Таймеры и процессоры событий

Опыт построения МП-систем позволяет выделить типовые задачи, которые должен уметь решать МК для эффективного управления в реальном времени:

• отсчет равных интервалов времени заданной длительности, повтор алгоритма управления по истечении каждого такого временного интервала; обычно эту функцию назы­вают формированием меток реального времени.

• контроль за изменением состояния линии ввода МК;

• измерение длительности сигнала заданного логического уровня на линии ввода МК;

• подсчет числа импульсов внешнего сигнала на заданном временном интервале;

• формирование на линии вывода МК сигнала заданного логического уровня с программируемой задержкой по отношению к изменению сигнала на линии ввода;

• формирование на линии вывода МК импульсного сигнала с программируемой часто­
той и программируемым коэффициентом заполнения.

Каждая из перечисленных задач в отдельности может быть выполнена только про­граммными средствами, без использования специальных аппаратных решений. Так, для формирования интервала времени следует загрузить в регистр центрального процес­сора число, а затем выполнять команду декрементирования этого регистра до тех пор, пока содержимое регистра не станет равным нулю. Похожие решения можно предло­жить и для остальных перечисленных задач. Однако все эти решения будут обладать общим недостатком: невозможностью выполнения вычислений одновременно с отсче­том временного интервала. Поэтому для выполнения функций, связанных с управлени­ем в реальном времени, в состав МК включают специальные аппаратные средства, кото­рые называют таймером.

В процессе развития модули таймеров в составе 8-разрядных МК непрерывно совер­шенствовались. Рассмотрим принцип действия одного из первых модулей, который вхо­дит в состав МК 8051 АН фирмы «Intel».

Таймер представляет собой 16-разрядный счетчик со схемой управления (рис. 4.7).
8 карте памяти МК счетчик отображается двумя регистрами: ТН — старший байт счетчи­ка, TL - младший байт. Регистры доступны для чтения и для записи. Направление сче­та счетчика - только прямое, т. е. при поступлении тактовых импульсов десятичный эквивалент двоичного кода счетчика изменяется в сторону увеличения. В зависимости от программных настроек счетчик может использовать один из двух источников такти­рования:

1) импульсную последовательность с выхода управляемого делителя частоты f_BIJS;

2) внешнюю импульсную последовательность, поступающую на один из входов МК.

В первом случае говорят, что счетчик работает в режиме таймера, во втором — в режиме счетчика событий. При переполнении счетчика устанавливается триггер переполнения TF, который генерирует запрос на прерывание, если прерывания от тай­мера разрешены. После переполнения работа счетчика продолжается. Последователь­ность изменения кодов следующая: $FF, $00, $01 и т. д. Пуск и останов счетчика могут выполняться только под управлением программы посредством установки/сброса соот­ветствующего бита. Программа также может установить старший ТН и младший TL бай­ты счетчика в произвольное состояние или прочитать текущий код счетчика. Однако эти операции не следует выполнять в процессе счета, так как длительность операции чте­ния или записи может превысить длительность периода частоты тактирования счет­чика. Тогда за время чтения одного из байтов второй успеет измениться. В результате будет прочитана недостоверная информация. По этой же причине может оказаться ошибочной операция записи. Например, пользователь записывает в регистры счетчика код $0005: сначала старший байт $00, а затем младший - $05. Если текущее состояние счетчика пользо-

 

 

вателю неизвестно, то может оказаться, что на момент завершения опе­рации записи старшего байта младший равен $FF.

Тогда в процессе записи младшего байта старший, ранее записанный, успеет изме­ниться, и конечный код счетчика будет равен $0105.

Если рассмотренный таймер используется для измерения временного интервала 1_ИЗМ (рис. 4.8), то необходимо выполнить следующую последовательность действий:

1)прервать выполнение текущей программы при изменении сигнала на линии РТх1
с «О» на «1»; в подпрограмме прерывания установить регистры счетчика таймера в $0000
и разрешить счет;

2)при изменении сигнала на линии РТх1 с «1» на «О» еще раз прервать выполнение
программы МК; в подпрограмме прерывания остановить счет; код в регистрах ТН и TL будет равен длительности интервала t_w3M, выраженной числом периодов частоты такти­рования счетчика таймера.

