PCF8591 - АЦП и ЦАП в одном

Микросхема PCF8591 обладает следующими возможностями:

- единственный источник питающего напряжения;
- сохранение работоспособности в диапазоне питающих напря­жений от 2,5 до 6 В;
- низкий ток потребления;
- три вывода задания slave-адреса;
- четыре аналоговых входа с возможностью программирования включения (прямое и дифференциальное);
- использование A/D преобразования с последовательным при­ближением и 8-разрядным диапазоном чисел;
- мультиплексированный D/A преобразователь с одним аналого­вым выходом.

Данная микросхема выполнена по технологии КМОП, имеет 4 аналоговых входа и 1 аналоговый выход, управляемые посредством задания данных на шине I2C. Биты А2...А0 в slave-адресе микросхемы задаются внешними сигналами по традиционному способу: подключением соответствующих выводов либо к общему проводу, либо к напряжению питания. Это позволяет использовать до 8 однотипных микросхем. В составе PCF8591 имеется только один A/D преобразователь, но использование методов мультиплексирования расширяет входные возможности микросхемы. Вход АЦП последовательно подключается к 4 сигнальным входам, и происходит считывание информации с них. К сожалению, мультиплексирование нельзя использовать для D/A преобразования, поэтому аналоговый выход только один. Максимальная скорость преобразования данных ограничена максимальным быстродействием шины I2C.

Рисунок 1. Расположение выводов микросхемы PCF8591

Рисунок 2. Блок-схема, отражающая внутреннее устройство и взаимодействие элементов микросхемы

Таблица 1. Назначение выводов PCF8591

Slave-адрес микросхемы задается, как показано на рис.3. Он содержит фиксированную часть (биты 7...4) и изменяемую часть (биты 3...1). Бит 0, как всегда, несет в себе признак «R/W» (чтение/запись).

Рисунок 3. Slave-адрес микросхемы

Второй байт, следующий за slave-адресом, носит название байта контроля и управления. Этот байт конфигурирует микросхему под задачи пользователя. Во-первых, с его помощью можно включить аналоговый выход или отключить его. Во-вторых, возможно настро­ить аналоговые входы как в прямом, так и в дифференциальном включении. В-третьих, возможна установка (двумя битами) номера канала A/D, в котором будет происходить преобразование. Если ус­тановлен флаг автоинкремента, после каждого A/D преобразования номер входного канала будет увеличиваться на единицу. Режим ав­тоинкремента наиболее рационально использовать совместно с внут­ренним генератором, поскольку в таком режиме он будет работать непрерывно. Как сказано в документации, задержка пуска генератора при переключении каналов ведет к ошибкам преобразования данных. Рекомендуется также отключать аналоговый выход (переводить его в Z-состояние), если он не используется. Эта мера позволит сократить ток потребления микросхемы. На рис. 4 показаны возможные со­стояния байта контроля и управления.

Рисунок 4. Со­стояния байта контроля и управления

D/A преобразование

Третий байт, который должна получать микросхема PCF8591, - это байт данных для цифроаналогового преобразователя. Естественно, в этом случае в байте контроля и управления (рис. 4) должен быть активизирован аналоговый выход.

Физически D/A преобразователь состоит из резисторной матрицы, показанной на рис. 5. Точки соединения резисторов образуют ответвления, которые с помощью переключателей связываются с выходной линией. Управляет схемой декодер ответвлений. Выходное напряжение (L)AC out) подается затем на усилитель с автоматаческой балансировкой нуля (auto-zeroed unity gain amplifier). Этот усилитель может быть либо включен (через байт контроля и управления), либо переведен в высокоимпедансное (2) состояние выхода.

Рисунок 5. D/A преобразователь

Важно отметить, что D/A преобразователь используется также в процедуре A/D преобразования по методу последовательного приближения. Данный метод подробно описан в литературе, и возвращаться к нему в рамках этой книги нет смысла.

Рисунок 6. Процедура D/A преобразования

Процедура D/A преобразования показана на рис. 6. Любая точка на графике в диапазоне 00h...FFh может быть определена по формуле:

где VA0UT — выходное напряжение D/A преобразователя; VREF — опорное напряжение; VAGND — потенциал аналоговой «земли»; D - соответствующий разряд байта данных.

Обратите внимание также на рис. 7. Возможна работа с микросхемой посредством передачи цепочки байтов данных, следующих один за другим. Уровень напряжения, соответствующий заданному, появляется на выходе в момент выдачи сигнала АСК. В момент выдачи сигнала АСК, подтверждающего прием байта контроля и управления (рис. 4) на выходе микросхемы, появляются данные, содержащиеся в регистре DAC с момента окончания предыдущего цикла работы микросхемы.

Рисунок 7.

A/D преобразование

Чтобы выполнить A/D преобразование, вначале нужно передать байт контроля и управления с признаком R/W = 0. Затем осуществить считывание данных согласно рис. 8.

Рисунок 8. A/D преобразование

Важно отметить, что считывание сигнала с аналогового входа и передача цифровых данных на шину ГС происходит по сигналу АСК. Причем момент считывания аналогового сигнала и момент начала передачи цифрового сигнала (точнее, его старшего бита) разнесены во времени, как показано на рис. 8.

Как уже было сказано ранее, входы микросхемы могут работать в обычном и дифференциальном режимах. График, отражающий рабо­ту микросхемы в обычном режиме, приведен на рис. 9, дифференциальный режим показан на рис. 10.

Рисунок 9. Обычный режим измерения

Рисунок 10. Дифференциальный режим измерения

Чтобы обеспечить стабильность A/D и D/A преобразований, необходим специальный источник опорного напряжения, подключаемый к выводам Vref и AGND микросхемы. Встроенный генератор не­обходим для обеспечения цикла преобразования A/D и для корректировки буферного усилителя с автоматической подстройкой нуля.

Чтобы задействовать внутренний генератор, вывод ЕХТ должен быть замкнут к Vss. Тогда на выводе OSC появится сигнал частоты преобразования, который можно проконтролировать. Если вывод ЕХТ подключить к VDD, внугренний генератор перейдет в высокоимпедансное состояние и на вывод OSC можно подавать сигнал от внешнего генератора.

Литература:
Б. Ю. Семенов, «ШИНА I2C В РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЯХ»