniczna 30/32 Izolacja galwaniczna w układach we/wy analogowych 1. Przy przesyle informacji analogowej w postaci modulowanych impulsów - izolacja jak dla sygnałów dwustanowych. 2. Przy przesyle informacji analogowej w postaci ciągłego sygnału prądowego lub napięciowego: - modulacja "wokół" łącza transoptorowego (wada: obniżenie pasma dla sygnałów zmiennych); - dobór transoptorów o bliskiej liniowej charakterystyce przenoszenia, a ewentualne nieliniowości kompensowane np. programowo (wada: powtarzalność charakterystyk ?); - optoizolacja po stronie cyfrowej przetworników A/C i C/A (wada: kosztowne rozwiązanie). 3. Stosowanie lokalnych (rozproszonych) układów pomiarowo- sterujących, komunikujących się z systemem mikroprocesorowym łączem cyfrowym.

32. Wejścia analogowe - układy rozproszone 31/32 • Zasadność ich stosowania wynika z: • kosztów okablowania rozległego systemu we/wy analogowych; • odporności na zakłócenia długich linii analogowych; • odporności na uszkodzenia długich linii analogowych; • Oprócz podstawowych funkcji (przetwarzanie A/C i C/A) mikroprocesor stacyjki kontrolno-pomiarowej może się zajmować: • organizacją transmisji po łączu cyfrowym; • kontrolą zmian wartości mierzonych sygnałów; • sygnalizacją przekroczeń wartości granicznych; • linearyzacją czujników pomiarowych; • filtracją cyfrową; • uśrednianiem wyników; • obliczeniami syntetycznych wskaźników (wartości) liczbowych; • autodiagnostyką i autokalibracją czujników.