Однако такой способ измерения годится для сигналов, длительность которых со­ставляет единицы мс и более. Моменты разрешения счета таймера t₁ и его остановки 1₂ не совпадают с моментами изменения сигнала на входе РТх1, так как пуск и останов выполняются в подпрограмме прерывания. Ошибка счета равна t₁ -t₂. Каждое из значе­ний t₁ и t₂ определяется временем перехода МК к выполнению подпрограммы прерыва­ния и временем выполнения некоторого количества инструкций, предшествующих ко­манде разрешения или останова счета таймера. Вторая величина является системати­ческой ошибкой и может быть учтена при выполнении дальнейших расчетов, в то время как первая - время перехода на подпрограмму прерывания - величина случайная, кото­рая зависит от особенностей выполнения программного обеспечения МП системы. Так, если рассматриваемых каналов измерения несколько, и изменение сигналов на входах PTxi произошло одновременно, то в первом из обслуженных по прерыванию каналов ошибка будет минимальной, а в последнем - максимальной. Эта максимальная ошибка может составить несколько десятков микросекунд, поэтому рассмотренный метод не может быть использован для изменения временных интервалов микросекундного диапа­зона. В противном случае точность измерения будет недостаточной. Наряду с задачей измерения временного интервала может возникнуть необходимость одновременного фор­мирования времяимпульсных сигналов по нескольким каналам. Тогда желательно, чтобы МК имел в своем составе несколько таймеров. Увеличение числа модулей тайме­ров, интегрированных на кристалл МК, является объективной тенденцией совершенство­вания структуры современных МК.

 

 

Рассмотренный «классический» модуль таймера наиболее часто используется в МК с архитектурой MSC-51. Однако даже в составе основателя семейства МК 8051 АН он претерпел некоторые усовершенствования:

• дополнительная логика счетного входа позволяет тактовым импульсам поступать на
вход счетчика, если уровень сигнала на одной из линий ввода равен 1; это повышает
точность измерения временного интервала, так как интервалы t, и 1₂ теперь не являют­ся составляющими погрешности измерения;

• реализован режим перезагрузки счетчика произвольным кодом в момент переполне­ния; это позволяет формировать метки реального времени с периодом, отличным от
периода полного коэффициента счета, равного 2¹⁶.

Более подробно режимы работы таймера МК 8051 АН рассмотрены в п. 4.2.6.

Главный недостаток модуля «классического» таймера — невозможность одновремен­ного обслуживания (измерения или формирования импульсного сигнала) сразу в несколь­ких каналах. Совершенствование структуры подсистемы реального времени 8-разрядных МК ведется по двум направлениям:

1)простое увеличение числа модулей таймеров; этот путь характерен для части МК
компаний «Pfilips» и «Atmel» со структурой MSC-51, для МК компаний «Mitsubishi» и
«Hitachi».

2)модификация структуры модуля таймера, при которой увеличение числа каналов
достигается не увеличением числа счетчиков, а введением дополнительных аппаратных
средств входного захвата и выходного сравнения; Такой путь характерен для 8-разряд­
ных МК «Motorola», «Microchip», «Pfilips», «Infineon», более поздних моделей семейства MCS-51 Intel.

Типовая структура усовершенствованного модуля таймера представлена на рис. 4.9 и 4.11. Счетчик таймера дополнен аппаратными средствами входного захвата и выход­ного сравнения. Эти средства принято называть каналом входного захвата 1C (Input Capture) и выходного сравнения ОС (Output Compare).

Принцип действия канала входного захвата поясняет рис. 4.9. Схема детектора собы­тия «наблюдает» за уровнем напряжения на одном их входов МК. Обычно это одна из линий порта ввода/вывода. При изменении уровня логического сигнала на входе детек­тора с «О» на «1» или наоборот вырабатывается строб записи, и текущее состояние счетчика таймера записывается в 16-разрядный регистр данных TIC канала захвата. Опи­санное действие в микропроцессорной технике называют событием захвата. Предусмот­рены три типа изменения сигнала на входе детектора, которые воспринимаются как со­бытие захвата:

1)изменение логического уровня с 0 на 1 (нарастающий фронт сигнала);

2)изменение логического уровня с 1 на 0 (падающий фронт сигнала);

3)любое изменение логического уровня сигнала.

Выбор типа события захвата устанавливается в процессе инициализации модуля тай­мера и может многократно изменяться по ходу выполнения программы. Каждое событие захвата отмечается установкой в «1» триггера TFIC. Состояние триггера может быть счи­тано программно, а если прерывания по событию захвата разрешены, то генерируется запрос на прерывание.

Временные диаграммы рис. 4.10 поясняют процесс изменения временного интерва­ла с использованием режима входного захвата. Первоначально детектор события ини­циализируется на контроль за нарастающим фронтом сигнала на линии РТх1. При изме­нении уровня сигнала с «О» на «1» код счетчика К, копируется в регистр канала захвата TIC. Триггер TFIC устанавливается в «1», одновременно формируется запрос на преры­вание: таймер «сообщает» МК о том, что измеряемый интервал начался. С задержкой времени t по отношению к моменту появления запроса на прерывание МК считывает код К, из регистра TIC, сбрасывает триггер TFIC и инициализирует детектор события на кон­троль за падающим фронтом сигнала РТх1. При изменении уровня сигнала с «1» на «О» детектор снова фиксирует событие захвата, и код счетчика К₂ копируется в регистр TIC. Снова выставляется запрос на прерывание, с задержкой t₂ этот код считывается в па­мять МК. Разность кодов К₂ - К, и есть длительность измеряемого временного интерва­ла, выраженная в числе периодов частоты тактирования счетчика таймера. Максималь­ная ошибка измерения равна двум периодам частоты тактирования, так как погрешность детектора событий не может превышать единицы квантования таймера. Время перехода к подпрограммам прерывания t, или 1₂ не оказывает влияния на точность измерения, так как копирование текущего состояния счетчика осуществляется аппаратными, а не про­граммными cредс-

твами.

Однако время перехода на подпрограмму прерывания (t,) накладывает ограничение на длительность измеряемого интервала т_изм, так как обсуждае­мый метод реализуем при условии, что второе событие захвата произойдет позже, чем код К, будет считан в память МК.

Структура аппаратных средств канала выходного сравнения представлена на рис. 4.11. Многоразрядный цифровой компаратор непрерывно сравнивает изменяющийся во вре­мени код счетчика таймера с кодом, который записан в 16-разрядном регистре ТОС ка­нала сравнения. В момент равенства кодов на одном из выводов МК (РТх2 на рис. 4.11) устанавливается заданный уровень логического сигнала. Рассмотренное действие на­зывают событием выходного сравнения. Предусмотрены три типа изменения сигнала на выходе РТх2 в момент события выходного сравнения:

1)инвертирование сигнала на выходе;

2)установка низкого логического уровня;

3)установка высокого уровня.

При наступлении события захвата устанавливается в «1» триггер ТРОС. Аналогично пре­дыдущему случаю состояние триггера может быть считано программно, а если прерывания по событию выходного сравнения разрешены, то генерируется запрос на прерывание.

Временные диаграммы рис. 4.12 иллюстрируют способ формирования временного интервала предварительно рассчитанной длительности t_x с использованием аппаратных средств канала выходного захвата. Первое событие сравнения в момент t, формирует нарастающий фронт сигнала РТх2. Одновременно генерируется запрос на прерывание МК, и в подпрограмме прерывания происходит загрузка нового кода сравнения К₂. Вре­мя, необходимое для записи нового значения в регистр канала сравнения ТОС, ограни­чивает минимальную длительность формируемого временного интервала. В момент t, наступает второе событие сравнения, и выход РТх2 устанавливается в «0». Таким обра­зом, длительность сформированного временного интервала t_x определяется только раз­ностью кодов и не зависит от особенностей программного обеспечения МК.

В рассмотренных примерах каждому событию модуля таймера (изменению уровня логического сигнала на входе или выходе МК) ставится в соответствие код счетчика, т. е. счетчик используется для создания непрерывно изменяющихся меток текущего време­ни. В отличие от «классического» таймера, где счетчик используется непосредственно для формирования кода из­меряемого временного ин­тервала, в усовершенство­ванном таймере счетчик лишь создает образ време­ни, подобно часам. А все действия по формированию или измерению временных интервалов производят ап­паратные средства сравне­ния/захвата. Поэтому счет­чик в составе модуля усовер­шенствованного таймера на­зывают счетчиком времен­ной базы, или просто «вре­менной базой». Эта же тер­минология сохранится и да­лее в модулях процессоров событий.

Если говорить о модификациях модуля усовершенствованного таймера в 8-разрядных МК различных фирм, то необходимо отметить следующие особенности.

• Число каналов входного сравнения и выходного захвата (1C и ОС), которые реализованы в модуле усовершенствованного таймера МК, может быть различно. Так, в МК се­мейства НС05 Motorola типовыми решениями являются модули 2IC+2OC или 11C+1OC, и модуль таймера в составе МК всегда только один. МК семейства НС11 Motorola име­ют в своем составе модуль таймера с конфигурацией 4IC+5OC. МК PIC16 Microchip содержат до трех модулей таймеров, но обязательно со структурой 1IC или ЮС (обо­значается IC/OC).

• В ряде модулей каналы могут быть произвольно настроены на функцию входного захвата (1C) или выходного сравнения (ОС) посредством инициализации.

• Счетчик модуля усовершенствованного таймера может не иметь функции программного
останова, т. е. он будет считать всегда. Поскольку в этом случае состояние счетчика
нельзя синхронизировать с каким-либо моментом работы МП системы, то такой счетчик
характеризуют как свободно считающий (free counter).

• Часто счетчик таймера не имеет опции тактирования внешним сигналом, т. е. не может
работать в режиме счетчика событий.

.

Аппаратные средства усовершенствованного таймера позволяют решить многие задачи управления в реальном времени. Однако процесс совершенствования алгоритмов управления предъявляет все новые требования к структуре МК. И, как следствие, все более отчетливо проявляются ограничения модулей усовершенствованного таймера:

• недостаточное число каналов сравнения и захвата, принадлежащих одному счетчику временной базы; в результате невозможно сформировать синхронизированные меж­ду собой многоканальные импульсные последовательности;

• однозначно определенная конфигурация каналов (или захват или сравнение) часто не удовлетворяет пользователя;

• с использованием средств выходного сравнения возможно формирование сигнала по способу широтно-импульсной модуляции (ШИМ), однако несущая частота ШИМ сигна­ла тем меньше, чем больше вычислений требуется выполнять при реализации алго­ритма управления и чем больше число ШИМ каналов требуется реализовать.

 

 

 

Следующий этап в развитии модулей подсистемы реального времени - модули процессоров событий. Впервые модули процессоров событий были предложены фирмой «Intel» в составе МК 8xC51FA/FB/FC/GB, позже аналогичный модуль появился в МК с ядром MSC-51 фирмы «Pfilips». Модуль, который входит в состав перечисленных МК, носит название программируемого счетного массива РСА (Programmable Counter Array). В МК других фирм аналогичные по функциональному назначению модули обозначают САРСОМ («Infineon»), TIM08 (семейство НС08 Motorola).

 

 

 

Структурная схема процессора событий приведена на рис. 4.13. Модуль процессора событий содержит в себе 16-разрядный счетчик временной базы и некоторое количество универсальных каналов захвата/сравнения. Счетчик может тактироваться импульсной последовательностью с выхода программируемого делителя частоты стробирования межмодульных магистралей f_eus или внешним генератором. Счетчик имеет опции пуска/ останова и сброса в «О». В некоторых моделях процессора событий счетчик временной базы доступен для чтения «на лету». Режим чтения «на лету» предусматривает автома­тическое копирование содержимого старшего и младшего байтов счетчика в специаль­ные буферные регистры в момент выполнения операции чтения указанного в специфи­кации байта счетчика (старшего или младшего). Тогда при чтении второго байта счетчика возвращается код из соответствующего буферного регистра. Тем самым исключается ошиб­ка считывания по причине изменения состояния счетчика временной базы за время чтения. Наиболее совершенные модели процессора событий 8-разрядных МК допускают из­менение коэффициента счета счетчика временной базы или, что то же самое, изменение периода его работы. Для этого в составе модуля имеется двухбайтовый программно дос­тупный регистр периода и многоразрядный цифровой компаратор (не путать с каналом захвата). При совпадении текущего кода счетчика временной базы с кодом периода тригге­ры счетчика временной базы автоматически сбрасываются в «0».

 

 

Универсальные каналы захвата/сравнения в процессоре событий полностью идентичны друг другу и в зависимости от программных настроек могут работать в одном из трех режимов:

1)режим входного захвата;

2)режим выходного сравнения;

3)режим широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Первые два режима по принципу действия ничем не отличаются от аналогичных режи­мов модуля усовершенствованного таймера. Программно-логическая модель каждого ка­нала включает двухбайтовый регистр данных канала и триггер события. В зависимости от выбранного режима регистр данных канала используется аппаратными средствами для за­писи кода временной базы в момент наступления входного захвата или для хранения кода выходного сравнения. Триггер устанавливается при наступлении любого из этих событий. При работе канала в режиме выходного сравнения могут возникать нарушения алгоритма работы, приводящие к неправильному формированию сигнала на выходе PTxi модуля. При­чиной таких сбоев является изменение под управлением программы величины кода сравне­ния в процессе работы канала. Наиболее совершенные модели процессора событий пре­дусматривают для таких случаев специальный режим буферированного сравнения, при ко­тором: 16-разрядный регистр кода сравнения дублируется; в каждый момент времени ко входу компаратора оказывается подключенным один из регистров данных, а для записи ока­зывается доступным другой; в момент наступлении события выходного сравнения регистры автоматически меняются местами. Более подробно режим буферированного выходного срав­нения, а также режим буферированной ШИМ рассмотрен в п. 4.3.7.

 

В режиме широтно-импульсной модуляции (рис. 4.14) на выводе PTxi MK формируется последовательность импульсов с периодом, равным периоду работы счетчика временной базы. Длительность импульса (в некоторых моделях длительность паузы) прямо пропорциональна коду в регистре данных канала. Режим ШИМ чрезвычайно удобен с точки зрения программного обслуживания. Если изменение коэффициента заполнения у не требуется, то достаточно один раз занести код у в регистр данных и проинициализировать режим ШИМ, и импульсная последовательность будет воспроизводиться с требуемыми параметрами без дальнейшего вмешательства со стороны программы.

Режим ШИМ в различных моделях процессоров событий имеет существенные отли­чия. В модулях программируемого счетного массива РСА код коэффициента заполнения имеет однобайтовый формат, следовательно, дискретность регулирования коэффициента заполнения составляет 1/256 периода ШИМ-сигнала. Причем, 16-разрядный регистр дан­ных универсального канала РСА в режиме ШИМ «распадается» на два однобайтовых ре­гистра. Доступным для записи является только один из регистров. В начале каждого пери­ода ШИМ-сигнала содержимое этого регистра копируется во второй регистр, который ис­пользуется аппаратными средствами для формирования длительности импульса в теку­щем периоде. Такое буферирование позволяет избежать нарушений при формировании импульсной последовательности в случаях, когда до наступления момента равенства ко­дов регистра и счетчика происходит изменение кода коэффициента у, и новое значение у меньше текущего кода счетчика. Тогда сравнение кодов в текущем периоде ШИМ сигнала не наступит, и импульс будет пропущен. Кроме недостатка по низкой дискретности регули­рования коэффициента заполнения модуль РСА имеет ограниченный набор несущих час­тот сигнала ШИМ. Это происходит потому, что коэффициент счетчика временной базы не может быть изменен, а регулирование частоты достигается только изменением коэффи­циента деления предварительного делителя частоты. Параметры модулей процессоров событий некоторых 8-разрядных МК приведены в табл. 4.2.

В модулях TIM08 МК семейства НС08 фирмы «Motorola» рассмотренные недостатки устранены. Код коэффициента заполнения имеет двухбайтовый формат и, следовательно, дискретность регулирования составляет 1/2¹⁶ периода ШИМ-сигнала. Одновременно пе­риод широтно-модулированной импульсной последовательности может регулироваться в широких пределах, поскольку счетчик временной базы допускает изменение коэффи­циента счета. Подробно модуль процессора событий TIM08 рассмотрен в п. 4.3.7.

Модули «классических» таймеров и таймеров со схемами захвата/сравнения - доста­точно сложные устройства. Их функциональная гибкость в простейших системах управле­ния часто оказывается избыточной. Поэтому в некоторых маловыводных МК, выполненных в корпусах с 16 и 20 выводами, с целью снижения стоимости ИС реализуются упрощенные таймеры. Таймеры содержат постоянно считающий 8-разрядный счетчик с триггером пере­полнения и программируемый делитель частоты. Такие таймеры могут формировать лишь метки реального времени с периодом следования, который определяется набором коэффи­циентов деления программируемого делителя частоты. Упрощенные модули таймера име­ются в составе МК MC68HC705KJ1 фирмы «Motorola» и Р1С16С5хх фирмы «Microchip». Однако среди последних разработок наблюдается тенденция к функциональному усложне­нию модуля таймера даже в очень простых МК. Так, модуль процессора событий с неболь­шим числом каналов имеется в составе всех маловыводных МК семейства НС08 фирмы «Motorola» (серии JUJK, КХ/КТ).

Тенденция увеличения числа таймеров-счетчиков, интегрированных на кристалл МК, на­шла свое продолжение и для модулей процессоров событий. Так, во многих современных 8-разрядных МК совершенствование подсистемы реального времени идет не просто по пути увеличения числа каналов процессора событий. Растет число модулей процессоров собы­тий, предоставляя разработчику возможность использования нескольких «временных баз», что позволяет обрабатывать и формировать сигналы разного временного масштаба. Кро­ме того, в состав МК вводятся упрощенные модули таймеров, способные «разгрузить» про­цессор событий от выполнения простейших функций.000000

4.1.7. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ И ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Отличительная особенность многих современных 8-разрядных МК— интегрирован­ный на кристалл МК модуль многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Модуль АЦП предназначен для ввода в МК аналоговых сигналов с датчиков физических величин и преобразования этих сигналов в двоичный код с целью последующей про­граммной обработки. Структурная схема типового модуля АЦП представлена на рис. 4.15.

 

Многоканальный аналоговый коммутатор служит для подключения одного из источников аналоговых сигналов (РТхО - РТх7) ко входу АЦП. Выбор источника сигнала для изме­рения осуществляется посредством записи номера канала коммутатора в соответству­ющие разряды регистра управления АЦП. Заметим, что в модулях АЦП 8-разрядных МК предусмотрена только программная установка номера канала, режим автоматического последовательного сканирования каналов с записью результата измерения каждого ка­нала в индивидуальную ячейку памяти не реализуется.

Диапазон измеряемых значений напряжения аналоговых входов определяется на­пряжением опоры U_оп,. Разрешающая способность АЦП составляет U_оп /2ⁿ, где п— число двоичных разрядов в слове результата. Максимальное значение опорного напряжения, как правило, равно напряжению питания МК. Два вывода модуля АЦП используются для задания опорного напряжения: U_REFH - верхний предел, U_оп, U_REFL - нижний предел. Раз­ность потенциалов на входах U _RЕРН и U/_REFL и составляет U _опЕсли измеряемое напряжение U _изм ≥ U _RЕРН, то результат преобразования будет равен $FF, код $00 соответствует напряжениям U_изм ≤ U_REFL. Для достижения максимальной точности измерения следует выбрать максимально относительно малые погрешности.

Собственно аналого-цифровой преобразователь выполнен по способу последователь­ного приближения. Принцип действия АЦП иллюстрируют функциональная схема и вре­менные диаграммы (рис. 4.16 и 4.17).

Вставить рис 4.16

АЦП включает регистр последовательного приближения, цифроаналоговый преоб­разователь, компаратор, генератор импульсов синхронизации, схему управления, ре­гистр результата ADCDATA и триггер готовности данных. Начало преобразования за­дает сигнал «Пуск», который устанавливает регистр последовательного приближения в состояние 10000000. При этом на выходе ЦАП формируется напряжение, равное по­ловине опорного. Компаратор сравнивает измеряемое напряжение с напряжением ЦАП. Если Ц,_зм > t/цдр, то в регистре последовательного приближения формируется следую­щий код сравнения, равный 11000000. Если U/_изм < U/цап, то старший разряд регистра последовательного приближения устанавливается в «0», следующий код сравнения равен 01000000. Таким образом, на первом такте измеряемое напряжение сравнивает­ся с эталонным значением U оп/2. Аналогичные действия выполняются в каждом из так­тов преобразования, однако значение напряжения сравнения зависит от результатов сравнения в предыдущих тактах. В примере рис. 4.2 на втором такте напряжение срав­нения равно U оп/2 + U_on/4, на третьем такте U оп/2 + U_on/8 - поскольку на втором такте было установлено, что U_изм < U оп/2 + U_on/4. Интервал преобразования состоит из n так­тов: один такт для получения каждого двоичного разряда слова результата. Точность аналого-цифрового преобразования определяется разрешающей способностью блока ЦАП. В разных моделях МК он может быть выполнен на основе матрицы из 256 резис­торов равных номиналов, матрицы весовых резисторов R/2R, достаточно часто встре­чается решение на основе емкостного делителя. Однако во всех моделях МК разреша­ющая способность ЦАП составляет 8 двоичных разрядов. Соответственно формат пред­ставления результата измерения АЦП-однобайтовый. Исключение составляют лишь модули АЦП микроконтроллеров для управления преобразователями частоты элект­ропривода, разрешающая способность которых равна 10 двоичным разрядам. Два млад­ших разряда результата получают с помощью дополнительного емкостного делите­ля, не связанного с регистром последовательного приближения. Длительность такта преобразования задает генератор синхронизации: один цикл равен двум периодам частоты генератора f_ADC.

Время преобразования можно рассчитать по формуле t _изм = = (2n+1)t_АDС, последний цикл необходим для переноса результата в регистр данных АЦП. Частота генератора синхронизации, как правило, не может быть выбрана произвольно. Ее ограничение определяется двумя обстоятельствами:

1)конденсаторы емкостного делителя неидеальны и имеют определенное сопротив­ление утечки; поэтому длительность такта измерения должна быть, с одной стороны,
достаточна для заряда конденсаторов до уровня напряжения, определяемого разряда­
ми регистра последовательного приближения, а с другой стороны, не слишком большой,
чтобы погрешность утечки не была значительной;

2)в некоторых моделях источник питания аналоговой части модуля АЦП выпол­нен на основе импульсного преобразователя; для его работы требуется тактирование,
частота тактирования определена с достаточно узким допуском ±10 %.

Источником синхронизации модуля АЦП может служить встроенный RC-генератор или импульсная последовательность тактирования межмодульных магистралей МК. В первом случае частота синхронизации АЦП обязательно окажется оптимальной, той, которая рекомендуется в техническом описании. Во втором случае выбранная в ре­зультате других соображений f_BUS может оказаться неподходящей для модуля АЦП. На этот случай в составе некоторых модулей предусмотрен программируемый дели­тель частоты f_eus.

Большинство моделей АЦП имеет только режим программного запуска: установка одного из битов регистра режима запускает очередное измерение. Наиболее универ­сальные модули АЦП имеют также режим автоматического запуска, при котором после завершения одного цикла преобразования немедленно начинается следующий. Однако данные измерения каждого цикла должны быть считаны программным способом (см. модуль ADC08 НС08 фирмы «Motorola»).

В заключение приведем технические характеристики модулей АЦП некоторых попу­лярных 8-разрядных МК (табл. 4.3).

Цифроаналоговые преобразователи в составе МК являются большой редкостью. Мо­дули параллельных ЦАП можно встретить лишь в МК «Mitsubishi» и «Hitachi».

Функция цифроаналогового преобразователя реализуется средствами модуля про­граммируемого таймера. На одном из выводов МК формируется высокочастотная им­пульсная последовательность с регулируемой длительностью импульса.

Полученный сигнал сглаживается фильтром нижних частот на операционном усилителе (рис. 4.18). Разрешающая способность такого ЦАП определяется дискретностью регулирования коэффициента заполнения у в режиме ШИМ. Как было отмечено в п. 4.1.6, немногие модели 8-разрядных МК способны реализовать с дискретностью более 8 разрядов (табл. 4.3). Этим вызвана необходимость применения внешних ИС ЦАП. Кроме того, частота ШИМ сигнала определяет время преобразования ЦАП, этим объясняется осо­бая привлекательность МК с частотой ШИМ в десятки килогерц.